04.11.2014 1 FOTOSENTEZ MBG‐ 101 GENEL BİYOLOJİ I Fotosentez
advertisement
04.11.2014 FOTOSENTEZ MBG‐ 101 GENEL BİYOLOJİ I Doç. Dr. Yelda ÖZDEN ÇİFTÇİ Fotosentez Anoksijenik (Oksijen üretilmez) Mor bakteriler Yeşil kükürt bakterileri Yeşil kükürt olmayan bakteriler Heliobakteriler Oksijenik (Oksijen üretilir) Siyonobakteriler 7 grup alg Tüm karasal bitkiler 1 04.11.2014 Bitkilerde Fotosentez Fotosentez Işığa bağımlı reaksiyonlar Karbon fiksasyon reaksiyonları (hem karanlıkta hem de aydınlıktan yapıldığından ışığa bağımlı olmayan reaksiyonlar) Fotosentezin aşamaları: 1.Güneş ışığından enerjinin alınması, 2.Enerjiyi kullanarak ATP yapımı ve elektron taşıyıcısı olan NADP+’ nin NADPH’a indirgenmesi, 3.ATP ve NADPH kullanılarak CO2’ den organik maddelerin sentezi. 2 04.11.2014 Fotosenteze genel bakış Fotosentez 6 CO2 + 12 H20 + IŞIK C6H12O6 + 6H2O + 6 O2 H2O’ NUN OKSİTLENMESİ İLE ELDE EDİLEN ELEKTRONLAR KULLANILARAK, CO2 GLİKOZA REDÜKLENİR. SOLUNUMDA İSE O2 ELEKTRON AKSEPTÖRÜ OLARAK KULLANILARAK, GLİKOZ CO2’E OKSİTLENİR. 3 04.11.2014 Kloroplastın içsel membranı olan tilakoid membran birbiri üzerine yığılmış granalar ile birlikte devamlı bir fosfolipit ikili tabaka oluşturur. Tilakoid membran ışık enerjisini yakalayan klorofil ve diğer pigmentleri içermektedir. Tilakoid membranda bulunan fotosentetik pigmentler foto‐ sistemleri oluşturmaktadır. Fotosistemdeki her bir pigment molekülü enerji paketleri olan fotonları yakalama yeteneğin‐ dedir. Uygun dalgaboyundaki ışık fotosistemde bulunan pigment molekülüne geldiğinde ortaya çıkan ekstitasyon bir molekülünden diğerine geçmektedir. Tilakoid sistemini yarı sıvı yapıdaki stroma çevre‐ lemektedir. Stroma NADPH’ in indirgenmesi ile birlikte ATP enerjisini kullanarak, CO2’ den organik moleküllerin oluşumu için gerekli olan enzimleri içermektedir. Eksite olmuş elektron, fiziksel olarak aktarılmamakta daha çok enerji bir molekülden diğer moleküle geçer. Bu geçiş bir dizi sıralanmış domino taşı boyunca aktarılan kinetik enerji aktarımına benzer olarak gerçekleşmektedir. Sonunda, enerji elektronu kabul edebilen membrana bağlı bir protein ile temas halinde olan anahtar klorofil molekülüne ulaşır. ATP ve NADPH yapımı için harcanacak enerjinin diğer membran proteinlerine geçmesini sağlayan bu proteine enerji, eksite edilmiş elektron şeklinde aktarılır. Bu bileşenler daha sonra organik moleküllerin yapımında kullanılmaktadır. Böylelikle fotosistem geniş bir anten gibi görev yaparak ışık enerjisininin çok sayıda pigment molekülü tarafından kullanılmasını sağlar. 4 04.11.2014 Fotosentezin Keşfi • 300 yıl öncesine dayanmaktadır. • Bitkilerin nasıl büyüdüğünü anlamaya yönelik duyulan merak ile başlamıştır. • Yunanlıların zamanından beri bitkilerin topraktan besinlerini kökleri ile çekerek aldıkları düşünülüyordu. • Bu fikrin test edilmesi için Belçikalı doktor Jan Baptista van Helmont (1580‐1644) basit bir yol buldu. Van Helmont’ un Deneyi • Küçük bir söğüt ağacını ve toprağı tarttıktan sonra ağacı bir saksıya dikmiştir. Bitki saksıda bir kaç yıl büyürken Van Helmont bitkiyi sadece sulamıştır. 5 yılın sonunda ağaç büyümüş ve ağırlığı 74.6 kg arttmıştı. Bununla birlikte, saksıdaki toprak 5 yıl öncesine göre sadece 57 gr azalmıştı. • Bu deney ile van Helmont bitkide bulunan maddelerin sadece topraktan üretilmediğini göstermiş oldu. Ancak, bitkinin kütlesinde ki artışı eklediği suya bağlayarak hata yapmıştı. 5 04.11.2014 Priestly’ nin Deneyi • Hikaye tamamen aydınlanana kadar 100 yıl geçmesi gerekti ve anahtar ipucu İngiliz biliminsanı Joseph Priestly (1733‐1804)’ den geldi. 17 Ağustos 1771’ de kapalı bir fanus içine bir nane filizi koydu ve kısa bir süre sonra mumun söndüğünü gördü. Kapalı sistemi bozmayarak aynı ayın 27’ sinde mumun tekrar yanabildiğini gördü. Bir şekilde bitki havayı depolar gibi görünüyordu. Bu denemeden çıkan ana fikir yaşayan bitkilerin havaya bir şey eklediğidir. Bu tarihlerde henüz oksijenin keşfedilmediği unutulmamalıdır. Oksijen bu araştırıcı tarafından 1774 tarihinde keşfedilmiştir. Jan Ingenhousz (1730‐1799) • Ingenhousz havanın sadece güneş ışığı varlığında ve sadece bitkinin yeşil yaprakları tarafından (kökleri değil) depolandığını gösterdi. Bitkinin yeşil kısmının güneş ışığını kullanarak CO2’ yi karbon ve oksijene ayıran bir işlemi yürüttüğünü önerdi. • Oksijenin O2 gazı olarak salınırken karbon atomunun su ile birleşerek karbondioksiti oluşturduğunu önerdi. 6 04.11.2014 Fotosentez Reaksiyonu • Diğer araştırıcılarda bu sonuçları elde etti ve 19. yüzyılın sonunda fotosentezin reaksiyonu: • CO2 + H2O + ışık enerjisi (CH2O) + O2 • Araştırıcılar 20. yy’ da bu işlemi daha da ayrıntılı incelediklerinde ışığın rolünün beklenenden daha karmaşık olduğu anlaşıldı. F.F. Blackman (1866‐1947) • Farklı ışık yoğunluklarının • CO2 derişiminin • Sıcaklığın Fotosenteze olan etkisini inceledi. Sonuç olarak, • Fotosentezin çok aşamalı bir işlem olduğunu ve sadece bir kısmının doğrudan ışığı kullandığını ortaya çıkarttı. Işık reaksiyonu dediği ilk reaksiyonlar sıcaklıktan çok ışığa bağımlıyken, karanlık (daha doğrusu ışıktan bağımsız) reaksiyonların ise CO2 ile sınırlandırıldığını belirledi. • Karanlık (ışıktan bağımsız) reaksiyonlarda ışık varlığında olmakta ancak ışık bu reaksiyonların oluşumunda doğrudan yer almamaktadır. • Artan sıcaklık ışıktan bağımsız reaksiyonların hızını arttırmakta ancak bu etki sıcaklığın 35°C’ a kadar arttırılması ile elde edilmektedir. Birçok bitki enziminin 35°C’ da denature olmaya başlaması nedeniyle, Blackman ışıktan bağımsız reaksiyonların enzimler tarafından yapılması gerektiği sonucuna vardı. 7 04.11.2014 Fotosentez hızına ışık ve sıcaklığın etkisi C.B. Van Niel (1897‐1985) • Mor sülfür bakterilerin fotosentez sırasında oksijen ortaya çıkartmadıklarını bunun yerine H2S’ i kendi içlerine yığdıkları saf element kükürte çevirdiklerini keşfetti. Van Niel’ in keşfettiği işlem: • CO2 + 2 H2S + ışık enerjisi (CH2O) + H2O + 2S 8 04.11.2014 Genel fotosentez denklemi Bu denklemi ve Ingenhousz’ un denklemini beraber değerlendirerek, van Niel daha genel bir fotosentez denklemi önerdi. CO2 + 2 H2A + ışık enerjisi (CH2O) + H2O + 2A Bu denklemde H2A elektron verici olarak davranmaktadır. Yeşil bitkiler tarafından yürütülen fotosentezde H2A su iken; mor kükürt bakterisinde H2A hidrojen sülfittir. Ürün A, H2A’ nın ayrılması ile oluşmaktadır. Bu nedenle, yeşil bitki fotosentezinde üretilen O2, CO2’ in değil, H2O’ un ayrılması sonucudur. • Alg ve yeşil bitkilerde fotosentez ile üretilen karbonhidrat glikozdur. Bu organizmalarda fotosentezi denklemi bu nedenle genel olarak, 6 CO2 + 12 H2O + ışık enerjisi C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 9 04.11.2014 • Işığa bağımlı reaksiyon çalışmalarında van Niel, suyun parçalanması ile oluşan H+ iyonlarının ve elektronların karbon fiksasyonu denilen bir işlem ile CO2’ in organik maddelere dönüştürülmesi için kullanıldığını önermiştir. • 1950’ lilerde Robert Hill, van Niel’ in doğru olduğunu ve ışık enerjisinin toplandığını ve indirgenme reaksiyonlarında kullanıldığını gösterdi. • Yaprak hücrelerinden izole edilen kloroplastlar bir boyayı indirgeyebilmekte ve ışık ile muamele edildiklerinde oksijen açığa çıkartmaktadır. • Daha sonra yapılan deneyler sudan ortaya çıkan elektronların NADP+’ ye aktarıldığı ve CO2’ den yoksun kloroplastların ışık muamelesi ile ATP biriktirdiğini göstermiştir. CO2 tekrar verildiğinde ne ATP ne de NADPH yığılmakta ve CO2 organik moleküllere çevrilmektedir. Bu denemeler 3 nedenle önemlidir: •Fotosentezin bitkilerde kloroplast içinde yapıldığını göstermektedir. •Işığa bağımlı reaksiyonlarda ışık enerjisi NADP+’ in indirgenmesi ve ATP’ nin üretilmesi için kullanıldığını göstermektedir. •Fotosentezin erken basamaklarında olan ATP ve NADPH’ ın takip eden reaksiyonlarda CO2’ in indirgenmesi ve basit şekerlerin oluşturulmasında kullanıldığının gösterilmesidir. 10 04.11.2014 Pigmentler • Görünür ışık enerjisini absorbe eden moleküllere pigment denilmektedir. • Işık dalgasının doğası dalgaboyuna bağlı olarak ışığı ayıran elektromanyetik bir spektrum üretmektedir. En çok görünen ışık bilinmekle beraber spektrumun tamamı göz önüne alındığında küçük bir kısmını oluşturmaktadır. Görünen ışığın farklı renkleri ışığı dalgaboyuna göre ayıran bir prizma ile ayırt edilebilmektedir. Elektromanyetik spektrum 11 04.11.2014 Pigmentler Işık partikülü olan fotonlar ayrı bir enerji demeti gibi davranmaktadır. Fotonun enerji içeriği ışığın dalgaboyu ile ters orantılıdır. Kısa dalgaboylu ışık uzun dalgaboylu ışığa göre daha yüksek enerjili fotonlar içermektedir. Fazla miktarda enerji içeren X‐ışınları görünür ışıktan çok daha kısa dalgaboyuna sahiptir. Işık hüzmesi elektrik akımı oluşturarak belirli moleküllerden elektronları taşımaktadır. Bu duruma fotoelektrik etkisi denilmektedir. Ve bu etki fotonlar elektronlara enerji aktardıklarında oluşmaktadır. Fotoelektrik etkinin gücü ışığın dalgaboyuna bağlıdır. Kısa dalgaboylu ışık uzun dalgaboyuna sahip ışığa göre enerjisi daha fazla olduğundan daha etkin bir fotoelektrik etkisine sahiptir. Fotosentezde kloroplastlar fotoelektrik aletleri gibi hareket etmektedir. Güneş enerjisini absorbe etmekte ve uyarılan elektronları taşıyıcı olarak aktarmaktadır. Pigmentler görünür ışığı iyi absorbe etmektedir. Organizmalar çeşitli pigmentler geliştirmişler ancak yeşil bitki fotosentezinde 2 genel pigment «klorofil ve karotenoidler» kullanılmaktadır. Pigmentler Klorofil • Klorofil dar spektrumlu fotonları absorbe etmektedir. Bitkilerde iki çeşit klorofil klorofil a ve klorofil b daha çok mor‐mavi ve kırmızı ışığı absorbe etmektedir. Bu pigmentlerin hiç birisi 500‐600 nm dalgaboyundaki fotonları absorbe etmemekte, bu dalgaboyundaki ışığı yansıtmaktadır. Bu yansıyan fotonlar gözümüzdeki retinal pigment tarafından absorbe edildiklerinde bu rengi biz yeşil olarak görürüz. 12 04.11.2014 Klorofil ve karotenoitin absorbsiyon spektrumu 13 04.11.2014 Pigmentler Klorofil a ve Klorofil b • Bitkilerde ve siyanobakterilerin en önemli fotosentetik pigmenti olan klorofil a ışık enerjisini doğrudan kimyasal enerjiye çevrilmesinde rol oynayan tek pigmenttir. • Yardımcı pigment veya ışık absorbe eden ikincil pigment olan klorofil b, klorofil a’ nın ışık absorbsiyonuna yardım etmektedir. Klorofil b yeşil dalgaboyuna doğru kayan bir absorbsiyon spektrumuna sahiptir. Bu nedenle klorofil b klorofil a’ nın absorbe edemediği fotonları absorbe ederek, güneş ışığında bitkilerin kullanabilecekleri foton oranını arttırmaktadır. Klorofil a ve b 14 04.11.2014 Pigmentler Klorofilin yapısı • Klorofiller fotoelektrik etkisine benzer uyarılma işlemi ile fotonları absorbe etmektedir. Bu pigmentler porfirin halkası denilen karmaşık bir halka ve tek veya çiftli bağlar içermektedir. Halkanın merkezinde Mg++ atomu bulunmaktadır. Pigmentler Klorofil ve retina • Fotosentetik organizmaların neden gözlerimizde bulunan retinal pigmentler gibi 500‐600 nm dalgaboyunu içeren geniş spektrumlu pigmentler kullanmazlar? • En uygun olan görüş fotoetkinliktir. Her ne kadar retina geniş spektrumda dalgaboylarını absorbe etse de, bunu görece düşük etkinlikte yapmaktadır. Buna karşın, klorofil iki bandı absorbe etmekte ama bu işi yüksek etkinlikte gerçekleştirmektedir. Bu nedenle bitki ve diğer fotosentetik organizmaların çoğu klorofil ile diğer pigmentlere göre daha fazla enerji yakalama oranlarına sahip olmaktadır. 15 04.11.2014 Pigmentler Karotenoidler • Karotenoidler, tek veya çift bağ ile zincire bağlı karbon halkaları içermektedir. Her ne kadar enerjiyi yüksek etkinlikte her zaman aktaramasalar da geniş aralıkta enerjiye sahip fotonları absorbe edebilmektedir. Karotenoidler klorofil tarafından etkin olarak absorbe edilmeyen dalgaboyuna sahip ışığın enerjisini yakalayarak fotosenteze yardım etmektedir. • Karotenoidler aynı zamanda serbest radikallerin temizlenmesinde önemli bir role sahiptir. Kloroplastta oluşan indüklenme ve oksitlenme reaksiyonları zararlı serbest radikallere oluşturabilmektedir. Karotenoidler bu hasarı azaltmada genel amaçlı antioksidanlar olarak görev yapmaktadır. Bu nedenle karotenoidler ışık absorbe eden moleküllere ek olarak, koruyucu role de sahiptirler. Bu koruyucu rolü nedeniyle karotenoidler, klorofilden farklı olarak hayatın 3 domainine ait türlerde olmak üzere çok farklı organizmalarda bulunmaktadır. Pigmentler Karotenoidler • En tipik karotenoid β‐karoten’ dir. β‐karoten eşit iki parçaya bölünerek 2 molekül Vitamin A oluşmaktadır. Vitamin A’ nın oksidasyonu omurgalıların görmesinde kullanılan retinal pigmenti oluşturmaktadır. Bu nedenle β‐ karoten bakımından zengin olan havucun yenmesi görmeyi arttırabilmektedir. 16 04.11.2014 Pigmentler Fikobiloproteinler • Fikobiloproteinler siyanobakteri ve bazı alglerde bulunan yardımcı pigmentlerdir. Fikobiloproteinler fikobilozomlar oluşturarak, klorofil tarafından yansıtılan yeşil ışığı absorbe edebilmektedir. • Bu kompleksler ekolojik olarak siyanobakterilerin okyanuslarda düşük ışık durumlarında var olmasını sağlamaları bakımından önemlidir. Bu tip habitatlarda, mavi ve kırmızı ışık yüzeye yakın yeşil algler tarafından absorbe edilirken, yeşil ışık kalmaktadır. Fotosistem organizasyonu • Kloroplastlarda ve fotosentetik prokaryotların bir sınıfında ışık fotosistemler tarafından yakalanmaktadır. Her bir fotosistem klorofil a molekülleri, yardımcı pigmentler ve ilgili proteinler fotosentetik membranın yüzeyinde protein matriks ile birlikte bulunmaktadır. Işığı odaklayan bir büyüteç gibi fotosistem pigment molekülleri tarafından yakalanan enerjiyi özgün bir molekül olan reaksiyon merkezindeki klorofile iletmektedir. Bu molekül daha sonra fotosistemden enerjiyi uyarılmış elektronlar olarak aktarır ve ATP ve organik moleküllerin sentezlenmesinde bu enerji kullanılır. 17 04.11.2014 Fotosistem • Bir fotosistem birbiri ile yakın ilişkili 2 bileşen içermektedir: 1) Anten kompleksi 2) Reaksiyon merkezi Fotosistem Anten kompleksi • Fotonları toplayan yüzlerce pigment içermekte ve yakalanan ışık enerjisini reaksiyon merkezinde bulunan klorofile iletmektedir. • Kloroplastlarda anten kompleksi klorofil molekülleri tilakoid membranda protein matriksi tarafından sıkıca tutulmaktadır. Değişen miktarda yardımcı karotenoid pigmentleri de bulunabilir. • Fotonun absorbsiyonu sonucunda elde edilen uyarılma enerjisi reaksiyon merkezi yönünde bir pigment molekülünden komşu pigment molekülüne aktarılmaktadır. Aktarım sonrası her molekülde uyarılan elektron foton absorbe edilmeden önceki düşük enerji seviyesine dönmektedir. Sonuç olarak, bir pigment molekülünden diğerine uyarılan elektron değil enerji geçmektedir. 18 04.11.2014 Anten Kompleksi Fotosistem Reaksiyon merkezi • • • • Reaksiyon merkezi protein ve pigment karışımından oluşan bir transmembran proteindir. Fotosentetik mor bakterilerin reaksiyon merkezi kloroplastlarda bulunandan daha basit ve daha iyi anlaşılmıştır. Bakteriyel klorofil a molekül çifti foton enerjisi için kapan gibi davranmakta ve uyarılan elektronu yanda bulunan alıcı moleküle aktarmaktadır. Reaksiyon merkezinde anten kompleksinden farklı olarak, sadece enerji değil bununla birlikte uyarılan elektronun kendisi de aktarılmaktadır. Reaksiyon merkezindeki klorofil elektron ile enerjilendiğinde , ışık güçlü bir verici oluşturur. Klorofil enerjilenen elektronu ilk alıcı olan kinon molekülüne aktararak, kinonu indükler ve güçlü bir elektron verici haline getirir. Yanında bulunan düşük elektron vericisi klorofile düşük enerjili elektronu vererek, klorofili orijinal durumuna getirir. Kinon ise elektronunu diğer bir alıcıya aktarır ve bu işlem tekrarlanır. Bitki kloroplastlarında su zayıf bir elektron vericisi olarak davranmaktadır. 19 04.11.2014 Reaksiyon merkezi Işık‐bağımlı reaksiyonlar • Fotosentezin ışık gerektiren reaksiyonları membranlarda oluşmaktadır. Fotosentetik bakterilerde plazma membranının kendisi fotosentetik membrandır. Birçok bakteride plazma membran kendi üzerine katlanarak yüzey alanını arttırmaktadır. • Bitki ve alglerde, fotosentez kloroplastlarda gerçekleşmektedir. Kloroplastın iç tilakoid membranı ışık bağımlı reaksiyonlarda görev alan yapılara sahiptir. Bu nedenle tilakoid reaksiyonları da denmektedir. 20 04.11.2014 Işık‐bağımlı reaksiyonlar • Tilakoid reaksiyonları 1) İlk ışık yakalanması: Işık fotonu pigment tarafından yakalanır. İlk foton pigment içinde bir elektronu uyarır. 2) Yük ayrılması: Bu uyarılma enerjisi elektron taşımasını başlatan ve enerjilenmiş elektronu alıcı moleküle aktaran reaksiyon merkezine aktarılır. 3)Elektron taşınması: Uyarılan elektron fotosentetik membrana gömülü birçok elektron taşıyıcı moleküle aktarılır. Birçoğu membranın karşı tarafına proton aktararak, proton gradiyenti oluşturur. Sonuç olarak, elektronlar NADPH olan final alıcıyı indüklemek için kullanılır. 4) Kemiozmosis: Membranın bir tarafına yığılan protonlar aerobik solunumda olduğu gibi kemiozmotik olarak ATP sentezinin yapıldığı ATP sentaz arayıcılığı ile membranın diğer tarafına aktarılır. Işık‐bağımlı reaksiyonlar • Bu 4 işlem ışığa bağımlı reaksiyonların iki aşamasını gerçekleştirir. İlk 3 işlem ışıktan enerjinin yakalanmasını, 4. işlem ise ATP sentezini yapar. 21 04.11.2014 Döngüsel fotofosforilizasyon Anoksijenik fotosentez • Mor ve yeşil bakterilerde elektron taşınması ile ATP üretiminde tek bir fotosistem kullanılır. Bu işlem daha sonra elektronu reaksiyon merkezine geri döndürür. Bu nedenle bu işleme döngüsel fotofosforilizasyon denmektedir. • Bu sistemler oksijen içermemekte ve bu nedenle de anoksijenik fotosentez denilmektedir. Döngüsel fotofosforilizasyon • Sülfür olmayan mor bakterilerde, absorbsiyon 870 nm dalgaboyunda (kızılötesine yakın ve insan gözüne görünür değil) gerçekleşmekte ve bu nedenle reaksiyon merkezindeki pigmente P870 denilmektedir. Klorofil P870’ in foton absorbsiyonu NADP’ ye aktarım için elektronu yeterince uyarmamaktadır. • P870 reaksiyon merkezi bir fotonu absorbladığında, uyarılan elektron elektron taşıma sistemine aktarılır ve bu taşıma sisteminde elektronlar tekrar reaksiyon merkezine aktarılarak, ATP sentezi için bir gradient oluşturulur. Mor bakteri fotosisteminde bulunan proteinlerin modern fotosistem II’ de bulunan proteinler ile homolog olduğu düşünülmektedir. 22 04.11.2014 Döngüsel fotofosforilizasyon Yeşil sülfür bakterisinde ışık absorbsiyonu 840 dalgaboyunda gerçekleşir ve bu nedenle reaksiyon merkezindeki pigment P840’ dır. Fotosistemde uyarılan elektronlar NADPH’ a geçebilir veya mor bakterilerde olduğuna benzer şekilde elektron taşıma zinciri ile klorofile geri döndürülür. NADPH’ a geçen elektronların yerini doldurmak için hidrojen sülfit elektron vericisi olarak kullanılır. Yeşil sülfür bakteriyel fotosistemi modern fotosistem I ile homolog olduğu düşünülmektedir. 23 04.11.2014 Döngüsel fotofosforilizasyon • Bu sistemlerin hiç biri H2O’ yu oksitlemek için yeterli güç oluşturmamaktadır. Bu nedenle anoksijeniktirler ve aerobik olmayan koşullarda yürütülmektedirler. Siyanobakteri ve bitki kloroplastlarındaki birbiri ile ilişkili fotosistemler H2O’ yu oksitlemek için yeterli gücü oluşturmaktadır. Bitkisel fotosistemler • Kükürt bakterilerinin aksine, bitkiler birbiriyle ilişkili 2 fotosisteme sahiptir. Bu durum suyun oksitlenmesi ile alternatif bir elektron kaynağı sağlayarak, döngüsel fotofosforilizasyonun sınırlılıklarını ortadan kaldırmaktadır. Suyun oksidasyonu aynı zamanda O2 ortaya çıkartmakta ve oksijenik fotosentez adını almaktadır. Döngüsel olmayan elektron taşınması karbohidratların sentezinde kullanılacak olan NADPH’ ın üretimini de sağlamaktadır. 24 04.11.2014 Fotosistem I ve II • Fotosistem I 700 nm dalgaboyundaki ışığı absorblamakta ve bu nedenle reaksiyon merkezindeki pigmentin adı P700 olmaktadır. Fotosistem II ise 680 nm dalgaboyundaki ışığı absorblamakta ve reaksiyon merkezindeki pigment P680 olmaktadır. İki sistem beraber çalışarak ATP ve NADPH üretimi için kullanılan döngüsel olmayan elektron taşınmasını gerçekleştirmektedir. Fotosistem I ve II • Fotosistem I ve II keşfediliş sırasına göre adlandırılmıştır. Bitki ve alglerde iki fotosistem oksijenik fotosentezin tüm aşamalarında farklı roller üstlenmek için özgünleşmiştir. • Fotosistem I elektronları en son NADP+’ ye taşıyarak, NADPH üretmektedir. Fotosistem I’ de kaybedilen elektronlar Fotosistem II tarafından iade edilmektedir. Yüksek oksidasyon potansiyeli ile Fotosistem II fotosistem I’ de aktarılan elektronları iade etmek için suyu oksitlemektedir. Dolayısıyla elektronlar sudan NADPH’ a taşınmaktadır. • İki fotosistem sitokrom b6‐f kompleksi ile denilen karmaşık elektron taşıyıcıları ile birbirine bağlanmaktadır. Bu kompleks elektronların aktarımı ile elde edilen enerjiyi ATP sentaz enzimi tarafından kullanılacak olan proton gradienti oluşturmak için protonları tilakoide atılmasında kullanmaktadır. 25 04.11.2014 Döngüsel olmayan fotofosforilizasyon • Bitkiler sırasıyla Fotosistem II ve I’ i kullanarak, ATP ve NADPH üretmektedir. Bu iki aşamalı işleme fotosistemden uzaklaşan elektronun geri dönmeyip, NADPH ile sonlanması nedeniyle döngüsel olmayan fotosentez denilmektedir. Fotosistemlere elektron takviyesi suyun parçalanması ile yapılmaktadır. Fotosistem II • Fotosistem II ilk aşamayı oluşturmaktadır. Fotosistem II tarafından oluşturulan yüksek enerjiye sahip elektronlar ATP sentezi için kullanılır ve Fotosistem I’ e aktarılarak NADPH’ ın üretimi sağlanır. Her bir molekül sudan elde edilen elektron çiftlerinden 1 molekül NADPH ve 1 molekülden biraz fazla ATP üretilmektedir. 26 04.11.2014 Fotosistem II • Fotosistem II’ nin reaksiyon merkezi mor bakterilerin reaksiyon merkezine benzerlik göstermektedir. Elektron taşıyıcı bileşenler ve 10 transmembran protein altünitesi ile bir çekirdek ve bu çekirdeğin etrafında 2 tane P680 klorofil molekülü içermektedir. • Anten kompleksi çeşitli protein zincirlerine bağlı klorofil a ve yardımcı pigmentler içermektedir. Fotosistem II’ nin reaksiyon merkezi suyun oksidasyonu için gerekli olan 4 mangan atomu içermekte ve bu nedenle mor bakterinin reaksiyon merkezinden farklı olmaktadır. • Bu 4 mangan atomu küme oluşturacak şekilde reaksiyon merkez proteinlerine bağlıdır. 2 su molekülü de bu mangan atomlarının oluşturduğu kümeye bağlıdır. Fotosistem II’ nin reaksiyon merkezi bir foton absorbe ettiğinde, P680 klorofil molekülündeki bir elektron uyarılmakta ve bu elektron bir elektron alıcısına taşınmaktadır. Okside olan P680 daha sonra mangan atomundan bir elektron almaktadır. Reaksiyon merkez proteinlerinin yardımı ile okside olan mangan atomu iki su molekülündeki oksijen atomlarından elektronları ayırmaktadır. Bu işlem 2 su molekülünün tamamen oksidasyonu ve 1 O2 üretimi için reaksiyon merkezinin 4 foton absorblaması gerekmektedir. Fotosistem II b6‐f kompleksinin rolü • Fotosistem II’ yi terk eden ışık ile enerjilenmiş elektron için ilk alıcı molekül kinondur (plastokinon). 1 çift elektron kabulü ile redüklenen plastokinon güçlü bir elektron vericisidir ve uyarılan elektron çiftini tilakoid membran içine gömülü olan bir proton pompası olan b6‐f kompleksine aktarır. Bu kompleks mitokondrinin solunum ile ilgili elektron taşıma zincirindeki bc1 kompleksine benzemektedir. • Enerjilenmiş elektron çiftinin gelişi b6‐f kompleksinin tilakoid aralığa bir proton pompalamasına neden olur. Küçük ve bakır içeren bir protein olan plastosiyanin elektron çiftini fotosistem I’ e aktarır. 27 04.11.2014 Fotosistem I Fotosistem I • Fotosistem I’ in reaksiyon merkezi 12‐14 protein alt ünitesi içeren bir transmembran kompleks çekirdeği ve iki tane P700 klorofil molekülü içermektedir. Bu sistemi doyuran enerji klorofil a ve yardımcı pigment molekülleri içeren anten kompleksi ile sağlanır. • Fotosistem I plastosiyoninden aldığı elektronu ışığın enerjilendirdiği elektronun bıraktığı boşluğa kabul eder. Fotosistem I tarafından absorbe edilen foton reaksiyon merkezini terk eden elektronu oldukça yüksek enerji seviyesine çıkartır. Elektronlar demir‐sülfür proteini olan ferrodoksine geçer. Fotosistem II ve bakteriyal fotosistemden farklı olarak, bitkisel Fotosistem I elektron kabul edici olarak kinonlara gereksinim duymamaktadır. Fotosistem I • Fotosistem I elektronları membranın stroma tarafında (tilakoid membranın dışında) bulunan ferrodoksine iletmektedir. İndirgenen ferrodoksin yüksek potansiyelli bir elektron taşımaktadır. İndüklenen 2 molekül ferrodoksin elektronları daha sonra membrana bağlı NADP redüktaz enzimine aktarır ve bu enzim ile NADP+’ dan NADPH oluşmaktadır. Reaksiyon membranın stromal tarafından oluştuğundan ve NADPH oluşumu için proton alınımı içerdiğinden fotosentetik elektron taşınmasın sırasında oluşan proton gradientine de katkı sağlamaktadır. 28 04.11.2014 Fotosistem I ve II Fotosistem I ve ATP oluşumu • Protonlar stromadan tilakoid kompartmana b6‐f kompleksi ile taşınmaktadır. Suyun parçalanması da ayrıca bu gradientin oluşumuna katkı sağlamaktadır. Tilakoid membran protonları geçirmemekte ve bu durum ATP sentezinde kullanılabilecek bir elektrokimyasal gradient oluşturmaktadır. 29 04.11.2014 ATP sentaz • Kloroplastlar tilakoid membranlarında kanal oluşturarak protonların stroma tarafına geçişini sağlayan ATP sentaz enzimine sahiptir. Protonlar tilakoidden ATP sentaz kanalı ile geçtiğinde ADP fosforlanarak, ATP oluşmakta ve ATP stroma tarafına bırakılmaktadır. Stroma Calvin döngüsü denilen karbon fiksasyon reaksiyonlarını katalizleyecek enzimleri içermektedir. • Bu mekanizma mitokondriyel ATP sentaz da görülen ile aynıdır ve zaten aslında bu iki enzim evrimsel olarak ilişkilidir. Elektron taşınması ile proton gradienti oluşturulması ve kemiozmoz ile ATP üretimi mitokondri ve kloroplast arasındaki yapısal ve işlevsel benzerlikleri de göstermektedir. Fotosistem I ve ATP sentezi 30 04.11.2014 Ekstra ATP üretimi • Döngüsel olmayan fotofosforilizasyonda sudan NADPH’a elektron çiftinin geçişi 1 molekül NADPH ve 1 molekülden biraz daha fazla ATP molekülü oluşturmaktadır. Ancak organik molekülerin yapımı daha çok enerji gerektirmektedir (Karbonu fikse etmek için her bir NADPH molekülü başına 1.5 ATP gerekmektedir). • Ekstra ATP üretimi için birçok bitki türü kısa döngüsel fotosistem I’ i yapma yeteneğinde ve fotosentezi döngüsel fotofosforilizasyon moduna çevirerek fotosistem I’ i terk eden ışık ile uyarılan elektron NADPH yapımı yerine ATP üretimi için kullanılmaktadır. Enerjitik elektronlar basit olarak NADP+’e geçmek yerine b6‐f kompleksine geri dönmektedir. B6‐f kompleksi tilakoid boşluğa proton pompalamakta ve kemiozmotik ATP üretimi için proton gradienti oluşmasına katkı sağlamaktadır. Bu bitkilerde döngüsel ve döngüsel olmayan fotofosforilizasyonun bağıl oranları organik moleküllerin yapımı için gerekli olan NADPH ve ATP miktarını belirlemektedir. Döngüsel fotofosforilizasyon ‐NADPH üretilmez ‐Oksijen açığa çıkmaz ‐Sadece ATP oluşur. 31
