free website hit counter code
W3vina.COM Free Wordpress Themes Joomla Templates Best Wordpress Themes Premium Wordpress Themes Top Best Wordpress Themes 2012

Fotosentez: Işık Reaksiyonları.

By on 3-14-2013 in AKADEMİK İÇERİKLER, BOTANİK


Share

YERYÜZÜNDE YAŞAM GÜNEŞTEN GELEN ENERJİYE bağlıdır. Fotosentez ışık enerjisini kullanabilen tek biyolojik olaydır. Ayrıca gezegenimizdeki enerji kaynaklarının büyük bir bölümü günümüzde ya da geçmişteki (fosil yakıtlar) fotosentez sonucu oluşmuştur. Bu bölümde fotosentetik enerjinin depolanması ile ilgili temel fizik­sel ilkeler ve fotosentetik aygıtların yapı ve işlevlerinin aydınlatıl­masına yönelik çalışmalar anlatılmaktadır.

Fotosentez terimi kelime olarak “ışık kullanarak sentez” anla­mına gelmektedir. Bu bölümde göreceğimiz gibi, fotosentetik orga­nizmalar, enerji girişi olmaksızın gerçekleşmesi mümkün olmayan karbon bileşiklerinin sentezi için ışık enerjisini kullanırlar. Başka bir deyişle, ışık enerjisi; su ve karbondioksit kullanarak karbonhid­ratların sentezini sağlarlar. Bu sırada oksijen açığa çıkar.

6CO2 + 6H20 -> C6H1206 + 602

Karbondioksit + Su     ->   Karbonhidrat + Oksijen

Bu moleküllerde depolanan enerji, sonradan bitkilerde hücresel iş­lemler için güç kaynağı olarak kullanılabilir ve tüm yaşam formları için enerji kaynağı olarak iş görür.

Bu bölüm, fotosentezde ışığın rolü, fotosentezi gerçekleştiren aygıtların yapısı ve klorofilin ışık tarafından uyarılması ile başlayıp ATP ve NADPH ‘in sentezi ile tamamlanan işlemleri ele alınmıştır.

YÜKSEK BİTKİLERDE FOTOSENTEZ

Yüksek bitkilerde fotosentezde en aktif doku yaprakların mezofilidir. Mezofil hücreleri bol miktarda kloroplasta sahiptir. Kloroplastlar ışık soğuran yeşil pigmentleri, yani klorofilleri içerir. Foto­sentezde bitkiler suyu oksitlemek için güneş enerjisini kullanarak oksijen açığa çıkarır ve karbondioksiti indirgeyerek şekerler başta şekerler olmak üzere çeşitli karbon bileşiklerini oluştururlar. Tilakoyid reaksiyonları ve karbon fiksasyon reaksiyonla­rını içeren karmaşık reaksiyonlar dizisi CO2 ‘in indir­genmesi ile sonuçlanır.

Fotosentezin tilakoyid reaksiyonları kloroplastın tilakoyidler adı verilen özelleşmiş iç zarlarında ger­çekleşir. Bu tilakoyid reaksiyonlarının son ürünleri yüksek enerjili ATP ve NADPH bileşik­leridir. Bu ikisi, karbon indirgeme reaksiyonlarında şekerlerin sentezinde kullanılırlar. Karbon indirgeme reaksiyonları olarak isimlendirilen sentez işlemleri kloroplastların stromasmda gerçekleşir. Stroma tila­koyid leri kuşatan sulu ortamdır.

Işık enerjisi, kloroplastlarda fotosistemler adı veri­len iki farklı işlevsel birim tarafından kimyasal enerji­ye dönüştürülür. Soğurulan ışık enerjisi, elektron alıcı ve elektron vericileri olarak iş gören bir dizi bileşik­ten elektronların taşınması için gerekli gücü sağlamak için kullanılır. Elektronların çoğu son olarak NADP ‘ı NADPH ‘e indirger ve H20 ‘yu 02 ‘e yükseltger. Ay­rıca ışık enerjisi, tilakoyid zarda bir proton itici güç oluşturmak için de kullanılır. Bu itici güç ATP sentezinde kullanılır.

GENEL KAVRAMLAR

Bu kısımda fotosentezle ilgili temel kavramları açıkla­yacağız. Bu kavramlar, ışığın ve pigmentlerin özellik­leri ile çeşitli görevlerini kapsamaktadır.

Işık Hem Bir Parçacık Hem de Bir Dalga Özelliği Gösterir

Yirminci yüzyılın başlarında fizikçilerin başarıların­dan biri ışığın hem parçacık hem de dalga özellikleri taşıdığını bulmaları olmuştur. Bir dalga dalgaboyu ile karakterize edilir.

Dalgaboyu Yunan alfabesin­deki lamda (A) harfi ile göste­rilir ve ardışık dalgaların tepe noktaları arasındaki mesafeyi ifade eder. Frekans, Yunan alfabesindeki nu M harfi ile gösterilir ve belli bir zamanda belli bir noktadan geçen dal­ga sayısıdır. Dalgaboyu, fre­kans ve herhangi bir dalganın hızı arasındaki ilişki basit bir denklemle gösterilebilir.

c = h.v

Burada c dalganın hızıdır.

Şu anki bilgilere göre, ışığın hızı (3.0 x 108 m s-1 dir. Işık dalgası enine (yandan yana) elektromanyetik bir dal­gadır. Bu elektromanyetik dalgada hem elektrik hem de manyetik alanlar dalganın yayılım yönüne göre ve diğerine 90° açı yapacak şekilde düşey olarak salınım yapar.

Işık aynı zamanda foton olarak adlandırdığımız bir parçacıktır. Her foton, kuantum (çoğulu kuanta) adı verilen bir enerji içeriğine sahiptir. Işığın enerji içe­riği sürekli olmayıp birbirinden ayrı kuantum paket­ler; halindedir. Bir fotonun enerjisi (E) Planck yasası diye bilinen eşitliğe göre ışığın frekansına bağlıdır.

E = hv

Formülde h Planck sabitidir (6.626 x 10-34 J s).

Güneş ışığı farklı frekanslarda bir foton yağmuru­na benzetilebilir. Gözümüz yalnızca frekansın çok kü­çük bir aralığına elektromanyetik spektrumun görü­nür ışık bölgesine duyarlıdır. Daha yüksek frekanslı (veya daha kısa dalgaboylu) ışık, spektrumun morötesi bölgesinde, daha düşük frekanslı (veya daha uzun dalga- boylu) ışık ise kırmızı ötesi bölge­sinde yer almaktadır. Klorofil a nın soğurma spektrumu, güneşten gelen ışığın yak­laşık olarak bitkiler tarafından kul­lanıldığını göstermektedir.

Bir soğurma spektrumu (çoğu­lu spektra) bir molekül ya da bileşik tarafından ışığın dalgaboyunun bir fonksiyonu olarak, soğurulan veya alman ışık enerjisinin miktarına ilişkin bilgi verir. So­ğurma yapmayan bir çözgenin içindeki belli bir mad­denin soğurma spektrumu, spektrofotometre ile belirlenebilir.

Moleküller Işığı Soğurdukları ya da Yaydıkları Zaman Elektronik Durumları Değişir

Klorofil gözümüze yeşil görünür; çünkü spektrumun kırmızı ve mavi bölgelerindeki ışığı soğurur. Dola­yısıyla yalnızca yeşil dalgaboylarında (yaklaşık 550 nm) zenginleşmiş ışığın bir kısmı gözümüze yansıtılır.

Işığın absorbsiyonu.

Klo + hv —> Klo*

Burada en düşük enerjili veya temel durumdaki klorofil (Klo) bir fotonu (hv olarak gösterilmiştir) soğurunca daha yüksek enerjili veya uyarılmış (Klo*) duruma geçer.          

Uyarılmış molekülde elektronların dağılımı temel durumdaki molekülün elektron dağılımından biraz farklıdır. Mavi ışığın soğurulması, kırmızı ışığın soğurulmasma göre, klorofili daha yüksek bir enerji düzeyine çıkarır; çünkü dalgaboyu kısaldıkça fotonların enerjisi artar. Uyarılmış durumda kloro­fil aşırı derecede kararsız olup, içerdiği enerjinin bir kısmını hızlı bir biçimde ısı olarak çevreye vererek en az uyarılmış duruma geçer. Bu durumda ancak birkaç nanosaniye (10 9 s) kararlı kalabilir. Bu kararsızlık ne­deniyle, uyarılmış halin enerjisini alacak olan herhan­gi bir işlemin çok hızlı davranması gerekir.

En düşük uyarılmış halde, uyarılmış klorofilin içerdiği kullanılabilir enerjiyi bertaraf edebilmesinin dört yolu vardır.

1.Uyarılmış klorofil bir fotonu dışa verebilir ve böylece temel durumuna döner Bu işlem floresans olarak bilinir. Bu işlem gerçekleştiğinde floresansın dalgaboyu, soğurulan dalgaboyundan biraz daha uzundur (enerjisi de daha düşüktür), çünkü uyarılma enerjisinin bir kısmı floresanstan önce ısıya dönüşerek kaybedilmiştir. Klorofüler spek­trumun kırmızı bölgesinde floresans yapar.

2.Uyarılmış klorofil, bir fotonu dışa vermeksizin, uyarılma enerjisini doğrudan ısı enerjisine dönüş­türerek temel durumuna dönebilir.

3.Uyarılmış klorofil enerjisini başka bir moleküle geçirirken, klorofil enerji transferinde yer alabilir.

4.Dördüncü bir işlem fotokimyadır. Bu işlemde, uyarılmış durumun enerjisi bir kimyasal reaksiyo­nun gerçekleşmesini sağlar. Fotosentezin fotokimyasal reaksiyonları bilinen en hızlı kimyasal reaksiyonlardan biridir. Fotokimyanın bu denli hızlı olması, az önce tanımlanmış olan diğer üç ola­sı reaksiyon ile rekabet edebilmesi için gereklidir.

Fotosentezde Yer Alan Pigmentler Fotosentezin Güç Kaynağı Olan Işığı Soğururlar

Güneş ışığının enerjisi önce bitkinin pigmentleri tara­fından soğurulur. Fotosentezde aktif olan pigmentle­rin tümü kloroplastlarda bulunur. Bazı fotosentetik pigmentlerin yapıları’da, soğurma spektrumları ise Şekil’de gösterilmiştir.

ŞEKİL Bazı fotosentetik pigmentlerin soğurma spektrumu. 1. eğri, bakteriyoklorofil a, 2. eğri, klorofil a, 3. eğri, klorofil b, 4. eğri, fikoeritrobilin, 5. eğri, p-karoten. Burada gösterilenler, 4. eğri hariç, polar olmayan çözücülerde çö­zünmüş saf pigmentlerin soğurma spektrumlarıdır, 4. eğ­ride fikoeritrinin sulu bir tampondaki soğurma spektrumu gösterilmiştir. Fikoeritrin, fikoeritrobilin kromotoforu içeren bir proteindir ve siyanobakterilerde bulunur. Fikoeritrobilin kromatoforu peptid zincirine kovalent olarak bağlanmıştır. Fotosentetik pigmentlerin in vivo soğurma spektrumları, çoğu durumda fotosentetik zarlardaki pigmentlerin bulun­duğu ortamdan büyük ölçüde etkilenmektedir.

Klorofiller ve bakteriyoklorofiller (bazı bakterilerde bulunan pigmentler) fotosentetik organizmalardaki tipik pigmentlerdir; ancak tüm organizmalar, her birinin özel işlevi olan birden fazla pigmentin bir karışımına sahiptir.

Klorofil a ve b yeşil bitkilerde, c ve d ise bazı protistlerde ve siyanobakterilerde bulunmaktadır. Bakteriyoklorofillerin bir çok farklı türü bulunmuştur. Bun­lardan en yaygın olam a tipidir.

Tüm klorofiller kimyasal olarak hemoglobin ve sitokromlarda bulunan porfirin grupları ile ilişkili kar­maşık bir halka yapısına sahiptir. Ayrıca daima bu halkaya tutunmuş uzun bir hidro­karbon kuyruk bulunur. Bu kuyruk, klorofilin içinde bulunduğu ortamın hidrofobik kısmına tutunmasını sağlar. Halka yapısı, zayıf bağlı bazı elektronlar içerir. Bu kısım molekülün elektron geçişleri ve redoks reak­siyonlarında yer alan bölümüdür.

Fotosentez yapan organizmalarda bulunan farklı tipteki karotenoidler birbiriyle birleşmiş çok sayıda çift bağa sahip tamamen düz moleküllerdir. Soğurma spektrumları 400-500 nm olduğundan karotenoidler karakteristik olarak turuncu renktedirler. Örneğin havuca rengini içerdiği P-karoten verir.

Karotenoidler laboratuvar dışında yaşamayan mutantlar hariç, fotosentez yapan tüm organizmalarda mevcuttur. Karotenoidler tilakoyid zarlarla bütünleş­mişlerdir. Genel olarak hem anten hem de reaksiyon merkezinin pigment proteinleri ile yakın ilişkilidirler. Karotenoidler tarafından soğurulan ışık fotosentez için klorofile aktarılır. Bu nedenle karotenoidler aksesuar (yardımcı) pigmentler olarak isimlendirilirler.

FOTOSENTEZİN AYDINLATILMASINA KATKI YAPAN ÖNEMLİ DENEYLER

Fotosentezin kimyasal denklemi bir kaç yüzyılda, pek çok bilim adamının katkıları ile oluşturulabilmiştir. 1771 ‘de Joseph Priestley, bir mumun yanıp bit­tiği havada büyüyen bir nane sürgününün, o havayı, bir başka mumun yanabileceği kadar iyileştirebildiği­ni gözlemiştir. Bu gözlemin sonucunda bitkilerin ok­sijen ürettikleri bulunmuştur. 1779 yılında Hollandalı Jan Ingenhousz, fotosentezde ışığın gerekli olduğunu bildirmiştir.

Diğer bilim adamları CO2 ve H20 ‘yun rollerini saptamışlar ve organik maddelerin, özelliklede kar­bonhidratların oksijen ile birlikte fotosentezin bir ürü­nü olduğunu göstermişlerdir. 19. yüzyılın sonunda fotosentezin kimyasal reaksiyon eşitliği yazılmıştır.

Fotosentezin kimyasal reaksiyonları karmaşıktır. Bu güne kadar en az 50 reaksiyon basamağı tanımlan­mış olup kuşkusuz bunu diğerleri izleyecektir. Foto­sentezde başlıca kimyasal işlemlerin doğasına ilişkin ilk ipucu 1920 ‘lerde elde edilmiştir. Bu bulgular, son ürün olarak oksijen üretmeksizin fotosentez yapabilen bakterilerden sağlanmıştır. C. B. Van Nıel, bu bakteri­ler üzerindeki çalışmaları ile fotosentezin bir redoks (indirgenme-yükseltgenme) işlemi olduğunu bildir­miştir. Bu sonuç doğrulanmış ve daha sonra fotosen­tezle ilgili tüm çalışmalara temel oluşturmuştur.

Biz şimdi fotosentetik etkinlik ve soğurulan ışık arasındaki ilişkiye dönelim. Fotosentezin aydınlatıl­masına katkı yapan bazı kritik deneyleri tartışacak ve fotosentezin önemli kimyasal reaksiyonlarının denk­lemleri üzerinde duracağız.

Etkin Spektrum, Işığın Soğurulmasını Fotosentezin Etkinliği ile İlişkilendirir

Fotosentez ile ilgili bilgilerimizin artmasında etkin spektrum merkezi bir rol oynamıştır. Etkin spektrum, bir dalgaboyunun fonksiyonu olarak, bir biyolojik sis­temin ışığa verdiği yanıtın büyüklüğünü gösterir. Ör­neğin, fotosentezin etkin spektrumu farklı dalgaboylarında oksijen çıkışının ölçülmesi ile belirlenebilir. Çoğunlukla bir etkin spektrum, ışıkla uyarılan bel­li bir olaydan sorumlu kromoforu (pigment) tanımlar.

İlk etkin spektrumlardan bazıları 1800 ‘lü yılların sonunda T. W. Engelman tarafından ölçmüştür.

ŞEKİL T. W. Engelmann tarafından gerçekleştirilen etkin spektrum ölçümlerinin şematik çizimi. Engelmann, ipliksi yeşil alg Spirogyra’nm spiral kloroplastları üzerine bir ışık spektrumu yansıtmış ve oksijen seven bakterilerin klorofilin soğurma yaptığı bölgede toplandığım gözlemiştir. Bu etkin spektrum, fotosentezin gerçekleşmesinde yardımcı (aksesuvar) pigmentler tarafından soğurulan ışığın etkinliğini ilk kez göstermiştir.

Engelman bir prizma kullanarak güneş ışığını gökkuşağı renklerine ayırmak suretiyle bir ipliksi al­gin üzerine düşürmüştür. Daha sonra sisteme O, seven bir bakteri populasyonu eklemiştir. Bakteriler alg ipliğinin en çok O, oluşturulan noktalarında toplan­mıştır. Bu noktalar klorofil tarafından kuvvetle soğu­rulan mavi ışığın ve kırmızı ışığın aydınlattığı bölgeler olmuştur. Günümüzde etkin spektrum bir oda büyük­lüğündeki spektrogramlarla ölçülebilmektedir. Bu sis­temler büyük bir monokromatör yardımı ile örneklere monokromatik ışık verirler. Ancak deneylerdeki ilke Engelman deneyininkinin aynısıdır.

Etkin spektrum, O, oluşturan fotosentetik organiz­malarda iş gören iki farklı fotosistemin keşfedilmesi açısından çok önemliydi. Bununla beraber, iki fotosistemi tamtmadan önce ışık toplayıcı antenleri ve foto­sentezin enerji gereksinimini tanımlamamız gerekir.

Fotosentez Işık Toplayan Antenler ve Fotokimyasal Reaksiyon Merkezlerine sahip Komplekslerde Gerçekleşir

Işığın klorofiller ve karotenoidler tarafından soğurulması kimyasal bağların oluşması ile sonuçta kimya­sal enerji olarak depolanır. Dolayısıyla, enerjinin bu şekilde bir formdan başka bir forma dönüşümü, çok sayıda pigment molekülü ile bir grup elektron taşıyıcı protein arasında yardımlaşmayı gerektiren karmaşık bir işlemdir.

Pigmentlerin çoğu anten kompleksleri olarak iş görürler. Bu kompleksler ışık toplar ve enerjiyi reaksi­yon merkezi kompleksine aktarırlar. Reaksiyon mer­kezi kompleksinde enerjinin uzun süre depolanmasını sağlayan kimyasal indirgenme ve yükseltgenme reak­siyonları gerçekleşir.

Bitki anten ve reaksiyon merkezi pigmentleri ara­sındaki bu iş bölümünden nasıl yararlanır? Parlak güneş ışığı altında bir klorofil molekülü saniyede yal­nızca birkaç foton soğurabilir. Eğer her bir klorofilin kendine ait bir reaksiyon merkezi olsaydı, enzimler zamanın büyük bir bölümünde iş yapamayacak ve yalnızca foton soğurulduğunda aktifleşecekti. Ancak, eğer çok sayıda pigmentin enerjisi ortak bir reaksiyon merkezine aktarılabilirse sistem büyük bir zaman dili­minde aktif tutulabilir.

Robert Emerson ve William Arnold 1932 ‘de anah­tar özelliği olan bir deney geliştirmişlerdir. Bu de­neyde fotosentez sırasında enerji dönüşümünde çok sayıda klorofil molekülünün işbirliği yaptığına ilişkin ilk kanıtlar elde edilmiştir. Araştırıcılar bir yeşil alg olan Chlorella pyrerıoidosa kültürüne çok kısa (10-5 s) ışık flaşları göndererek üretilen oksijen miktarını ölçmüşlerdir. Emerson ve Arnold daha önceki bir çalış­malarında, süreçlerdeki enzimatik basamaklarm bir sonraki flaş gelmeden önce tamamlanması için iki ışık flaşı arasındaki 0.1 s ‘lik bir zaman diliminin yeterli ol­duğunu saptamışlardı. Araştırıcılar flaşların enerjisini değiştirerek daha şiddetli bir flaş verdiklerinde enerji artışının oksijen verimini artırmadığını gözlemlediler. Yani fotosentez yapan sistem ışıkla doygunluğa ulaş­maktaydı.

Emerson ve Arnold flaş enerjisinin oksijen üretimi ile ilişkisini ölçtüklerinde çok ilginç bir sonuçla kar­şılaştılar. Doygun koşullar altında örnekteki her 2500 klorofil molekülü başına yalnızca bir 02 molekülü üre­tilmekteydi. Şu an, birkaç yüz pigmentin bir reaksiyon merkezi ile birlikte çalıştığını ve her bir reaksiyon merkezinin bir molekül oksijen üretmek için dört kez çalışması gerektiğini biliyoruz. Dolayısıyla her bir 02 için 2500 klorofil sayısına ulaşılmaktadır.

Reaksiyon merkezleri ve anten komplekslerinin çoğu fotosentetik zarlarla bütünleşmiş yapılardır. Ökaryotik fotosentetik organizmalarda bu zarlar kloroplastlarda bulunurken, fotosentetik prokaryotlarda fotosentez plazma zarı veya bu zarlardan oluşmuş ya­pılarda gerçekleşmektedir.

Fotosentezin ışık reaksiyonlarının bir başka önemli parametresi olan kuantum verimi hesaplanabilir. Fotosentezin ku­antum verimi (φ) aşağıdaki eşitlikten belirlenebilir.

Φ= Fotokimyasal ürünlerin sayısı/ Soğurulan toplam kuantum sayısı

 

Eğrinin doğrusal kısmında (düşük ışık şiddeti) foton sayısındaki artışa bağlı olarak oksijen çıkışı art­maktadır. Dolayısıyla eğrideki eğim oksijen üretimi ile ilgili kuantum veriminin ölçüsüdür. Özel bir işlem için kuantum verimi 0 ile (işlem ışığa yanıt vermiyorsa) 1.0 (soğurulan her foton işleme katkı sağlıyorsa) arasında olabilir.

Loş ışıkta tutulan işlevsel kloroplastlarda foto­kimyanın kuantum verimi 0.95, floresansın kuantum verimi ise 0.05 ya da daha düşüktür. Diğer işlemlerin kuantum verimi önemsenmeyecek derecede azdır. Bu nedenle, uyarılmış klorofil moleküllerinin büyük bir bölümü fotokimyanın gerçekleşmesine yol açar.

Fotosentezdeki Kimyasal Reaksiyonlar Işık Tarafından Gerçekleştirilir

Fotosentez genel denklemi ile gösterilen kimyasal reaksiyon dengesinin, reaksiyona giren maddelerin yöneliminin çok uzağında olduğunun bilinmesi önemlidir. İşlemde yer alan her bir bileşiğin oluşumu için gereken serbest enerjiden hesaplanan eşitlikteki denge sabiti yaklaşık olarak 10-500 ‘dür. Bu sayı sıfıra çok ya­kındır. Dolayısıyla, dışarıdan enerji girişi olmaksızın H20 ve C02 moleküllerinden kendiliğinden bir glukoz molekülünü oluşturması evrenin tarihi boyunca ola­naksızdır. Fotosentezdeki reaksiyonları sürdürmek için gerekli enerji ışıktan gelir. Denklem aşağıdaki gibi basitleştirilebilir.

CO2 + H20 lşıkbitki > (CH20) + 02 (1)

Burada (CH20) bir glukoz molekülünün altıda biridir, 1 no’lu denklemde görülen reaksiyonu ger­çekleştirmek için dokuz ya da on kadar ışık fotonu yeterlidir.

Optimum koşullar altında fotokimyasal kuantum verimi yaklaşık %100 olsa da ışığın kimyasal enerjiye dönüşüm etkinliği çok daha azdır. Eğer 680 nm dalga boyundaki kırmızı ışık soğurulursa oluşan bir mol ok­sijen başına 1760 kj toplam enerji girişi olur. Bu enerji miktarı 1 no’lu denk­lemde görülen reaksiyonu sürdürmek için gerekenden fazladır. Bu reaksiyon için standart koşullarda serbest enerji değişimi +467 kj mol-1 dür. Bu nedenle optimum dalgaboyunda ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönü­şüm etkinliği yaklaşık %27′dir. Bu oran bir enerji dö­nüşüm sistemi için oldukça yüksektir. Depolanan bu enerjinin çoğu hücredeki işlemlerin sürdürülmesinde kullandır. Biyokütle oluşumu için kullanılan miktar ise oldukça azdır.

Fotokimyasal kuantum etkinliğinin (kuantum ve­rimi) yaklaşık 1 (%100), enerji dönüşüm etkinliğinin ise %27 olması çelişki yaratmaz. Kuantum etkinliği, fotokimyasal olarak iş gören soğurulmuş foton gru­bunun ölçüsüdür. Enerji etkinliği ise, soğurulan fotonlardaki enerjinin ne kadarının kimyasal ürünlerde depolandığının bir ölçüsüdür. Bu değerler, soğurulan fotonlardaki enerjinin neredeyse tamamının fotokim­yasal olarak iş yaptığını göstermektedir. Ancak her fotondaki enerjinin yalnız dörtte biri depolanabilir, kalanı ise ısıya dönüşür.

Işık, NADPH’in İndirgenmesini ve ATP Oluşumunu Sağlar

Fotosentez süreci baştan sona bir redoks reaksiyonu­dur. Bu reaksiyonlarda elektronlar bir kimyasal mad­deden ayrılarak onun yükseltgenmesine, daha sonra aynı elektronlar başka bir kimyasal maddeye katılarak onun indirgenmesine neden olurlar. Robert Hill 1937 ‘de demir tuzları gibi bazı bileşiklerin izole kloroplast tilakoyidlerinde ışık altında indirgendiğini bulmuş­tur. Bu bileşikler, aşağıdaki denklemde olduğu gibi, C02‘in yerine yükseltgeyici olarak görev yaparlar.

4 Fe3+ + 2 H20 -> 4Fe2+ + 02 + 4H+     (2)

O zamandan beri Hill reaksiyonu olarak bilinen bu reaksiyonda pek çok bileşiğin sentetik elektron alıcısı olarak iş gördüğü gösterilmiştir. Bunların kullanımı karbon indirgenmesinden önceki reaksiyonların ay­dınlatılmasında çok yararlı olmuştur.

Şu an fotosentez sistemlerinin normal işlemesi sı­rasında ışığın nikotinamid adenin dinükleotid fosfat (NADP) ‘ı indirgediğini bilmekteyiz. Bu bileşik ise Calvin döngüsünde karbon fiksasyonu için indirgeyi­ci ajan olarak kullanılır. Elektronların sudan NADP ‘a akışı sırasında ATP de üretilir. Üreti­len ATP karbon indirgemesinde kullandır.

Suyu oksijene yükseltgeyen, NADP ‘ı indirgeyen ve ATP’ı oluşturan kimyasal reaksiyonlar, daima tilakoyid zarlarda gerçekleştiğinden tilakoyid reaksiyonları olarak adlandırılır. Karbon fiksasyonu ve indirgen­mesi reaksiyonları ise kloroplastın stroma olarak adlandırılan sulu ortamında gerçekleşir Bu nedenle stro­ma reaksiyonları adını alır. Her ne kadar bu ayrım biraz keyfi olsa da kavramsal olarak yararlıdır.

Oksijen Oluşturan Organizmalar Seri Halde Çalışan İki Fotosisteme Sahiptirler

1950 ‘li yılların sonlarına değin, bazı deneyler foto­sentez üzerinde çalışan bilim adamları için şaşırtıcı olmuştur. Bu deneylerden biri Emerson tarafından gerçekleştirilmiştir. Dalgaboyuna bağlı olarak fotosen­tezin kuantum verimini ölçen Emerson, kırmızı düşüş olarak bilinen etkiyi açıklamıştır.

Eğer klorofilin soğurduğu ışığın dalgaboylarının kuantum verimi ölçülürse, bu aralığın büyük bir bölü­münde bulunan değerlerin oldukça sabit olduğu görü­lür. Dolayısıyla fotosentezin sürdürülmesinde klorofil veya diğer pigmentler tarafından soğurulan herhangi bir fotonun bir diğer foton kadar etkili olduğu görülür. Ancak kuantum verimi, klorofilin soğurduğu uzak- kırmızı ışık (680 nm’den daha uzun dalgaboyundaki kırmızı ışık) bölgesinde belirgin olarak düşer.

Bu düşüşe klorofilin ışığı soğurmasındaki bir azalma neden olamaz, çünkü kuantum verimi yalnız­ca soğurulan ışık için ölçülmektedir. Dolayıdıyla, 680 nm’den daha uzun dalgaboylu ışık, daha kısa dalga­boylu ışıktan çok daha az etkilidir.

Emerson tarafından bulunmuş olan bir başka şa­şırtıcı deney sonucu da artırma etkisidir. Bu deneyde önce iki farklı dalgaboyundaki ışığın fotosentezde­ki etkisi ayrı ayrı, sonra da ikisi birlikte ölçülmüştür. Kırmızı ışık ve uzak-kırmızı ışık birlikte verildiğinde fotosentez hızı, şaşırtıcı bir biçimde, bu ışıkların ayrı ayrı etkilerinin toplamından daha yük­sek bulunmuştur.

Sonunda bu gözlemler, 1960′larda gerçekleştirilen deneylerle açıklığa kavuşturulmuştur. Bu deneylerde iki fotokimyasal kompleks keşfedilmiştir. Şu an fotosistem I ve II (PSI ve PSII) olarak adlandırılan ve seri halde çalışan bu kompleks­ler fotosentezde enerjinin depolanmasını sağlayan başlangıç reaksiyonlarım gerçekleştirirler.

Fotosistem I, 680 nm den uzun dalgaboylu uzak- kırmızı ışığı, fotosistem II ise tercihen 680 nm’deki kır­mızı ışığı soğurur ve uzak-kırmızı ışıkta çok az etkin­dir. Dalgaboylarına olan bu bağımlılık artırma etkisini ve kırmızı düşüş etkisini açıklamaktadır.

Fotosistemler arasındaki diğer farklılıklar şunlar­dır.

.Fotosistem INADP+ ‘ı indirgeyebilen güçlü bir indirgeyici ve zayıf bir yükseltgeyici üretir.

.Fotosistem II suyu oksitleyebilen çok güçlü bir yükseltgeyici ve fotosistem I tarafmdan üretilen­den daha zayıf bir indirgeyici üretir.

Fotosistem II tarafından üretilen indirgeyici fotosistem I tarafmdan üretilen yükseltgeyiciyi yeniden indirger. İki fotosistemin bu özellikleri Şekil de şematik ola­rak gösterilmiştir.

ŞEKİL Fotosentezin Z şeması. Fotosistem 11 (PS II) tarafından soğurulan kırmızı ışık güçlü bir yükselt- geyici ve zayıf bir indirgeyici üretir. Uzak-kırmızı ışığı soğuran Fotosistem I (PS I) zayıf bir yükseltgeyici ve güçlü bir indirgeyici üretir. PS II tarafından oluşturu­lan güçlü yükseltgeyici suyu yükseltgerken PS I tara­fından üretilen güçlü indirgeyici NADP*’ı indirger. Bu şema fotosentetik elektron taşıranımın anlaşılması için önemli bir temeldir. P680 ve P700, sırasıyla PS II ve PS I ‘in maksimum soğurma dalgaboylarını ifade etmekledir.

Şekil de gösterilen fotosentez şeması Z (zigzag yaptığından) şeması olarak adlandırılır. Bu şema, O2 üreten (oksijenik) fotosentetik organizmaların anla­şılmasına temel oluşturmuştur. Bu şemaya göre, her biri kendine ait anten pigmentleri ve fotokimyasal re­aksiyon merkezi olan, fiziksel ve kimyasal olarak bir­birinden farklı fotosistemler (I ve II) iş görmektedir, iki fotosistem, bir elektron taşınım zinciri ile birbirine bağlanmıştır.

FOTOSENTETİK AYGITLARIN DÜZENLENMESİ

Önceki bölümde fotosentezin bazı fiziksel ilkeleri, çeşitli pigmentlerin işlevsel rollerinin bazı yönleri ve fotosentez yapan organizmaların gerçekleştirdikleri bazı kimyasal reaksiyonlar açıklanmıştı. Şimdi foto­sentez aygıtları ve bunların elemanlarının yapılarına dönelim.

Fotosentez Kloroplastta Gerçekleşir

Fotosentez yapan ökaryotlarda fotosentez kloroplast olarak bilinen organelde gerçekleşir. Bir bezelye kloroplastının transmisyon elektron mikroskobunda çekilmiştir. Kloroplastın en belirgin özelliği yapısında yaygın bir iç zar sisteminin bulunuşudur. Bu zar sistemi tilakoyidler olarak isimlendirilir. Klorofilin tümü fotosentezin ışık reaksiyonlarının gerçekleştiği bu zar sisteminin içinde bulunur.

Suda çözünen enzimler tarafından katalizlenen, karbon indirgeme reaksiyonları stromada (çoğul stro­mata) gerçekleşir. Stroma, tilakoyidlerin dışındaki böl­gedir. Tilakoyidlerin büyük bir kısmı birbiri ile yakın­dan bağlantılıdır. Üst üste gelerek yığın oluşturmuş bu zarlar grana lamelleri (tekili lamella, her bir yığın bir granum olarak isimlendirilir) olarak bilinir. Tilakoyidlerin yığın oluşturmadığı ve zarların stromayla doğrudan temas ettiği bölgeler ise stroma lamelleri olarak adlandırılır.

Her biri çift lipid tabakasından oluşan ve birlikte kılıf olarak isimlendirilen birbirinden ayrı iki zar kloroplastları kuşatır. Bu iki katlı zar siste­mi çeşitli metabolitleri taşıyan sistemleri bulundurur.

Kloroplastın kendine ait DNA, RNA ve ribozomları da bulunur. Kloroplast proteinlerinin çoğu kloroplastın kendi içerisinde kodlanır. Diğer bazıları ise nukleus DNA ‘sı tarafından kodla­nıp, sitoplazmadaki ribozomlar tarafından sentezlendikten sonra kloroplastlara taşınır. Çoğu zaman aynı enzim kompleksinin farklı alt birimleri için de söz konusu olan bu dikkat çekici iş bölümü, bu bölümün sonunda daha ayrıntılı tartışılacaktır.

Tilakoyidler Zarın İçine Gömülü (integral) Zar Proteinleri İçerirler

Fotosentez için gerekli olan çok sayıda protein tila­koyid zarlara gömülmüştür. Bu proteinlerin bazı kı­sımları tilakoyidlerin her iki yanındaki sulu bölgelerin içerisine uzanır. Integral zar proteinleri çok sayıda hidrofobik amino asit içerir. Bu nedenle zarın hidro­karbon kısmı gibi su içermeyen bir ortamda çok daha kararlıdırlar.

Reaksiyon merkezleri, anten pigment-protein kompleksleri ve elektron taşıyıcı enzimlerin çoğu in­tegral zar proteinleridir. Bilinen her durumda, kloroplasttaki integral zar proteinleri zar içinde eşsiz bir yö­nelime sahiptir. Tilakoyid zarda gömülü proteinlerin bir bölgesi stromaya, diğeri ise lümen olarak bilinen, tilakoyidin iç kısmına yönelmiştir.

Tilakoyid zarda, klorofiller ve ışık toplayıcı akse­suar pigmentler proteinlere kovalent olmayan, ancak oldukça özel bağlarla bağlanmıştır. Hem anten hem de reaksiyon merkezi pigmentleri proteinlerle birleşmiş­tir. Bu düzenlenmenin bir sonucu olarak anten komp­lekslerinde enerji, reaksiyon merkezinde ise elektron aktarımı optimumda gerçekleşir. Ayrıca enerji kaybı da en aza iner.

Fotosistem I ve II Tilakoyid Zarlar Üzerinde Farklı Yerlerde Bulunurlar

PS II reaksiyon merkezi, anten pigmentleri ve elektron taşıma proteinleri ile birlikte, ağırlıklı olarak grana la­mellerinde yerleşmiştir.

ATP oluşumunu katalizleyen eşleşme faktörü en­ziminin yanı sıra, PS I reaksiyon merkezi ve onun içer­diği anten pigmentleri ve elektron taşıyıcı proteinler yaygın olarak stroma lamellerinde ve grana lamelle­rinin kenarlarında bulunmaktadır. İki fotosistem ara­sındaki bağlantıyı sağlayan, elektron taşıma zincirinin sitokrom b6f kompleksi, stroma ile grana arasında dü­zenli dağılım gösterir.

Dolayısıyla O, ‘nin oluşturulduğu fotosentezde yer alan iki fotokimyasal olay konum olarak birbirin­den ayrılmıştır. Bu ayrım, fotosistemler arasında iş gören bir veya birden fazla elektron taşıyıcısının, zarın grana bölgesinden stroma bölgesine uzandığını göste­rir. Elektronlar bu bölgeden Fotosistem I ‘e gönderilir.

PS II ‘de iki su molekülünün yükseltgenmesi sonu­cu dört elektron, dört proton ve bir molekül 02 oluşur. Suyun yükseltgenmesi sonu­cu oluşan protonların difüzyonla ATP ‘nin üretildiği stroma bölgesine geçmeleri gerekir. Fotosistem I ve II arasmda yerleşimdeki bu büyük ayrılığın (onlarca nanometre) işlevsel rolü tam olarak açıklanamamış ise de, iki fotosistem arasındaki enerji dağılımının etkin­liğini artırdığı düşünülmektedir.

Fotosistem I ve II ‘nin konum olarak ayrılmış ol­ması iki fotosistem arasında bire bir sitokiyometrinin mutlak gerekli olmadığını göstermektedir. Bunun yerine, PS II reaksiyon merkezleri indirgeyici eşde­ğerleri çözünebilir elektron taşıyıcıların (plastokinon) oluşturduğu ortak bir havuza verir. Plastokinon bu bölümde daha sonra tartışılacaktır. PS I reaksiyon merkezleri indirgeyici eşdeğerleri özel bir PS II reak­siyon merkezi kompleksinden değil daha çok bu ortak havuzdan alır.

Fotosistem I ve II ‘nin oransal miktarlarına ilişkin ölçümler kloroplastlarda PS II ‘nin daha fazla bulun­duğunu göstermiştir. Genelde PS II ‘nin PS I ‘e oranı 1.5 :1 olmakla birlikte, bitkiler farklı ışık koşullannda yetiştirildiğinde bu oran değişebilmektedir.

Oksijen Üretmeyen Fotosentetik Bakteriler Fotosistem N’ninkine Benzeyen Bir Reaksiyon Merkezine Sahiptirler

Rhodobacter ve Rhodopseudomonas cinslerindeki foto­sentez yapan mor bakteriler gibi oksijen oluşturmayan (anoksijenik) organizmalarda yalnızca bir fotosistem bulunur. Basit yapılı bu organizmalar, oksijenin üre­tildiği fotosentezin bilinmeyenlerinin aydınlatılma­sına yönelik yapı ve işlev ile ilgili çalışmalar için çok kullanışlıdır.

Hartmut Michel, Johann Deisenhofer, Robert Hu­ber ve arkadaşları Münih ‘te fotosentetik mor bakteri Rhodopseudomonas viridis ‘in reaksiyon merkezinin üç boyutlu yapısını çözümlemişlerdir (Deisenhofer ve Michel 1989). 1988 ‘de Nobel Ödülü verilen, devrim niteliğindeki bu başarılı çalışmada, ilk kez yüksek çö­zünürlüklü x-ışını yapı analizi ile integral bir zar pro­teininin ve bir reaksiyon merkezi kompleksinin yapısı gösterilmiştir. Çok sayıda mutantın tanımlanması ve bu ayrıntılı yapı analizleri, reaksiyon merkezlerince ger­çekleştirilen enerji depolama işlemleri ile ilgili pek çok ilkenin aydınlatılmasını sağlamıştır.

Bakterilerdeki reaksiyon merkezinin yapısının, oksijen üreten organizmalara ait fotosistem II ‘dekine pek çok yönden benzerlik gösterdiği düşünülmekte­dir. Bu benzerlik zincirin elektronu alan bölgesinde özellikle fazladır. Bakterilerdeki reaksiyon merkezi­nin ortasında bulunan proteinler ile onların fotosistem II ‘deki eşdeğerlerinin gen dizisi benzerliği evrimsel bir ilişkiye işaret etmektedir.

IŞIK SOĞURAN ANTEN SİSTEMLERİNİN DÜZENLENİŞİ

Uzak akraba organizmalarda bile benzerlik gösteren reaksiyon merkezlerinin aksine, fotosentez yapan çe­şitli organizmaların anten sistemleri önemli değişik­likler gösterir. Anten komplekslerinin bu denli çeşitli oluşu, bazı organizmalarda iki fotosisteme enerjinin dengeli girmesine duyulan gereksinimin yanında, farklı organizmaların çeşitli yaşama ortamlarına adap­tasyonlarının bir sonucudur.

Anten sistemleri, ilişkide oldukları reaksiyon mer­kezlerine etkin bir biçimde enerji aktarma görevini üstlenmişlerdir. Anten sistemlerinin boyutları farklı organizmalarda büyük bir değişiklik gösterir. Bazı fotosentetik bakterilerde reaksiyon merkezi başına en az 20-30 bakteriyoklorofil, yüksek bitkilerde 200-300 klo­rofil ve bazı alg ile bakterilerde ise bir kaç bin pigment bulunabilmektedir. Her ne kadar tümü fotosentetik zarlarla bir biçimde birleşmiş olsa da, anten pigment­lerinin moleküler çok çeşitlilik gösterir.

Işığın soğurulduğu klorofilden reaksiyon mer­kezine, uyarılma enerjisinin fiziksel olarak rezonans transferi ile aktarıldığı düşünülmektedir. Rezonans sonucu, uyarılma enerjisi bir molekülden diğerine ışı- masız bir işlemle aktarılır.

iki diyapazon arasmdaki enerji aktarımı rezonans transferi ile benzerlik gösterir. Eğer bir diyapazon ya­nındaki başka bir diyapazona değdirilirse ikinci diyapa­zon birinciden bir miktar enerji alarak titreşmeye başlar. Anten komplekslerindeki rezonans enerjisi aktarımı gibi iki diyapazon arasmdaki enerji aktarımının etkinliği de, birbirlerine olan mesafe ve nispi yönelimlerinin yanın­da, salınım veya titreşim frekanslarına da bağlıdır.

Enerji anten komplekslerinde çok etkili aktarılır. Anten pigmentleri tarafından soğurulan fotonların enerjisinin yaklaşık %95-99 ‘u fotokimyasal işlemler­de kullanılmak üzere reaksiyon merkezine aktarılır. Antendeki pigmentlerin arasındaki reaksiyon merke­zinde oluşan elektron transferi arasında önemli fark­lılıklar vardır: enerji transferi tamamen fiziksel bir olaydır, oysa elektron transferi moleküllerde kimyasal değişimleri kapsar.

Antenler Enerjiyi Reaksiyon Merkezine Aktarırlar

Soğurulan enerjiyi reaksiyon merkezine gönderen an­ten içindeki çeşitli pigmentlerin soğurma maksimum­ları vardır. Bu soğurma maksimumu giderek daha uzun kırmızı dalgaboyuna doğru değişir. Soğurma maksimumunda gözlenen kırmızı yönünde­ki bu değişim, anten sisteminin dış bölgelerine göre, uyarılma hal enerjisinin reaksiyon merkezlerine yakın bölgelerde biraz daha düştüğünü göstermektedir.

Bu düzenlemenin sonucunda, örneğin uyarılma enerjisi, 650 nm de maksimum ışık soğuran bir klorofil b molekülünden 670 nm ‘de maksimum ışık soğuran bir klorofil a molekülüne aktarıldığında, bu iki uyarıl­mış klorofil molekülü arasındaki enerji farkı ısı olarak ortama verilir.

Uyarılma enerjisinin klorofil b ‘ye geri aktarılabil­mesi için, ısı olarak yitirilen enerjinin yeniden temini gerekir. Dolayısıyla, geri aktarma işleminin gerçekleş­me olasılığı düşüktür. Çünkü düşük ve yüksek ener­jili pigmentler arasındaki açığı kapatmak için termal enerji yetersizdir. Bu etki belli bir derecede yönlen­dirme veya geri dönüşümsüzlük sağlayarak bir enerji tutma işlemi oluşturur. Bunun sonucunda uyarılma enerjisi reaksiyon merkezlerine daha kuvvetli bir şe­kilde gönderilir. Aslında sistem, her bir kuantumdan gelen enerjinin bir kısmını feda etmekte ve böylece kuantumların yaklaşık tamamının reaksiyon merkezleri tarafından yakalaması sağlanmaktadır.

Pek Çok Anten Kompleksinin Yapısı Ortak Özellik Gösterir

Hem klorofil a hem de klorofil b‘ye sahip fotosentez ya­pan tüm ökaryot organizmalarda en bol bulunan anten proteinleri, yapısal benzerlik gösteren büyük bir prote­in ailesinin üyeleridir. Bu proteinlerin bazıları, birinci derecede fotosistem II ile bütünleşmiş olup ışık topla­ma kompleksi II (LHC II) proteinleri olarak isimlen­dirilir. Diğerleri ise fotosistem I ile bütünleşmiş olup LHC I proteinleri olarak adlandırılırlar. Ayrıca bu anten kompleksleri klorofil a/b anten proteinleri olarak da bilinmektedir.

Elektron mikroskopi ve elektron kristalografi bir­likte kullanılarak bir LHC II proteininin yapısı aydın­latılmıştır. Üç adet α-heliks bölgesine sahip olan bu protein 15 kadar klorofil a ve b molekülü ile birkaç karotenoid bağla­maktadır. Bu pigmentlerden yalnızca bazılarının çözümlenmiş yapısı görülebilmiştir. LHC I proteininin yapısı henüz belirlenememiştir, ancak büyük olasılıkla LHC II proteini ile benzerlik göstermektedir. Bu pro­teinlerin tümünün gen dizileri önemli benzerlik gös­termektedir. Dolayısıyla ortak bir atasal proteinden köken aldıkları neredeyse kesinleşmiştir.

LHC proteinlerindeki karotenoidler ya da klorofil b tarafından soğurulan ışık hızla klorofil a ‘ya sonrada reaksiyon merkezi ile onun hemen yakınındaki diğer anten pigmentlerine aktarılır. LHC II kompleksi dü­zenleyici işlemlerde de yer alır.

ELEKTRON TAŞINIM MEKANİZMASI

Seri halinde çalışan iki fotokimyasal reaksiyonun varlığını düşündüren bazı kanıtlar bu bölümde daha önce tartışılmıştı. Burada fotosentez sırasında elektron aktarımında yer alan kimyasal reaksiyonların ayrıntı­larını inceleyeceğiz. Klorofilin ışık ile uyarılmasını ve ilk elektron alıcısının indirgenmesini, fotosistem II ve I ‘den geçen elektronların akışını, başlıca elektron kay­nağı olarak suyun yükseltgenmesini ve son elektron alıcısı (NADP+) ‘nin indirgenmesini bu bölümde ele alacağız.

Klorofilden Çıkan Elektronlar “Z Şeması” Biçiminde Düzenlenmiş Bir Dizi Elektron Taşıyıcıdan Geçer

Şekil’de Z şemasının güncelleştirilmiş bir versi­yonu görülmektedir. Bu şemada, HzO ‘dan NADP+ ‘a elektron akışında görev yaptığı bilinen elektron taşıyı­cıların tümü, redoks potansiyeline göre yukarıdan aşa­ğıya doğru yerleştirilmiştir. Aralarında reaksiyon gerçekleştirdikleri bilinen tüm elemanlar oklarla birbirine bağlanmıştır. Z şeması, aslında hem kinetik hem de termodinamik bilgilerin bir sentezidir. Büyük dikey oklar sisteme ışık enerjisinin girişini göstermektedir.

Fotonlar, reaksiyon merkezlerinin (PS II için P680 ve PS I için P700) özelleşmiş klorofillerini uyarır ve bir elektron dışa çıkar. Bir dizi elektron taşıyıcıdan geçen elektron sonuçta P 700′ü (PS II den elektronları alır) veya NADP+’ı (PS l’den elektronları alır) indirger. Bundan sonraki tartışmaların çoğu bu elektronların yolculuğunu ve elektron taşıyıcılarının özelliklerini açıklamaktadır.

Fotosentezin ışık reaksiyonlarını oluşturan kim­yasal işlemlerin yaklaşık tümü dört büyük protein kompleksinde gerçekleşir. Bunlar fotosistem II, sitokrom b/kompleksi, fotosistem I ve ATP sentazdır. Zara gömülü (integral) bu dört kompleks aşağıdaki görev­ler için tilakoyid zarların içinde belli bir doğrultuda yerleşmiştir.

.Fotosistem II, tilakoyidin lümeninde suyu 02‘e ok­sitler ve protonların lümene bırakılmasını sağlar.

.Sitokrom b6f, PS II ‘den elektronları alarak PS I’e ve­rir, ayrıca stromadan lümene ilave protonları taşır.

.Fotosistem I, ferredoksin (Fd) ve flavoprotein ferredoksin-NADP redüktaz (FNR) ‘ın iş görmesi ile stromada NADP* ‘ı NADPH ‘e indirger.

.ATP sentaz, protonları lümenden stromaya geçi­rerek ATP üretir.

Uyarılmış Bir Klorofil Bir Elektron Alıcısı Molekülü İndirgeyince Enerji Kazanılmış Olur

Daha önce tartışıldığı gibi, ışığın işlevi reaksiyon mer­kezindeki özelleşmiş bir klorofili uyarmaktır. Bunu ya doğrudan soğurma ya da daha sıklıkla bir anten pigmentinden enerjinin transferiyle gerçekleştirir. Bu uyarılma işlemi, bir elektronun klorofilin en yüksek enerjili yörüngesinden, en düşük enerjili yörüngesine bir elektronun geçmesiyle gerçekleşir. Üst yörüngede bulunan elektron, klorofile zayıf bağlandı­ğından, yakınında o elektronu alabilecek bir molekü­lün bulunması halinde kolayca yitirilir.

Elektronun enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştü­rüldüğü ilk reaksiyon, yani ilk fotokimyasal olay bir elektronun, reaksiyon merkezinde bulunan uyarılmış bir klorofilden, elektron alıcısı bir moleküle aktarıl­masıdır. Başka bir deyişle soğurulan foton, reaksiyon merkezinde yer alan klorofilde elektronların yeniden düzenlenmesine yol açar. Bunu daha sonra elektron taşınımı izler. Elektron taşınımı sırasında fotondaki ener­jinin bir kısmı redoks enerjisi formunda yakalanır.

Fotokimyasal olaydan hemen sonra, reaksiyon merkezindeki klorofil yükseltgenir (elektronu eksik veya pozitif yüklü). Bitişikteki elektron alıcısı molekül ise indirgenir (elektronca zengin veya negatif yüklü). Sistem şimdi kritik bir noktaya gelmiştir.

ŞEKİL Reaksiyon merkezinde bulunan klorofilin temel ve uyarılmış hallerinde yörünge yerleşimi şeması. Temel haldeki molekül, zayıf indirgeyici (düşük enerjili bir yörüngeden elektronlar kaybeder) ve zayıf yükseltgeyici bir ajandır (elektronları yalnızca yüksek enerjili yörünge alır). Uyarılmış halde tam tersi bir durum vardır, bir elektron yüksek enerjili yörüngeden kaybedilebilir ve molekül aşırı derecede güçlü bir indirgeyici ajan haline gelir. Bu, P680* ve P700* tarafından gösterilen aşırı derecede negatif uyarılmış durumun redoks potansiyelinin de nede­nidir. Her ne kadar bu yol reaksiyon merkezlerinde önemli değilse de, uyarılmış hal, düşük enerjili yörüngesine bir elektron alarak güçlü bir oksidant olarak ta iş görür.

Şekil’de gösterilen, yükseltgenerek pozitif yük kazanmış reaksi­yon merkezindeki klorofilin düşük enerjili yörüngesinde bir açık oluştuğundan bu açığı doldurmak için bir elektron alabilir. Eğer alıcı molekül elektronunu reaksi­yon merkezindeki klorofile geri verirse, sistem ışık soğrulmadan önceki durumuna geri döner. Bu durumda soğurulan enerjinin tamamı ısıya dönüştürülecektir.

Bununla birlikte kayba neden olan bu rekornbinasyon işlemi reaksiyon merkezlerinin çalışması sırasın­da pek yaygın değildir. Bunun yerine, elektron alıcısı fazladan kazandığı elektronunu ikinci bir alıcıya, o da elektron taşıma zincirindeki diğer alıcılara. Bir elek­tron verdiği için yükseltgenmiş olan klorofilin reak­siyon merkezi ise ikinci bir verici tarafından yeniden indirgenir. Onu da tersiyer bir verici indirger. Bitki­lerde son elektron vericisi H20, son elektron alıcısı ise NADP+ ‘tır.

Böylece fotosentezde enerjinin depolaması, aslın­da uyarılmış bir klorofilden bir elektronun alıcı bir moleküle aktarılması ile başlayan ve hızlı gelişen bir dizi kimyasal reaksiyonlar ile süren bir işlemdir. Bu ikincil işlemler, pozitif ve negatif yük ayrımı sağlar. Tilakoyid zarın iki yanında yaklaşık 200 pikosaniyede (1 pikosaniye 10-12 s) yük ayrımı ortaya çıkar.

Bu yük ayrımı sonucunda, tersine reaksiyonlar önemli ölçüde yavaşlar ve enerji tutulmuş olur. Her bir ikincil elektron transferinde bir miktar enerji kay­bedilir. Bu enerji kaybı işlemlerin geri dönüşümünü engeller. Fotosentez yapan bakterilerden saflaştırılan reaksiyon merkezlerindeki kararlı ürünlerin üretimi için kuantum verimleri 1.0 olarak hesaplanmıştır; yani her bir foton kararlı ürünler üretmekte ve geri dönüş reaksiyonları gerçekleşmemektedir.

Her ne kadar optimal koşullarda (düşük ışık şid­deti) 02 üretimi için kuantum gereksinimi ölçümleri yüksek bitküerden saflaştırılmış reaksiyon merkezle­rinde yapılmamış ise de birincil fotokimyasal olaylar için bu değerin 1.0 ‘a çok yakın olduğu gösterilmiştir. Reaksiyon merkezinin yapısı, enerji üreten reaksiyon­ları maksimum, enerji kaybettiren reaksiyonları ise minimum hızda tutacak biçimde düzenlenmiştir.

İki Fotosistemin Reaksiyon Merkezinde Yer Alan Klorofiller Farklı Dalgaboylarındaki Işğı Soğururlar

Bu bölümde daha önce tartışıldığı gibi, PS I ve PS II ‘nin soğurma özellikleri farklılık gösterir. İndirgenmiş ve yükseltgenmiş durumda reaksiyon merkezindeki klo­rofillerin optik değişiklikleri sayesinde, maksimum ışık soğurma dalgaboyları kesin olarak ölçülebilmektedir. Reaksiyon merkezindeki klorofil bir elektronu yitirdik­ten sonra ve bir elektron alarak yeniden indirgenmeden önce geçici olarak yükseltgenmiş halde bulunur.

Yükseltgenmiş halde, spektrumun kırmızı bölge­sinde ışığın kuvvetli bir biçimde soğurulması sonucu klorofil özelliğini kaybeder veya ağarır. Bu nedenle, ağarmanın doğrudan izlenmesini sağlayan, zaman çözümlemeli ışık soğurumu ölçümleri ile bu klorofillerin redoks durumunu izlemek mümkün olabilmektedir.

Bessel Kok, böyle teknikleri kullanarak fotosistem 1′in reaksiyon merkezindeki klorofilin indirgenmiş halde 700 nm de maksimum soğurma yaptığmı bul­muştur. Buna uygun olarak, bu klorofil P700 (pigment­ten gelmek üzere P) olarak adlandırılmıştır. H. T. Witt ve arkadaşları ise fotosistem II ‘nin 680 nm’de maksi­mum ışık soğurduğunu bulmuşlardır. Bu nedenle PS II nin reaksiyon merkezindeki klorofil P680 olarak bi­linmektedir. Louis Duysens ise mor fotosentetik bak­terilerdeki reaksiyon merkezinde yer alan bakteriyoklorofili P870 olarak belirlemiştir.

Bakterideki reaksiyon merkezinin x-ışını yapısı P870′in bir tek molekül değil, bakteriyoklorofilin bir çifti ya da dimeri olduğunu göstermiştir. Fotosistem I’in birincil elektron vericisi olan P700, klorofil a molekülünün bir dimeridir. Her ne kadar fotosistem H’nin birincil elektron vericisi olan P680 tamamen bu pigmentlerin üzerine oturmamış ise de, fotosistem II de bir klorofil dimeri içerir. Reaksiyon merkezi klorofilleri yükselt­genmiş halde çift yapmamış bir elektron içerir. Çift yapmamış elektronlar bulunduran moleküller elek­tron spin rezonans (ESR) olarak bilinen bir manyetik rezonans tekniği ile belirlenebilir. Spektroskopik öl­çümlerin yanı sıra, ESR çalışmaları fotosentetik elek­tron taşıma sistemindeki çok sayıda ara elektron taşı­yıcısının keşfini sağlamıştır.

Fotosistem II Reaksiyon Merkezi Çok Sayıda Alt Birimden Oluşan Bir Pigment-Protein Kompleksidir

Fotosistem II çok sayıda alt birimden oluşan bir prote­in süperkompleksi içermektedir. Yüksek bitkilerde bu süperkompleks iki tam reaksiyon merkezi ve birkaç anten kompleksinden oluşur. Reaksiyon merkezinin ortasında D1 ve D2 ola­rak bilinen iki zar proteini diğer proteinlerle birlikte bulunur.

Birincil elektron verici klorofil (P680), diğer kloro­filler, karotenoidler, feofitinler ve plastokinonlar (iki elektron alıcısı sonraki konuda anlatılacak) D1 ve D2 zar proteinlerine bağlanmıştır. Bu proteinler mor bak­terilerin L ve M peptidleri ile dizi benzerlikleri göste­rir. Diğer proteinler anten kompleksleri olarak görev yapar veya oksijen oluşumunda gereklidirler. Sitokrom b559 gibi bazılarının işlevleri bilinmemekle birlikte, fotosistem II çevresinde koruyuculuk yaptıkları düşü­nülmektedir.

Su, Fotosistem II Tarafından Oksijene Oksitlenir

Su aşağıdaki kimyasal reaksiyona göre oksitlenir:

2H20->02 + 4H- + 4e-

Bu eşitlikte görüldüğü gibi iki su molekülünden dört elektron çıkar. Bunun sonucunda bir oksijen molekü­lü ve dört hidrojen iyonu oluşur.

Su çok kararlı bir moleküldür. Moleküler oksijen oluşturmak için suyun yükseltgenmesi çok zordur. Fotosentezde oksijen oluşturan kompleksler, bu re­aksiyonu gerçekleştirebilen tek biyokimyasal sistem olarak bilinmektedir. Dünya atmosferindeki oksijenin neredeyse tamamı fotosentez ile oluşmuştur.

Fotosentezde suyun yükseltgenmesini sağlayan kimyasal mekanizma bilinmiyor ise de, konuya ilişkin çok sayıda çalışma önemli bilgiler sağlamıştır. Suyun yükseltgenme­si sonucu oluşan protonlar doğrudan stromaya değil, tilakoyidlerin lümenine bırakılır. Protonla­rın lümene bırakılmasının nedeni, zarın vektörel (yön­lendirilmiş) yapısı ve oksijen oluşturan kompleksin tilakoyidin iç yüzeyinde bulunmasıdır. Bu protonlar sonradan ATP sentaz içerisinden geçirilerek lümenden stromaya aktarılır. Böylelikle suyun yükseltgenmesinden elde edilen protonlar ATP oluşumu için ge­rekli elektrokimyasal potansiyeli sağlarlar.

Suyun yükseltgenmesi işlemlerinde mangan (Mn)’ın gerekli bir kofaktör olduğu yıllardan beri bi­linmektedir (Bkz. 5. Bölüm). Fotosentezle ilgili klasik bir hipoteze göre, mangan iyonları bir dizi yükseltgen- me geçirir, S durumu olarak bilinen bu yükseltgenme dizisi S0, S1, S2, S3 S4 evrelerinden oluşur. Olasılıkla suyun yükseltgenmesi ve 02‘in oluşumu ile bağlantılıdır. Manganın doğrudan belirlenebildiği x-ışım soğurma ve ESR tek­nikleri kullanılarak yapılan çalışmalar bu hipotezi des­teklemiştir. Analitik deneyler, dört mangan iyonunun oksijen oluşturan kompleks ile bütünleşmiş olduğunu göstermiştir. Diğer deneylerde ise 02 oluşumu için Cl ve Ca2+ iyonlarına gereksinim duyulduğu gösterilmiştir.

Genel olarak Yz olarak ifade edilen bir elektron taşıyıcı oksijen oluşturan kompleks ve P680 arasında iş görür. Bu bölgede iş görebilmesi için Yz nin kendine ait elektronları tutma eğiliminin çok kuvvetli olması gerekir. Bu türün PS II reaksiyon merkezinin Dj proteinindeki tirozin kalıntısından olu­şan bir radikal olduğu belirlenmiştir.

Fotosistem II ‘den Ayrılan Elektronlar Feofitin ve İki Kinon Tarafından Alınır

Spektral ve ESR çalışmalarından elde edilen kanıtlar, fotosistem II ‘de ilk elektron ahcı olarak feofitinin iş gördüğünü ve bunu, iki plastokinondan oluşan bir kompleksin izlediğini göstermektedir. Plastokinon bir demir atomu ile yakından ilişkilidir. Feofitin, mer­kezde magnezyum atomu yerine iki hidrojen atomu bulunduran bir klorofildir. Bu kimyasal farklılık feo­fitinin kimyasal ve spektral özelliklerini klorofilden biraz farklı yapar. Elektron alıcı kompleks içerisindeki taşıyıcıların yerleşimi tam olarak bilinmemekle birlik­te, mor bakterilerin reaksiyon merkezlerininkine çok benzediği sanılmaktadır.

Reaksiyon merkezine bağlanmış olan iki plastoki­non (Qa ve Qb) feofitinden gelen elektronları sırasıyla alır. İki elektronun QB‘ye geç­mesi ile Qb, Qb-2 şeklinde indirgenir, indirgenmiş QB-2 ‘de stromadan 2FP alır. Böylece tamamen indirgen­miş plastohidrokinon (QH2) oluşur. Daha sonra plastohidrokinon reaksiyon merkezi komplek­sinden ayrılarak zarın hidrokarbon kısmına girer ve elektronlarını sitokrom b6f kompleksine aktararak eski yerine döner. Tilakoyid zarların büyük protein komp­lekslerinden farklı olarak, hidrokinon, küçük ve polar olmayan bir molekül olduğundan, zar çift tabakasmın polar olmayan iç kısmına kolayca geçebilir.

Elektronların Sitokrom b6f Kompleksinden Geçmesi Sırasında Protonlar da Taşınır

Sitokrom b6f kompleksi çok sayıda alt birimden oluş­muş birkaç prostetik grup içeren büyük bir proteindir. Kompleks iki adet b-tipi, bir adet c-tipi hem grubu (sitokrom f) içerir. c-Tipi sitokromlarda hem grubu peptide kovalent ola­rak bağlanmıştır; kimyasal olarak protohem grubuna benzeyen b-tipi sitokromlarda ise kovalent olarak bağ­lanmamıştır. Ayrıca komplekste, bir Rieske demir-kükürt proteini (keşfeden bilim adamının adı ile anılır) mevcuttur. Bu proteinde iki demir atomu iki kükürt atomu ile bir köprü oluşturmuştur.

Sitokrom f ve ilişkili olan sitokrom bc, komplek­sinin yapısı saptanarak elektron ve proton akışı için bir mekanizma önerilmiştir. Sitokrom b6f kompleksi içinden elektronların akış yolu tam olarak aydınlatılamamıştır. Ancak, Q döngüsü (kinon döngüsü) olarak bilinen bir mekanizma gözlemlerin çoğunu açıklamak­tadır. Bu mekanizmada, plastohidrokinon (QH2) yükseltgenir ve iki elektrondan biri doğrusal bir elektron taşınım zincirinden fotosistem I ‘e geçirilirken, diğer elektron devirli bir işlemden geçer. Bu devirli işlem so­nucunda zarın bir yanından diğer yanına pompalanan protonların sayısı artar.

Doğrusal elektron taşıma zincirinde, oksitlenen Ri­eske proteini (FeSR) plastohidrokinondan bir elektron alır ve sitokrom f ‘ye aktarır. Daha sonra sitokrom f elektronu mavi renkli bakır proteini olan plastosiyanine (PC) aktarır. Plastosiyaninde PS I ‘deki yükseltgenmiş P700 ‘ü indirger, işlemin devirli kısmında ise plastosemikinon diğer elektronunu b-tipi hemlerden birine aktarır ve protonların her ikisini de zarın lümen tara­fına bırakır.

b-Tipi hem, almış olduğu elektronu ikinci bir b- tipi hemin üzerinden oksitlenmiş bir kinon molekülü­ne aktararak bu kinonu kompleksin stromaya bakan yüzeyinin yakınında semikinon formunda indirger. Diğer bir benzer elektron akışı dizisi, plastokinonu Bu sırada tamamen indirger, plastokinon zarın stromaya bakan tarafından protonları alır ve plastohidrokinon olarak sitokrom b6f kompleksinden ayrılır.

Kompleksin iki kez dönmesi sonucunda P700 ‘e net olarak iki elektron aktarılır, iki plastohidrokinon kinon oluşturmak üzere oksitlenir. Oksitlenmiş bir plastokinon, hidrokinon oluşturmak üzere indirgenir. Ayrıca zarın stroma tarafından lümen tarafına dört proton aktarılır.

Bu mekanizma ile, PS II reaksiyon merkezinin elek­tron alıcı yanını PS I reaksiyon merkezinin verici yanına bağlayan elektron akışı zarın iki yanında elektrokimya- sal bir potansiyel oluşturur. Bu elektrokimyasal potan­siyel zarın iki yanındaki H+ konsantrasyon farkından kaynaklanır. Bu elektrokimyasal potansiyel ATP sente­zi için gerekli gücü sağlar. Sitokrom b ve plastokinondan geçen devirli elektron akışı elektron başına pompa­lanan protonların sayısını artırır. Bu sayı doğrusal bir elektron akışının kazandırdığından daha fazladır.

Plastokinon ve Plastosiyanin Fotosistem II ve I Arasında Elektron Taşırlar

İki fotosistemin tilakoyid zarlar üzerinde farklı yer­lere yerleşmiş olması, fotosistem II tarafından üreti­len elektronları fotosistem I ‘e göndermek için zarın içinden ya da yüzeyinden hareket edebilen en az bir elemanın bulunmasını gerektirir. Sitokrom b6f komp­leksi zarların stroma ve grana bölgelerinde eşit olarak dağılmıştır. Ancak bu kompleksin büyük oluşu onun hareketli bir taşıyıcı olmasını önler. Onun yerine, plas­tokinon ve plastosiyanin moleküllerinin iki fotosistemi birbirine bağlayan hareketli taşıyıcılar olarak iş gördükleri düşünülmektedir.

Bakır içeren ve suda çözünen küçük (10.5 kDa) bir protein olan plastosiyanin, sitokrom b6f kompleksi ve P 700 arasında elektron taşır. Bu protein lümen boş­luğunda bulunmuştur. Bazı yeşil alg­lerde ve siyanobakterilerde plastosiyanin yerine bazen c-tipi sitokrom bulunur. Bu iki proteinin sentezi orga­nizmalardaki kullanılabilir bakırın miktarına bağlıdır.

NADP+ Fotosistem I ‘in Reaksiyon Merkezi Tarafından İndirgenir

PS I reaksiyon merkezi kompleksi çok sayıda alt bi­rimden oluşan büyük bir komplekstir. PS II ‘nin aksine, PS I ‘in reaksiyon merkezinde yaklaşık 100 klorofilden oluşan merkezi bir anten bulunur. Merkezi anten ve P700, moleküler ağırlıkları 66 – 70 kDa aralığında olan PsaA ve PsaB olarak adlandırılan iki proteine bağlanmıştır.

Anten pigmentleri kompleksin merkezinde yer alan elektron taşıyıcı kofaktörleri kuşatan bir çanak oluşturur. İndirgenmiş haldeyken, fotosistem I ‘in elektron alıcı bölgesinde iş gören elektron taşıyıcıla­rın tümü çok güçlü indirgeyici ajanlardır. Bunların indirgenmiş türleri çok kararsız olup, tanımlanmala­rı zordur. Mevcut kanıtlar, bu ilk elektron alıcılardan birinin, bir klorofil molekülü, diğerinin ise bir kinon çeşidi olan fillokinon olduğunu göstermektedir. Bu ki­non K, vitamini olarak ta bilinmektedir.

Üç adet demir-kükürt proteini veya bağlı ferredoksinler diğer elektron alıcılardır. Bunlar, Fe-S mer­kezleri yani FeSx, FeSA ve FeSB olarak isimlendirilmektedir. Bunlardan Fe-S merkezi X, P700 ile bütünleşmiş proteinin bir parçasıdır. A ve B merkezleri ise PS I reaksiyon merkezi kompleksinin bir parçası olan 8 kDa ‘luk bir proteine yerleşmiştir. A ve B merkezlerinden geçen elektronlar, küçük ve suda çözünebilen bir demir-kükürt proteini olan ferredok- sine (Fd) aktarılır. Zara bağ­lı flavoprotein ferredoksin-NADP redüktaz (FNR) NADP’ ‘ı NADPH ‘e indirger. Böylece suyun yükselt- genmesi ile başlayan devirli olmayan elektron taşınımı dizisi tamamlanmış olur.

NADP* ‘in indirgenmesine ek olarak Fotosistem I tarafından üretilen indirgenmiş ferredoksinin başka rolleri de vardır. Kloroplastlarda nitratın indirgen­mesi için gereken indirgeyicilerin sağlanması ve bazı karbon fiksasyon enzimlerinin düzenlenmesi bunlar arasındadır.

Devirli Elektron Akışında NADPH Üretilmeyip Yalnızca ATP Üretilir

Sitokrom b6f komplekslerinin bazıları fotosistem I ‘in yerleştiği zarın stroma bölgesinde bulunmaktadır. Belirli koşullar altında, fotosistem I ‘in indirgeyici ta­rafından sitokrom b6f kompleksine ve oradan tekrar P700 ‘e bir devirli elektron akışı söz konusudur. Bu devirli elektron akışı sırasında lümen içerisine proton pompalanır. Bu proton pompalanması ATP sentezin­de kullanılır. Ancak bu sırada su yükseltgenmediği gibi NAHP+ ‘ta indirgenmez. Devirli elektron akışı, C4 yoluyla karbon fiksasyonu yapan bazı bitkilerin de­met kını kloroplastlarında ATP kaynağı olarak özel­likle önemlidir.

Bazı Herbisitler Elektron Akışını Engellerler

Modern tarımda istenmeyen bitkileri öldürmek ama­cıyla herbisitler yaygın olarak kullanılmaktadır. Pek çok farklı herbisit geliştirilmiştir. Bunlar amino asit, karotenoid veya lipid biyosentezini engelleyerek ya da hücre bölünmesini durdurarak etkili olabilmekte­dir. DCMU (diklorofenil dimetil üre) ve parakuat gibi bazı herbisitler ise fotosentetik elektron akışını engel­lemektedir. DCMU, diüron olarak da bili­nir. Parakuat, marihuana bitkilerinin imhasında kulla­nıldığından insanlar tarafından iyi bilinmektedir.

DCMU’nun da aralarında bulunduğu bazı her­bisitler, fotosistem II ‘nin kinon alıcılarında elektron akışını engelleyerek etkili olurlar. Bunu, normalde Qb tarafından doldurulan plastokinon bağlanma böl­gesi için rekabet ederek yaparlar. Parakuat gibi diğer herbisitler ise fotosistem I ‘in ilk alıcılarından elektron aldıktan sonra süperoksit (02_) oluşturmak üzere ok­sijen ile reaksiyona girerek etki gösterir. Süperoksit, başta lipidler olmak üzere, kloroplast elemanlarına çok zarar veren bir reaktif oksijen türüdür.

KLOROPLASTLARDA PROTON TAŞINIMI VE ATP SENTEZİ

Tutulan ışık enerjisinin NADP+ ‘in NADPH ‘e indir­genmesinde nasıl kullanıldığını önceki kısımlarda öğrendik. Tutulan ışık enerjisinin diğer bir kısmı ise ışığa bağımlı ATP sentezi için kullanılmaktadır. Buna fotofosforilasyon adı verilmektedir. Bu işlem Daniel Arnon ve arkadaşları tarafından 1950 ‘lerde keşfedil­miştir. Her ne kadar bazı koşullarda elektron akışı ve fotofosforilasyon birbirinden bağımsız olarak gerçek­leşirse de, normal hücresel koşullarda fotofosforilas­yon elektron akışı gerektirir. Elektron akışı olmaksızın gerçekleşen fotofosforilasyona eşlenmemiş fotofosfo­rilasyon denir.

Günümüzde fotofosforilasyonun kemiozmotik mekanizma ile gerçekleştiği kabul edilmektedir. Bu mekanizma ilk kez 1960 ‘lı yıllarda Peter Mitchell tara­fından ortaya atılmıştır. Aynı genel mekanizma, zarlar­dan pek çok iyon ve metabolitin taşınması, bakterilerde ve mitokondrilerde aerobik solunum sırasında oluşan fosforilasyon da ben­zer mekanizmayla gerçekleşir. Kemiozmoz tüm yaşam formlarında zar işlevlerinin ortak bir özelliğidir.

Plazma zarındaki ATPaz tarafından kullanılan ATP, kloroplastlarda fotofosforilasyon, mitokondrilerde ise oksidatif fosforilasyon sonucunda sentezlenmektedir. Burada, kloroplastta ATP yapımında iş gören kemiozmozis ve zarın iki yanındaki proton konsantrasyonu farkı üzerinde duracağız.

Kemiozmozisin temel ilkesi, zarların iki yanındaki iyon konsantrasyonu ve elektrik potansiyeli farklılık­larının hücreler tarafından bir serbest enerji kaynağı olarak kullanılabilmesidir. Termodinamiğin ikinci yasasında tanımlandığı gibi, eşit olmayan madde ve enerji dağılımı bir enerji kaynağını temsil etmektedir. Bir zarın iki tarafında konsantrasyonları aynı olmayan herhangi bir molekül türünün kimyasal potansiyel farkı bu tür bir enerji kaynağı oluşturur.

Fotosentezde yer alan zarların asimetrik özelliği ve elektron akışına bağlı olarak zarın bir tarafından diğer tarafına proton taşınımı daha önce tartışılmıştı. Elektron taşınımı sırasında protonlar stromayı daha alkali (az H+ iyonu) ve lümeni daha asidik (çok H+ iyonu) hale getirecek yönde pompalanır. Fotosentezde ATP ‘in kemiozmotik mekanizma ile oluştuğu ilk kez, Andre Jagendorf ve arkadaşlarının gerçekleştirdiği seçkin bir deneyle orta­ya konulmuştur. Bu araştırıcılar, tilakoyid zarları önce pH ‘sı 4 olan bir tampon içine koymuşlar­dır. Böylece tamponun zarlardan geçmesi sağlanarak tilakoyidlerin içinin ve dışının asidik pH ile dengelen­mesi sağlanmıştır. Daha sonra tilakoyidleri hızla pH ‘sı 8 olan bir başka tampona aktarmışlar ve böylece tilakoidlerin içi dış ortama göre daha asidik olmak üzere, tilakoyid zarın her iki yanında 4 birimlik bir pH farkı yaratılmıştır.

 

ŞEKİL Jagendorf ve arkadaşları tarafından gerçek­leştirilen deneyin özeti. Önceden pH 8 de tutulan izole kloroplast tilakoyidleri pH 4 olan asidik bir ortamda denge­lenmiştir. Daha sonra tilakoyidler ADP ve Pi içeren bir pH 8 tampona aktarılmışlardır. Bu işlem ile, ışık yokluğunda ATP sentezi için güç sağlayacak bir proton gradiyenti oluş­turulmuştur. Bu deney, zarın iki yanındaki bir kimyasal potansiyelin, ATP sentezi için enerji sağlayabileceğini öngö­ren kemiozmotik kuramı doğrulamıştır.

Araştırıcılar bu işlemle ışık enerjisi ve elektron ta­şımını olmaksızın ADP ve P. ‘tan bol miktarda ATP ‘ın üretilebildiğini bulmuşlardır. Bu sonuçlar, aşağıdaki paragrafta anlatılan kemiozmotik hipotezle ilgili ön­görüleri desteklemiştir. Mitchell, proton hareket etti­rici güç (Ap) olarak adlandırılan ve ATP sentezi için kullanılabilen toplam enerjinin, bir kimyasal proton gradiyenti ve zarın iki yanındaki elektrik gradiyentinin toplamı olduğunu öne sürmüştür. Protonların za­rın dışından içine hareket etmesini sağlayan bu gücün, iki bileşeni aşağıdaki formülde verilmiştir.

Ap = AE – 59(pHi – pHo)

Burada AE zarın iki yanındaki elektirik potansiye­li, pHi – pHo (veya ApH) ise zarın iki yanındaki pH far­kıdır. Orantı sabiti pH birimi başına 59 mV ‘dur. Yani, zarın iki yanında 1 pH birimlik pH farkı 59 mV ‘luk bir zar potansiyeline eşittir.

Kloroplastlarda sabit durum elektron taşınımı ko­şullarında, zar elektrik potansiyeli, zarın iki yanındaki iyon hareketinden dolayı oldukça küçüktür; öyle ki Ap neredeyse tamamen ApH ‘den oluşmaktadır. Sentezlenen ATP başına taşınan protonların sitokiyometrisinin son zamanlarda ATP başına 4 H+ iyonu olduğu yeni bulunmuştur.

Daha önce tartışılmış olan hareketli taşıyıcı gerek­sinimine ek olarak, tilakoyid zarlarda fotosistem II ile I ‘in ve ATP sentazm düzensiz dağılışı ATP ‘nin oluşumu için bazı zorluklar yaratır. ATP sentaz yalnızca strorna lamellerinde ve bazı grana yığın­larının kenarlarında bulunur. Sitokrom b6f kompleksi tarafından zardan pompalanan veya grananın ortasın­da suyun ayrışmasıyla üretilen protonlar, ATP sentaza ulaşabilmek için yatay olarak onlarca nanometre yol almak zorundadır.

ATP, ATP sentaz, ATPaz (ATP hidrolizinin ters reaksiyonu olduğunun anlaşılmasından sonra) ve CF0 – CF1 gibi çeşitli isimlerle anılan büyük bir (400 kDa) enzim kompleksi tarafından sentezlenir (Boyer 1997). Bu enzim, CF0 adı verilen zara bağlı hidrofobik kısım ve CF, adı verilen stromanın içerisine doğru uzanmış bir kısım olmak üzere iki bölümden oluşur.

CF0 zarda bir kanal oluşturur. Protonlar bu ka­nalın içinden geçer. CF1, α ve β peptidlerinden her birinin üçer kopyasını bulunduran birkaç peptidden yapılmıştır. Bunlar bir portakalın dilimleri gibi ardı­şık olarak düzenlenmiştir. Katalitik bölgeleri ağırlıklı olarak (3 peptidleri üzerindedir. Diğer polipeptidlerin esas olarak düzenleyici işlevleri olduğu düşünülmek­tedir. CF1, kompleksin ATP ‘yi sentezleyen kısmıdır.

Mitokondrideki ATP sentazın moleküler yapısı x-ışını kristalografisi ile belirlenmiştir. Her ne kadar kloroplast ve mitokondri enzim­leri arasında önemli farklılıklar bulunsa da bunların genel yapıları aynı olup, olasılıkla katalitik bölgeleri de birbirine benzemektedir. Aslında, kloroplast, mi­tokondri ve mor bakterilerde elektron akışı önemli benzerlikler gösterir. Bunların tümünde elektron akı­şına proton taşınımı eşlik eder. ATP sentaz mekanizmasının bir diğer bir önemli özelliği, enzimin içteki sap kısmı ve olasılıkla CFo kısmının büyük bir bölümünün kataliz sırasında dönmesidir. Enzim esasen ufacık bir moleküler motor­dur.

FOTOSENTETİK MAKİNANIN ONARILMASI VE DÜZENLENMESİ

Fotosentez yapan sistemler özel bir tehlike ile yüz yü­zedir. Bu sistemler yüksek miktarda ışık enerjisini soğurmak ve onu kimyasal enerjiye dönüştürmek üzere düzenlenmiştir. Bir fotonun enerjisi özellikle uygun olmayan koşullarda moleküler düzeyde zarara neden olabilir. Çok fazla ışık enerjisi süperoksit, tekli oksijen ve peroksit gibi zararlı oksijen türlerinin oluşumuna yol açabilir. Bu aşırı ışık enerjisi güvenli bir biçimde dağıtılmazsa zarar oluşur. Bu nedenle fotosentez yapan organizmalar gelişmiş düzenleyici ve onarıcı mekanizmalara sahiptirler. Bu mekanizmalardan ba­zıları, reaksiyon merkezlerinin aşırı uyarılmasını en­gellemek ve iki fotosistemin eşit düzeyde çalışmasını sağlamak için anten sisteminde enerji akışım düzenler. Her ne kadar bu sistemler çok etkili olsalar da tümüyle başarılı olamaz ve bazen toksik bileşikler üretilir. Bu bileşiklerin, özellikle de toksik oksijen türlerinin yok edilmesi için ek mekanizmalar gereklidir.

Bu koruyucu ve temizleyici mekanizmalara rağ­men yine de zarar oluşabilir. Bu nedenle sistemi onara­cak bazı mekanizmalara gereksinim duyulur.

Karotenoidler Işığın Zararlı Etkilerine Karşı Koruma Görevi Yaparlar

Aksesuar pigmentler olarak görev yapan karotenoid­ler ışık zararlarından korunmada da önemli bir role sahiptirler. Fotokimyasal olarak depolanabilecek olan­dan daha fazla ışık pigmentler tarafından soğurulunca fotosentezde yer alan zarlar kolayca zarar görebilir. Bu nedenle koruyucu bir mekanizmaya gereksinim var­dır. Koruyucu mekanizma, fazla enerjiyi organizma­ya zarar vermeden önce ortamdan uzaklaştıracak bir emniyet valfi olarak düşünülebilir. Uyarılmış haldeki klorofillerde depolanan enerji uyarılma enerjisinin aktarımı veya fotokimya sonucu hızla dağıtılır, buna uyarılmış durumun yatıştırılması denir.

Klorofilin uyarılmış hali uyarılma enerjisinin ak­tarımı ya da fotokimyaya bağlı olarak, hızla yatıştırılmazsa uyarılmış bir oksijen türü oluşturmak üzere moleküler oksijen ile reaksiyona girebilir. Bu oksijen türü tekli oksijen (1O2′) olarak bilinir. Aşırı reaktif olan tekli oksijen, özellikle lipidlerle olmak üzere hüc­redeki pek çok molekül ile reaksiyona girerek onlara zarar verir. Karotenoidler koruyucu etkilerini kloro­filin uyarılmış durumunu hızla yatıştırarak sağlarlar. Karotenoidlerin uyarılmış hallerinin enerjisi tekli ok­sijen oluşturmaya yetmez. Dolayısıyla sahip olduğu enerjiyi ısı olarak kaybederken temel durumlarına geri dönerler.

Karotenoid üretemeyen mutant organizmalar hem ışık, hem de moleküler oksijen varlığında yaşayamaz­lar. Fotosentezde oksijen üreten organizmalar için bu oldukça zor bir durumdur. O2 oluşturmayan fotosen­tetik bakteriler arasında karotenoid üretemeyen mutantlar, büyüme ortamından oksijenin uzaklaştırılması halinde laboratuvar koşullarında yaşayabilirler.

Son yıllarda karotenoidlerin ikinci bir koruyucu ve düzenleyici mekanizma sayılan fotokimyasal olma­yan yatıştırmada da görev yaptığı bulunmuştur.

Bazı Ksantofiller de Enerjinin Dağıtılmasına Katılır

Fotokimyasal olmayan yatıştırma uyarılma enerjisinin reaksiyon merkezine geçişini düzenleyen başlıca me­kanizmadır. Bu işlem, ışık şiddetine ve diğer koşullara bağlı olarak uyarılma enerjisinin yönetilebilir bir dü­zeyde PS II reaksiyon merkezine akışını düzenleyen bir “ayar düğmesi” gibi düşünülebilir. Bu işlem pek çok bitki ve algde anten sistemlerinin düzenlenmesin­de başlıca unsurdur.

Fotokimyasal olmayan yatıştırma, fotokimyasal özellik göstermeyen diğer işlemler kullanılarak klo­rofil florosensinin yatıştırılmasıdır. Bu işlem sonucunda şiddetli ışıklandırmanın, anten siste­minde neden olduğu uyarılmaların büyük bir bölümü ısıya dönüştürülerek yatıştırılır. Fotokimyasal olmayan yatıştırmanın, aşırı uyarılma ve buna bağlı zarara karşı fotosentez mekanizmasının korunmasında yer aldığı düşünülmektedir.

Her ne kadar, tilakoyid lümenin pH sı ve anten komplekslerinin kümeleşmesi önemli faktörler olarak ortaya çıkmış olsa da, fotokimyasal olmayan yatıştır­manın moleküler mekanizması tam olarak bilinme­mektedir. Fotokimyasal olmayan yatıştırmada ksantofiller olarak adlandırılan üç karotenoid gereklidir. Bu ksantofiller viyolaksantin, anteraksantin ve zeaksantindir.

Yüksek ışıkta viyolaksantin zeaksantine dönüştürülür. Bu sırada ara ürün olarak an­teraksantin oluşur. işlem, viyolaksantin deepoksidaz enzimi tarafından katalizlenir. Işık şiddeti azaldığında işlem tersine döner. Pro­tonların ve zeaksantinin ışık toplayan anten proteinlerine bağlanmasının, yapısal değişi­me neden olduğu bunun da ısının yayılması­nı ve yatıştırmayı sağladığı düşünülmektedir. Fotokimyasal olmayan yatıştırmanın, fotosistem II ‘nin dış kısmındaki bir anten komp­leksi yani PsbS proteini ile bağlantılı olduğu görün­mektedir.

Fotosistem II Reaksiyon Merkezi Kolayca Zarar Görebilir

Fotosentetik yapıların kararlığında etkili olan bir başka önemli faktör, PS II reaksiyon merkezinin aşırı uyarıl­ması sonucunda etkisizleşmesi ve zarar görmesi, yani fotoinhibisyondur. Fazla ışık ile fotosentezin engellenmesi olarak tanımlanan fotoinhibisyon, karmaşık bir moleküler işlemdir. Fotoinhibisyon, erken evrede geri dönüşebilir bir olaydır. Ancak inhibisyon uzun sürerse sistem zarar görür. Bu nedenle PS II re­aksiyon merkezi parçalarına ayrılmalı ve onanlmalıdır. Bu zararın asıl hedefi PS II reaksiyon merkezinin birleştirici parçası olan D1 proteinidir. D1 proteini fazla ışık nedeniyle zarar gördüğünde zardan çıkarılmalı ve yerine yeni sentezlenmiş bir molekül yer­leştirilmelidir. PS II reaksiyon merkezinin diğer eleman­ları aşırı uyarılmaya bağlı olarak zarar gördüğü ancak bunların yenilenebildikleri düşünülmektedir. Yeniden sentezlenmesi gereken tek molekül D1 proteinidir.

Fotosistem I Aktif Oksijen Türlerinden Korunmuştur

Fotosistem I, aktif oksijen türlerinin zararlarına özellikle açıktır. PS I ‘deki alıcı ferredoksin çok güçlü bir indirge­yici olup moleküler oksijeni kolaylıkla süperoksit (02-) formunda indirgeyebilir. Bu indirgenme, elektronların normal olarak NADP” ve diğer molekülleri indirgeme­si ile rekabet eder. Süperoksit, biyolojik zarlar için çok zararlı olan bir dizi aktif oksijen türlerinden biridir. Za­rarlı bir yan ürün olan süperoksit, süperoksit dismutaz ve askorbat peroksidaz gibi bir dizi enzimin aktivitesi ile ortadan kaldırılabilir.

Tilakoyid Yığınları Fotosistemler Arasında Enerjinin Paylaştırılmasını Sağlar

Yüksek bitkilerde fotosentezin farklı ışık soğuran iki fotosistemle gerçekleşiyor olması özel bir sorun yarat­maktadır. Eğer PS I ve PS II ‘ye enerji dengeli gönderilemez ve fotosentez hızı ışık yetersizliği nedeniyle sınırlanırsa elektron akış hızı daha az enerjiyi alan fo­tosistem tarafından sınırlanacaktır. Her iki fotosisteme giren enerji miktarı aynı olduğunda fotosentez en etkin durumdadır. Ancak tek başına, pigmentlerin düzenlen­mesi bu gereksinimi sağlayamaz; çünkü günün farklı saatlerinde, ışık şiddeti ve spektral dağılımı fotosistemlerden herhangi birine daha fazla avantaj sağlayabilir.

Farklı koşullara yanıt olarak, enerjiyi bir fotosistemden diğerine değiştiren bir mekanizma ile bu so­run çözülebilir. Farklı deneysel koşullar altında böyle bir düzenleyici mekanizmanın çalıştığı gösterilmiştir.

Fotosentezde kuantum veriminin dalga boyundan ne­redeyse tamamen bağımsız olması böyle bir mekaniz­manın varlığını kuvvetle desteklemektedir.

Tilakoyid zarlarda bulunan bir protein kinaz, LHC II’nin yüzeyindeki özel bir treonin kalıntısını fosfori- le edebilir. LHC II, bu bölümde daha önce değinilen (Bkz. Şekil 7.20) zara tutunmuş anten pigment prote­inlerinden biridir. LHC II fosforile edilmeyince foto­sistem II ‘ye, fosforile edilince ise fotosistem I ‘e daha fazla enerji vermektedir.

PS II ile PS I arasındaki elektron taşıyıcılardan biri olan plastokinonun indirgenmiş formu birikirse kinaz aktifleşir. PS II, PS I ‘den daha sık aktifleştiğinde indir­genmiş plastokinon birikir. Daha sonra, fosforile olan LHC II, zarın yığın oluşturan bölgelerinden çıkarak yığın oluşturmamış bölgelerine göç eder. Bu göçün nedeni olasılıkla komşu zarlardaki ne­gatif yük ile itici etkileşimlerdir.

LHC II ‘nin yanlamasına göçü, enerji dengesini granamn yığın oluşturmuş zarlarında yerleşmiş olan fotosistem II ‘den, stroma lamellerinde yerleşmiş olan fotosistem I yönüne değiştirir. Bu durum 2. hal olarak adlandırılır. Fotosistem I ‘in aşırı uyarılmasından do­layı plastokinon çok fazla yükseltgenirse kinaz aktivi- tesini kaybeder ve zara bağlı bir fosfataz etkinleşerek LHC II ‘nin fosforilasyon seviyesini azaltır. Daha son­ra LHC II granaya geri gelir ve sistem 1. hale döner. Böylece fotosistemler arasındaki enerji dağılımı tam olarak kontrol edilebilir. Bu durum yararlanılabilir enerjinin daha etkin kullanımını sağlar.

FOTOSENTETİK SİSTEMLERİN KALITIMI, BÜTÜNLEŞMESİ VE EVRİMİ

Kloroplastlar kendilerine ait DNA, mRNA ve protein sentez makineleri vardır, ancak bazı kloroplast prote­inleri nukleusta bulunan genler tarafından kodlanır ve kloroplastlara taşınırlar. Bu bölümde temel kloroplast birimlerinin kalıtımı, bütünleşmesi ve evrimi üzerinde duracağız.

Kloroplast, Siyanobakteri ve Nukleus Genomlarının Dizileri Belirlenmiştir

Bir kaç organizmanın kloroplast genomunun dizisi tam olarak belirlenmiştir. Kloroplast DNA ‘sı halka bi­çiminde olup boyutu 120-160 kilobaz arasında değişir. Kloroplast genomu yaklaşık olarak 120 proteini kodla­yabilecek bir baz dizisine sahiptir. Bu DNA dizilerinin bazıları henüz özellikleri belirlenememiş olan protein­leri kodlar. Tüm genlerin transkripsiyonla mRNA ‘ya veya translasyonla proteine dönüşüp dönüşmediği de kesin olarak bilinmemektedir; ancak olasılıkla bazı kloroplast proteinleri henüz tanımlanmamıştır.

Siyanobakterilerden Synechocystis (PCC 6883 çeşi­di) ve yüksek bitkilerden Arabidopsis ‘in genomu tam olarak çözümlenmiştir. Ayrıca, pirinç ve mısır gibi önemli kültür bitkilerinin gen dizisi tam olarak be­lirlenmiştir (Kotani ve Tabata 1998). Hem kloroplast hem de nukleus DNA ‘sına ilişkin veriler fotosentez ve benzeri bir çok reaksiyonun mekanizmalarının aydın­latılması için yeni bilgiler sağlayacaktır.

Kloroplast Genlerinin Kalıtımı Mendel Genetiğine Uymaz

Kloroplastlar ve mitokondriler yeni sentezden (de novo sentez) ziyade bölünme ile çoğalırlar. Bu üreme biçimi şaşırtıcı değildir, çünkü bu organeller nukleusta bulun­mayan genetik bilgiyi içerirler. Hücre bölünmesi sırasın­da kloroplastlar iki kardeş hücre arasında paylaştırılır. Bununla birlikte, eşeyli bitkilerin çoğunda yalnızca an­neden gelen hücreler zigota kloroplast verir. Bu bitkiler­de normal Mendel kalıtımı kloroplastta kodlanan gen­lere uygulanamaz, çünkü yeni nesilde iki atadan yalnız birine ait kloroplast genleri bulunmaktadır. Sonuçta Mendel genetiğine uymayan veya maternal (anne kö­kenli) kalıtım ortaya çıkar. Bu yol ile yeni nesillere geçen pek çok özellik vardır, herbisitlere direnç özelliği de bunlardan biridir.

Kloroplast Proteinlerinin Çoğu Sitoplazmadan Alınır

Kloroplast proteinleri kloroplastlarda ya da nukleusta bulunan genler tarafından kodlanabilir. Kloroplastlar­da kodlanan proteinler kloroplast ribozomlarında, nuk­leusta kodlanan proteinler ise sitoplazmik ribozomlar- da sentezlenir ve sonradan kloroplastın içine taşınır. Nukleus genlerinin çoğu intronlar (protein kodlamada kullanılmayan baz dizileri) içerir. mRNA ‘ten intronlar çıkarıldıktan sonra protein sitoplazmada sentezlenir.

Kloroplastın işlevi için gerekli olan genler, nuk­leus ve kloroplast genomunda özel olmayan bir dağı­lım göstermekle birlikte, her iki grupta kloroplastların canlılığı için gereklidir. Bazı kloroplast genleri lipid sentezi gibi hücrenin diğer işlevleri için de gereklidir. Kloroplast proteinlerini kodlayan nukleus genlerinin ifade olmasının denetlenmesi oldukça karmaşıktır. Bu denetim, hem fitokrom hem de mavi ışık aracılığıyla ışığa bağımlı düzen­lemeyi ve diğer bazı faktörleri gerektirir.

Sitoplazmada sentezlenen kloroplast proteinle­rinin taşınması oldukça iyi düzenlenmiş bir işlemdir. Örneğin karbon fiksasyonunda görev yapan rubisko enzimi iki tip alt birime sahiptir. Bunlardan büyük alt birim klorop­lastta küçük alt birim ise nuklusta kodlanır. Rubiskonun küçük alt birimleri sitoplazmada sentezlendikten sonra kloroplastlara taşınarak orada birleştirilir.

Bu ve bilinen diğer durumlarda, nukleusta kod­lanan kloroplast proteinleri öncül proteinler olarak sentezlenir. Bunlar transit peptid olarak bilinen bir N- terminal amino asit dizisi içerirler. Bu terminal dizi, öncül proteini kloroplasta yönlendirerek onun iç ve dış kloroplast zarlarından geçmesini kolaylaştırır ve sonra kesilerek atılır. Elektron taşıyıcı plastosiyanin suda çözünen bir proteindir. Nukleusta kodlanmakla birlikte, kloroplast lümeninde iş görür. Bu nedenle lü- mendeki yerine ulaşabilmesi için üç zarı geçmesi ge­rekir. Plastosiyaninin transit peptidi çok büyük olup birden fazla adımda işlenir.

Klorofil Karmaşık Reaksiyon Yolları İle Sentezlenir ve Parçalanır

Klorofiller, fotosentezi gerçekleştirmek üzere ışık so­ğurma, enerji aktarımı ve elektron aktarımı işlevlerine çok uygun düzenlenmiş karmaşık moleküllerdir. Diğer tüm biyomoleküller gibi klorofiller de bir biyosentetik yolla yapılır. Bu yolda basit molekül­ler daha karmaşık molekülleri oluşturmak için yapıtaşı olarak kullanılır. Biyosentetik reaksiyon yolundaki her basamak enzimler tarafından katalizlenir.

Klorofilin biyosentetik reaksiyon yolu bir düzine­den fazla basamaktan oluşmaktadır. İşlem birkaç evreye ayrılabilir. Her biri ayrı olan bu evreler başarılı bir eşgüdüm ile düzenlenmiştir. Bu düzenleme gereklidir, çünkü ser­best klorofil ve klorofil sentezinde yer alan ara ürün­lerin çoğu hücre elemanları için zararlıdır. Klorofiller etkin biçimde ışık soğururlar. Dolayısıyla, yardımcı proteinlerin yokluğunda, enerjinin dağıtılmasını sağ­layacak bir yol bulunmadığından toksik tekli oksijen oluşmakta, bu da zarara neden olmaktadır.

Senesense uğramış yapraklarda klorofilin parça­lanmasını sağlayan yol biyosentez yolundan tamamen farklıdır. İlk basamak, klorofilaz olarak bilinen bir enzim tarafından fitol kuyruğun ko­parılmasıdır, bunu magnezyum dekelataz enziminin magnezyum atomunu koparması izler. Sonraki aşa­mada porfirin yapısı açık zincirli bir tetrapirol oluş­turmak üzere oksijenle çalışan bir oksijenaz enzimi tarafından açılır.

Tetrapirol daha sonra suda çözünen renksiz ürün­lere dönüştürülür. Bu renksiz metabolitler senesense uğramış kloroplastlardan dışarı çıkarılarak vakuole aktarılır ve sürekli olarak orada depolanır. Her ne kadar kloroplastlarda klorofillerle birlikte bulunan proteinler sonradan kloroplastlarda yeni proteinlere dönüştürülürse de metabolitleri daha fazla işlenemez veya geri dönüştürülmez. Proteinlerin geri dönüşü­münün bitkinin azot ekonomisi için önemli olduğu düşünülmektedir.

Karmaşık Fotosentetik Organizmalar Daha Basit Formlardan Gelişmiştir

Bitkilerde ve alglerde bulunan karmaşık fotosentetik aygıtlar uzun bir evrimsel dizinin son ürünleridir. Oksijenik olmayan fotosentetik bakteriler ve siyanobakteriler dahil, daha basit yapılı prokaryotik fotosentetik organizmaların analiz edilmesi ile bu evrimsel süreç­ler hakkında çok şey öğrenilebilir.

Kloroplast yarı otonom bir hücre organelidir. Ken­dine özgü DNA ‘sı ve tam bir protein sentezleme aygıtı vardır. Klorofiller ve lipidlerin yanı sıra, fotosentetik aygıtları oluşturan proteinlerin çoğu kloroplastta sen- tezlenmektedir. Bazı proteinler ise nukleus genleri tara­fından kodlanır ve sitoplazmadan kloroplastlara alınır. Bu dikkat çekici iş bölümü nasıl olmuştur? Uzmanların çoğu, kloroplastların bir siyanobakteri ile fotosentetik olmayan basit yapılı bir ökaryotik hücre arasındaki simbiyotik ilişkiden kökenlendiği konusunda görüş birliği içindedirler. Bu tarz bir işbirliği endosimbiyoz olarak isimlendirilir.

Başlangıçta siyanobakteriler yaşamlarını bağım­sız olarak sürdürebiliyorlardı, ancak zamanla normal hücresel işlevleri için gerekli olan genetik bilginin ço­ğunu kaybettiler ve fotosentetik aygıtların sentezi için gerekli olan önemli miktarda bilgi nukleusa aktarıldı. Böylece kloroplastlar yaşamlarını konukçularının dı­şında sürdüremez hale geldiler ve sonuçta hücrenin bir parçası oldular.

Bazı alglerde kloroplastların, ökaryotik fotosen­tetik organizmaların endosimbiyozu ile oluştukları düşünülmektedir. Bu or­ganizmalarda kloroplast üç, bazı durumlarda ise dört zarla kuşatılmıştır. Bu zarların önceki organizmaların plazma zarlarının kalıntıları olduğu düşünülmekte­dir. Mitokondrilerin de endosimbiyoz ile, ancak kloroplastların oluşumundan çok daha önce ve farklı bir işlemle oluştukları düşünülmektedir.

Fotosentezin evrimine ilişkin pek çok soru henüz tamamen yanıtlanamamıştır. Bu sorular, ilk oluşan fo­tosentetik sistemlerin yapısı, iki fotosistemin birbirine nasıl bağlandığı ve oksijen oluşturan kompleksin ev­rimsel kökenini kapsamaktadır.

ÖZET

Fotosentez, bitkiler ve fotosentez yapan bakteriler ta­rafından güneş enerjisinin depolanmasıdır. Soğurulan fotonlar klorofil moleküllerini uyarır ve uyarılan klo­rofiller bu enerjiyi fotokimya, floresans veya ısı olarak dağıtırlar. Işık başlıca anten komplekslerinde soğu­rulur. Klorofiller, aksesuar (yardımcı) pigmentler ve proteinlerden oluşan anten kompleksleri kloroplastın tilakoyid zarlarında yerleşmiştir.

Fotosentezin anten pigmentleri enerjiyi özelleşmiş bir klorofil-protein kompleksine aktarırlar. Bu komp­leks reaksiyon merkezi olarak isimlendirilir. Reaksi­yon merkezi çok sayıda alt birimden oluşmuş protein komplekslerini ve yüzlerce, hatta bazı organizmalarda binlerce klorofili içerir. Anten kompleksleri ve reaksi­yon merkezleri tilakoyid zarın içinde yerleşmiş ele­manlardır. Reaksiyon merkezi karmaşık bir kimyasal reaksiyonlar dizisi başlatır. Bu reaksiyonlar enerjiyi kimyasal bağ formunda tutarlar.

Soğurulan kuantum miktarı ile ışığa bağımlı bir reaksiyonla üretilen fotokimyasal bir ürünün verimi arasındaki ilişki kuantum verimi olarak ifade edilir. Fotosentezin ilk basamaklarında kuantum verimi yak­laşık olarak 0.95′tir. Bu değer, soğurulan her bir foto­nun reaksiyon merkezinde yaklaşık olarak bir yükün ayrımına neden olduğunu göstermektedir.

Bitkiler ve fotosentez yapan bazı prokaryotlar, fotosistem I ve fotosistem II olarak bilinen ve seri olarak çalışan iki reaksiyon merkezine sahiptirler. İki foto­sistem tilakoyid zar üzerinde farklı yerlerde bulunur. PS I yığın oluşturmayan stroma zarlarında, PS II ise yığın oluşturan grana zarlarında yaygın olarak yer­leşmiştir. PS I ‘in reaksiyon merkezindeki klorofiller 700 nm ‘de, PS II ‘ninkiler ise 680 nm’de maksimum ışık soğurur. Fotosistem II ve I devirli olmayan elek­tron taşımmını gerçekleştirirler. Bunun sonucunda su moleküler oksijene yükseltgenir ve NADP+ NADPH ‘e indirgenirler. Moleküler oksijen oluşturmak üze­re suyun yükseltgenmesi enerjitik olarak çok zordur. Fotosentezde oksijen oluşturan sistem suyu yükseltgeyebilen tek biyokimyasal sistemdir. Dolayısıyla dünya atmosferindeki oksijenin neredeyse tamamı fotosentezden sağlanmaktadır. Suyun ışık tarafından yükseltgenmesi beş basamaklı S durumu mekanizma­sı ile açıklanmaktadır. Mangan, suyun yükseltgenmesi işlemlerinde gerekli bir kofaktördür ve beş S durumu, mangan içeren bir enzimin ardışık yükseltgenme evre­lerini göstermektedir.

PS II reaksiyon merkezindeki D1 proteininin bir tirozin kalıntısı oksijen oluşturan kompleks ile P680 ara­sında bir elektron taşıyıcısı olarak iş görür. Feofitin ve iki plastokinon, P680 ile büyük sitokrom b6f kompleksi arasındaki elektron taşıyıcılardır. Plastosiyanin ise si­tokrom b6f ve P700 arasında elektron taşır. P700 ‘den elektronları alan elektron taşıyıcılar çok güçlü indirge­yici ajanlardır. Bunlar, bir kinon ve bağlı ferredoksin olarak bilinen zara bağlı üç adet demir-kükürt pro­teini içerirler. Elektron akışı, zara bağlı bir ferredok- sin-NADP redüktaz tarafından NADP+‘ın NADPH’e indirgenmesi ile sonuçlanır.

Fotonların enerjisinin bir bölümü de başlangıçta kimyasal-potansiyel enerji olarak depolanır. Bu ener­jinin büyük çoğunluğu tilakoyid zarın iki yanında bir pH farkı formundadır. Bu enerji, ATP oluşumu sıra­sında hızla kimyasal enerjiye dönüştürülür, işlem, ATP sentaz olarak bilinen bir enzim kompleksinin aktivitesi ile gerçekleşir. ATP sentaz tarafından ADP’nin fosforilasyonu bir kemiozmotik mekanizma tarafın­dan gerçekleştirir. Fotosentezde elektron akışı sırasın­da tilakoyid zarlardan proton aktarılır. Sonuçta, stro­ma daha bazikleşir, lümen ise daha fazla asidikleşir. Oluşan bu proton gradiyenti ATP ‘in sentezlenmesini sağlar. Buradaki sitokiyometriye göre, her bir ATP ‘in sentezlenmesi için dört H+ iyonu gerekir. Işık reaksi­yonlarında oluşan NADPH ve ATP, karbon indirgen­mesi için gerekli enerjiyi sağlar.

Aşırı ışık enerjisi fotosentez yapan sistemlere zarar verebilir. Birkaç mekanizma bu zararı en aza indirir. Karotenoidler klorofilin uyarılmış halini hızla yatıştı­rarak ışıktan koruyucu ajanlar olarak iş görürler. Her bir fotosistem tarafından soğurulan enerji arasında bir dengesizlik olduğunda, anten pigment proteinlerinin fosforillenmesi değişerek fotosistem I ve II arasındaki enerji dağılımını değiştirebilir. Ksantofil döngüsü de fazla enerjinin dağıtılmasına katkıda bulunur. Bu, fotokimyasal olmayan bir yatıştırmadır.

Kloroplastlar DNA içerir ve fotosentez için gerekli olan bazı proteinleri kodlayarak sentezleyebilirler. Bazı proteinler de nukleus DNA ‘sı tarafından kodlanır, sitoplazmada sentezlenir ve kloroplastlara taşınırlar. Klorofiller bir düzineden fazla basamaktan oluşan bir reaksiyon yolu ile sentezlenirler. Bu reaksiyon basa­maklarının her biri özenle düzenlenmiştir. Sentezlenen proteinler ve pigmentler tilakoyid zarlarda birleştirilir.