Karbon fiksasyonu

04.11.2014
FOTOSENTEZ
KALVİN DÖNGÜSÜ MBG 101
GENEL BİYOLOJİ I
Doç. Dr. Yelda ÖZDEN ÇİFTÇİ
Karbon fiksasyonu
• Karbonhidratlar birçok C‐H bağları içermektedir ve CO2’
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
04.11.2014
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 (1911‐1997) 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 CO2 redüksiyonuna olanak tanıyan olay
CO2’ 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.
• CO2 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 (CO2) 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
04.11.2014
Kalvin döngüsü
• Reaksiyonlar serisinde 12 molekül PGA üretimi için
(toplamda 12 x 3= 36 karbon atomu; 6 tanesi CO2’ den ve
30 tanesi RuBP’ den) 6 molekül CO2, 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 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + su 2 G3P + 16 Pi + 18 ADP + 12 NADP
Döngünün 6 kez tekrarlanması ile , 6 molekül CO2 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 CO2’
de katılarak her ne kadar 6 karbon atomunun tamamı glikoz ile
sonuçlanmasa da glikozun sentezi için yeterli karbonu
sağlamaktadır.
3
04.11.2014
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 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + su 2 G3P + 18 ADP + 16 Pİ + 12 NADP+
4
04.11.2014
Kalvin döngüsü
• Döngünün 3 kez tekrar etmesi ile yeni molekül G3P’ nin
üretimi için yeterli karbon oluşurken, 6 kez tekrar 1
glikoz molekülünü sentezlemek için yeterli karbonu
sağlamaktadır.
• CO2’ 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 ışık varlığında 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
oluşan disakkarittir) oluşmasında kullanılır.
• Yoğun fotosentez zamanında G3P seviyesi kloroplastın
stromasında artar. Bunun sonucu olarak, kloroplasttaki bazı
G3P’ ler glikoz 1‐fosfata dönüştürülür. Glikoz 1‐fosfat daha
sonra sitoplazmada nişasta taneleri olarak depolanan uzun
zincirli nişastayı oluşturmak için birleşir.
5
04.11.2014
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
04.11.2014
7
04.11.2014
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 O2 RuBP’ a katılarak, CO2
salınmasını sağlayan ek reaksiyonlara girer. Böylece
fotosolunum karbon fiksasyonunu bozacak şekilde CO2
açığa çıkartmaktadır.
Fotosolunum fotosentez verimini azaltmaktadır.
• RuBP’ nin karboksilasyonu ve oksidasyonu rubisconun aynı
aktif bölgesinde katalizlenmekte, CO2 ve O2 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 CO2 alınımını da kesmekte ve O2’ nin
çıkmasını da engellemektedir. Sonuç olarak, yaprak içindeki
düşük CO2 ve yüksek O2 koşulları fotosolunumu
desteklemektedir.
8
04.11.2014
C3 bitkileri
• Sadece C3 fotosentezini (Kalvin Döngüsünü)
kullanarak karbon fikse eden bitkilere C3 bitkileri
denilmektedir.
• Diğer bitkiler 4 karbonlu molekül oluşturmak için
fosfoenolpiruvata (PEP) CO2 eklemektedirler. Bu
reaksiyon PEP karboksilaz denilen enzim ile kataliz
edilmektedir. Bu enzimin rubiscoya göre 2 üstünlüğü
bulunmaktadır:
1) rubiscoya göre CO2’ e daha fazla affinitesi vardır,
2) enzimin oksidaz aktivitesi yoktur.
9
04.11.2014
PEP karboksilaz
• PEP karboksilaz tarafından üretilen 4 karbonlu bileşik
sonuçta sadece dekarboksile edilmek için daha çok
modifikasyon geçirir. Bu dekarboksilasyon tarafından
salınan CO2 daha sonra Kalvin döngüsünde rubisco
tarafından kullanılır. Bu CO2’ in doğrudan rubisco
bölgesine pompalanmasını sağlamakta bu da CO2
derişimini O2’ ne göre arttırarak fotosolunumu
azaltmaktadır.
• PEP karboksilaz tarafından üretilen 4‐karbonlu bileşik
CO2’ in organik biçimde (daha sonra farklı hücrelerde
salınmasını veya CO2 seviyesini O2’ ne göre daha yüksek
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
04.11.2014
C4 ve CAM bitkileri
• PEP karboksilaz kullanarak CO2’i yakalayan bitkiler, O2’ e
göre daha fazla CO2 seviyelerini korumalarına göre 2 gruba
ayrılmaktadır. C4 bitkilerinde CO2’ 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 CO2’ 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
04.11.2014
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 CO2
oluşturmak için dekarboksile edilir. Demet kını hücreleri
CO2’e geçirgen olmadıklarından bu hücrelerde yerel CO2
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 CO2
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 fazlasının kaybedildiği C3
yoluna göre avantajlıdır.
12
04.11.2014
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, CO2’ i fikse
etmektedir. CAM bitkisine bağlı olarak, oksaloasetat sıklıkla diğer organik
asitlere dönüştürülür. Bu organik moleküller gece boyunca yığılır ve
vakuolde depolanır. Daha sonra gündüz stoma kapandığında organik asitler
yüksek seviyelerde CO2 verimi için dekarboksile edilir. CO2’ in bu yüksek
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.
Buna karşın, C4 bitkilerinde her iki yol farklı hücrelerde yapılmaktadır.
13
04.11.2014
CAM bitkileri
14