Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

IŞIK SOLUNUMU (FOTORESPİRASYON)

---

Kloroplastlarda CO2 RuBP karboksilaz enzimi katalizörlüğünde RuBP tarafından yakalanarak PGA oluşturulup C3 yoluna katılır. Ancak O2 yokluğunun çok fazla olması durumunda aynı enzim RuBP ile O2’in birleşmesini sağlar. Bu durumda enzime RuBP oksijenaz denir. Esasen RuBP oksijenaz ve karboksilaz aynı enzim olup Rubisko olarak adlandırılır. Böylece 1 molekül fosfoglikolik asit (P-glikolat) ile 1 molekül PGA meydana gelir. Glikolik asit, peroksizomlarda taşınır. Burada glikolik asit ile O2, glikolat oksidaz enzimi katalizörlüğünde birleştirilerek glioksilik asit oluşturulur. Dolayısıyla fotorespirasyona glikolik asit yolu da denir.

Bu esnada oluşan hidrojenperoksit (H2O2) zehirli bir madde olduğundan peroksizomlarda katalaz enzimiyle suya parçalanır. Daha sonra da glioksilattan glisin ve serin gibi amino asitler sentezlenir ve CO2’in bir kısmı serbest bırakılır. Bu olay ışıkta meydana geldiği ve olayda O2 kullanıldığı için ışık solunumu denilmiştir. Burda amaç ATP sentezlemek olmadığından, bu gerçek bir solunum değildir. Işıklandırılmış bir yaprakta fotosentezin aleyhine çalışan bir olaydır. Bu olayın fotosentezin verimini yarı yarıya azalttığı tesbit edilmiştir. Ancak bu sırada bazı aminoasitlerin sentezlenmeside bir avantajdır.

Bütün bitkiler ışık solunumu yapmazlar. C3 bitkilerinin tümü ışık solunumu yaparken C4 bitkileri ya hiç yapmazlar veya çok az yaparlar. Çünkü C4 bitkilerinde glikolat oksidaz enzimi ya hiç yok veya çok azdır. Bu da C4 bitkilerinde fotosentez veriminin yüksek olmasının bir diğer sebebidir. Işık solunumu sırasıyla kloroplast, peroksizom ve mitokondride gerçekleşir. Serin amino asitten gliserat ve PGA oluşarak C3 yoluna entegrasyon oluyorsa fotosentezin aleyhine bir durum meydana gelmez. Ancak bitkinin amino asitlere ihtiyacı varsa amino asitler sentezlenecektir ve C3 yolu ile entegrasyon geçişi olarak kalkacaktır.

KEMOSENTEZ
Ototrof yaşayan sadece yeşil bitkiler değiller bazı bakterilerde ototrofturlar. Ancak bu bakteriler ışığı kullanarak değil kimyasal maddeleri okside ederek açığa çıkardıkları enerji kullanılarak CO2’di karbonhidratlara indirgerler. Bu olaya kemosentez adı verilir. Kemosentez bakterileri bu yaşam biçimleriyle doğada madde döngüsüne katkı sağlarlar. Bir çok toksik maddeyi etkisiz hale getirirler ve erimeyen bazı maddeleri eriterek kullanılır hale koyarlar.
Başlıca kemosentez tipleri:
Azot oksidasyonu : Toprakta bitki ve hayvan kalıntılarından oluşan NH (amonyak) Nitrosomans cinsi bakteriler tarafından nitrite (NO) çevrilir. Bu reaksiyonda açığa çıkan enerji nitrosomanslarca kemosentezde kullanılır. Ortaya çıkan HNO’lerde diğer bir bakteri grubu olan Nitrobakteriler tarafından nitrata dönüştürülürler ve bitkilere azot sağlamış olurlar.

Kükürt oksidasyonu : Beggiatoa, Thiospirillum gibi kükürt bakterileri HS ve S okside ederek enerji sağlarlar ve kemosentez yaparlar.
Demir oksidasyonu: Leptotrhrix, spirophyllum gibi bakterileri iki değerli demiri (Fe)üç değerli demire (Fe) demire okside ederek kemosentez yaparlar(PAS).
Kemosentezde KH sentezinin nasıl seyrettiği pek bilinmemektedir.

SOLUNUM
Tüm canlı hücrelerin yapmak zorunda olduğu bir yıkım olayıdır. Amaç hücrenin kendine yetecek enerjiyi temin etme isteğidir. Bu enerji bilindiği gibi sentez ürünlerinde ki kimyasal bağlarda saklıdır. Karbonhidratlar, yağlar ve proteinler başlangıçta güneşten aldıkları enerjiyi solunum reaksiyonlarıyla ATP olarak dışarı vererek canlıların metabolik, büyüme, gelişme, vücut ısısı ayarlama ve eylemlerini gerçekleştirme gibi aktivitelerde kullanmalarında olanak sağlar .
Temel organik maddelerin solunum reaksiyonları yolunda parçalanıp kimyasal bağ enerjilerini ATP’ ye dönüştürmeleri için öncelikle yapı taşlarına ayrışmaları gerekmektedir.
Örneğin; Nişatanın → glikoza
yağ moleküllerinin → yağ asitleri ve gliserol’a
proteinlerin → amino asitler’e
hidroliz olmaları ve hücrelere kadar taşınmaları şarttır.

Solunum sistemli bir yanma olayıdır. Organik moleküller, başta şeker olmak üzere hücrelerde kademe kademe yıkılarak, karbon iskeletlerindeki bağlardan çıkan enerji mitokondri kristalarında yerleşmiş ETS (Elektron Taşıma Sistemi) vasıtasıyla ATP’ye dönüştürülür. Buna oksidatif fosforilasyon yada biyolojik yanma denir.

Petrol, odun, kömür gibi fosil yolla organik yakacakların yanması durumunda ise C iskeletlerdeki bağlardan hızla salınan enerjide ısı, ışık olarak etrafa yayılır. Bu bir kimyasal yanmadır. Solunumdaki yanmadan farklıdır.
Solunumda esas amaç enerji temini yani ATP üretimi olsada, bu sırada metabolizma için gerekli bir çok yan üründe meydana gelmektedir.
Örneğin; çeşitli organik asitler, amino asitler, nükleotidler, pigmentler v.s. oluşmaktadır.

Solunum için kullanılan öncelikli molekül glukoz’dur. Glukoz un bulunduğu hücrede daima yıkıma uğrayan bu 6 C’lu molekül olmaktadır.

Solunum sitoplazmada başlayıp mitokondride devam eden bir çok biyokimyasal olayın ard arda seyrettiği bir döngüdür.
Bütün yüksek bitkiler ve organizmalar solunum (aerobik solunum) yaparlar ama bazı mikroorganizmalar oksijen kullanmadan Enzimleri sayesinde oksijensiz olarak solunum(anaerobik solunum) yaparlar, buna fermentasyon denir.

Oksijenli solunum glukoz kullanıldığında başlıca üç aşamada gerçekleşir.
1 - Glikoliz Safhası (sitoplazmada gerçekleşir)
2 - Krebs Döngüsü (mitokondri matriksinde gerçekleşir)
3 - Elektron Taşınım Sistemi (mitokondri kristalarında gerçekleşir)

GLİKOLİZ
Hücre sitoplazmasında glukozun oksijene gereksinim duyulmadan iki pirüvik asite (pirüvat) kadar parçalanması olayıdır. Bu reaksiyon zincirinde öncelikle 2 ATP kullanılır

Bu reaksiyon zincirinde öncelikle 2 ATP kullanılır. Bu ATP’ler ve enzimler sayesinde öncelikle iki 3C’lu aldehite dönüşen glikoz molekülü bir inorganik fosfat (Pi) girişi, 2 H+ ve 4 ATP çıkışı sağlayan bir dizi reaksiyondan sonra 2PA’ te dönüşür ve bu pirüvik asitler normal yolda mitokondrilere taşınırlar. Olağan dışı durumlarda ise Laktik Asit (LE)’e dönüşmek suretiyle 4ATP çıkışının devam etmesini sağlar (anaerobik solunum).

KREBS ÇEMBERİ
Mitokondri matriksinde PA (3C)
’ tin Asetil CoA (2C)’ya dönüşmesiyle başlayan bu reaksiyonlar döngüsünde 3C’lu molekülün tüm karbonları CO2’te dönüşür. Sonuçta 4 NADH2, bir FADH2 ve substrat reaksiyonu ile bir ATP ortaya çıkmaktadır. 1 glukoz molekülü için bu çıktılar ikiye katlanacaktır.
Bu çemberde meydana gelen organik asitler üç karboksil grubu ihtiva ettiği için bu çembere Trikarboksilik Asit Çemberi (TCA)’de denir

ELEKTRON TAŞINIM SİSTEMİ
Bu sistem mitokondri kristalarında bulunur. ETS’de elektron ve hidrojen taşıyan özel maddeler vardır. Elektron taşınırken ATP sentaz (moleküler değirmen) enziminin aktivasyonuyla ATP sentezi olur. Buna oksidatif fosforilasyon adı verilir.

Taşınan elektronlar en son akseptorden (sitokrom a3) ayrılınca matriksteki 2H+ ve O2 ile birleşerek H2O teşkil eder. Buna da terminal oksidasyon denir. Mitokondride cereyan eden bütün bu olaylar (TCA, oksidatif fosforilasyon ve terminal oksidasyon) için O2 gereklidir. O2 yokluğunda meydana gelmezler.

ETS’de ATP sentezi, kemiozmotik teoriye göre , oksidatif fosforilasyon ile şöyle olmaktadır; ETS’de yeralan bazı akseptörler H+ ve elektron alarak indirgenir. Bunlar, flavinmononükleotid (FMN) ve ubikinon (UQ) dur. Bunlar hidrojenleri zarlar arası boşluğa pompalarken elektronları elektron akseptörlerine (sitokromlar ve Fe-S proteinleri) verirler. Elektronlar bu şekilde H2O’a kadar taşınırlar. Matriksdeki TCA’dan veya sitoplazmadaki glikolizden gelen hidrojenler bu şekilde zarlar arası boşluğa bırakıldıkça burası asitleşir ve zar potansiyeli oluşur. Bu durumda ATP sentaz enzimi aktive olarak hidrojenleri matrikse geçirir. Bu sırada enzimin katalizörlüğünde ATP sentezi olur. Hidrojen ve elektronlar krista zarındaki ETS’ye NADH2 veya FADH2 halinde getirilerek ETS’ye katılırlar. TCA’nın NADH2’leri ETS’nin başından itibaren zincire katıldığından ve üç yerde hidrojen pompalanması olduğundan NADH2 başına 3 ATP sentezlenir.

Oysa TCA’nın FADH2’leri ve glikoliz NADH2’leri ETS’ye UQ’dan itibaren katıldıklarından iki yerde hidrojen pompalanması olur ve 2 ATP sentezlenir.
Glikolizden gelen NADH2’ler başına 2ATP sentezlendiğinin sebebi şudur; sitoplazmadan mitokondriye geçişte mitokondri zarında bulunan ve gliserol fosfat mekiği denilen özel bir transport sistemiyle NADH2’lerin H+’leri mitokondri içine geçirilir ve bir flavoprotein (FAD) üzerinden UQ’a aktarılır. Yani sitoplazmadan gelen H+’ler ETS’ye ortadan katıldığı için iki yerde H+ pompalanmasına ve dolayısıyla 2ATP sentezine sebep olur.

SOLUNUMDA ENERJİ BİLANÇOSU
Glikoliz ve TCA’dan ayrılan Hidrojenleri NAD veya FAD yakalar ve NADH2 veya FADH2 halinde ETS’ ye getirirler. Yapılarındaki hidrojen ve elektronları ETS’ye verip tekrar iş başına dönerler. Şekil’de NADH2 ve FADH2’lerin hangi reaksiyonlardan kaynaklandığı ve her birisi için kaç ATP sentezlendiği belirtildi. Bunları toplarsak 16 ATP eder. Fakat bu reaksiyonlar iki defa meydana geldiğinden 16 x 2 = 32 ATP yapar. Şu halde oksidatif fosforilasyon yoluyla solunumda 32 ATP sentezlenir. Bir de 2 tane glikolizden 2 tane de TCA’dan fosforilatif yolla direkt ATP sentezi vardı. Bunları da eklersek 36 ATP eder. Yani glikoz molekülünün solunuma girip okside olmasıyla 36 ATP sentezlenir.

Yapılan hesaplamalarda bir glikozun yıkımıyla esasında 686 Kkal’lik bir enerji çıkmaktadır. Oysa bir ATP’nin hidroliziyle 7,4 Kkal’lik bir enerji açığa çıkar ve 36 x 7,4 = 266,4 Kkal’lik bir enerji solunumda ATP halinde tutulmuş olur. Geriye kalan 420 Kkal2lil enerji ısı olarak yayılır. Yani glikozdan açığa çıkarılan enerjinin % 40 kadarı ATP halinde tutulabilmektedir.

SOLUNUM SIRASINDA MEYDANA GELEN YAN ÜRÜNLER
Solunumun esas amacı ATP sentezi yapmaktır. Fakat bu esnada değişik basmaklardan kaynaklanan çeşitli organik maddelerin sentezi de yapılır. Bu yüzden solunum bir taraftan yıkılma ve parçalanma iken diğer taraftan organiklerin sentezine sebep olan bir merkezdir.

SOLUNUM KATSAYISI
Solunumun ölçülmesi, bitkilerin solunumla tükettiği O2’nin ve dışarı verdiği CO2’nin ölçülmesine dayanır. Bu bakımdan solunumda oluşan CO2’in tüketilen O2’e oranı solunum katsayısı olarak adlandırılır ve RQ sembölü ile gösterilir.
Solunumda KH’ların kullanılması durumunda bu katsayı 1’dir. Yani KH’ların solunumunda verilen CO2 alınan O2’e eşittir. Mesela;
Solunumda yağlar gibi oksijence fakir organik maddeler okside edildiğinde oksidasyon için daha çok O2’e ihtiyaç olduğudan CO2 / O2 oranı düşük olacağından solunum katsayısıda 1’den azdır. Mesela;
Yapısında bol oksijen ihtiva eden organik maddelerin oksidasyonu için az oksijen gerekli olduğundan bunların solunum katsayıları 1’den büyüktür. Mesala organik asitler bu şekilde oksijence zengindir.

Oksijence fakir olan proteinlerinde solunum katsayıları 1’den azdır. Görüldüğü gibi, solunum yapan bir bitki dokusunda solunum katsayısını ölçerek o dokunun solunumda kullandığı organik madde grubunun ne olduğu hakkında genel bir bilgi sahibi olabiliriz. Normal koşullarda bitkiler ve hayvanlar solunumda öncelikle KH’ları kullanırlar. Ancak depo maddeleri tükenince diğer indirgenmiş maddeleri (yağlar, proteinler gibi) solunum substratı olarak kullanmaya başlarlar. Yağların ve proteinlerin solunuma katkısı KH’ın katkısından farklıdır. Bu maddelerin yıkımında glikoliz safhası yoktur.

FERMANTASYON

Oksijen olmaksızın besinler nasıl okside edilir?
Oksidasyon, elektronların sadece oksijene değil, elektronların herhangi bir elektron alıcısına verilmesidir.
Glikoliz, gulukozu iki molekül pirüvata oksitler. Glikolizin oksitleyici ajanı oksijen değil, NAD+’dır.
Özet olarak, glikoliz ekzergonik olup, açığa çıkan enerjinin bir kısmı substrat – seviyesinde fosforilasyon ile net olarak 2 ATP üretmek için kullanılır.
Eğer oksijen varsa, gulukozdan uzaklaştırılan elektronları taşıyan NADH bu elektronları elektron taşıma zincirine verdiğinde, oksidatif fosforilasyon ile ek ATPler üretilir.
Ancak oksijen olsa da olmasa da, yani koşullar aerobik de anaerobik de olsa glikoliz 2 ATP üretir.
(aer hava ve bios canlılık demektir; “an” olumsuzluk belirtir)

Organik besinlerin anaerobik yıkımı, fermantasyon ile gerçekleşir.
Fermantasyon glikolizin uzantısı olup, glikolizin oksidasyon basamağında ortaya çıkan elektronları kabul edecek yeterli NAD+ sağlandığı sürece, substrat seviyesinde ATP üretebilir.
NADH dan NAD+ oluşturacak bir mekanizma olmaksızın, hücrenin NAD+ havuzu glikoliz sırasında tükenir ve oksitleyici bir ajan olmadığı için glikoliz durur. Aerobik koşullarda elektronların elektron taşıma zincirine aktarılmasıyla, NADH dan NAD+ oluşturulması sürer. Bu işlemin anaerobik alternatifi, NADH dan glikolizin son ürünü olan pirüvata elektron aktarımıdır.
Fermantasyon, glikoliz ile elektronların NADH’dan pirüvata ya da pirüvat türevlerine aktarılmasıyla yeniden NAD+ üreten tepkimeleri kapsar.

Bu NAD+ glikoliz ile şekerin okside edilmesi için tekrar kullanılır ve substrat seviyesinde fosforilasyon aracılığı ile net olarak 2 ATP üretilir.
Pirüvattan oluşturulan son ürünlere göre bir çok fermantasyon tipi vardır.
Alkolik Fermantasyonda pirüvat 2 basamakta etanole dönüştürülür.
İlk basamakta pirüvattan CO2 uzaklaştırılır ve 2 karbonlu bir bileşik olan asetaldehit oluşur.
İkinci basmakta ise, asetaldehit NADH ile etanole redüklenir.
Böylece glikoliz için gerekli olan NAD+ yenilenmiş olur.

Laktik Asit Fermantasyonu sırasında pirüvat NADH tarafından doğrudan doğruya redüklenir. Bu sırada CO2 salınmaz.
Genelde mikroorganizmalar fermantasyon yapar. Ancak oksijen yetersizliğinde, su stresinde (fizyolojik kuraklık) yüksek bitkilerde biraz yapar. Fazlası bitkiler için toksiktir. Bazı tohumlarda tohum çimlenmesinin ilk basamaklarında da olabilir.
Fermantasyon yapan bakterilerin bazısı oksijensiz ortamda yaşar (obligat anaeroblar). Mesela, Basillus botilinus. Bazı mikroorganizmalar ise hem oksijenli hem de oksijensiz ortamda yaşayabilirler (fakültatif anaeroblar). Mesela, Saccharomyces cerevisia mantarı.

PENTOZ FOSFAT YOLU

Yaşlı ve hasta bitkilerde görülen bu yolda genellikle 5C’lu şekerler sentezlendiği için bu yola pentoz fosfat yolu adı verilir. Pentoz fosfat yolu sitoplazmada cereyan eder ancak karanlıkta kloroplastlarda da meydana gelir. Bu yol glikolizden ayrılıp tekrar ona bağlanan bir yan yoldur.
Glikoz-6-Fosfat tan itibaren başlar ve riboz gibi 5 C’lu şekerler sentezlenir.
İki önemli ürün nükleik asitlerin yapısında bulunan 5C’lu şekerler ve indirgenme reaksiyonlarının vazgeçilmezi olan NADPH2 sentezlenir.
Bu yol bitki hücrelerinde glikoliz ve TCA reaksiyonları ile birlikte yürür. Dışarı verilen CO2’in ¼ nin bu yolla sentezlendiği hesaplanmıştır.

GLİOKSİLAT YOLU:
Bitkilerde yağlar şekerlere dönüştürülemez. Ancak endospermlerinde yağ depolayan tohumlarda (ay çiçeği, hint yağı, soya gibi) çimlenme sırasında yağlar şekere dönüştürülebilmektedir. Çimlenme sonucu meydana gelen plumula, radikula gibi organalara besin gerektiğinde, endospermadan yağ taşınımı mümkün olmadığı için bu sırada yağlar şekere çevrilerek bu organlara taşınmaktadır. Bu yola glioksilat yolu denir.

Reaksiyonlar endosperm hücrelerinde buluna glioksizom adı veilen organellerde gerçekleşmektedir. Bu reaksiyonların yürümesini sağlayan malat sentataz ve izositraz enzimleri sadece glioksizomlarda bulunur. Glioksizomlarda sadece yağ depolayan endosperm hücrelerinde bulunduğu için bu olay başka dokularda görülmez. Glioksilat yolu hem mitokondrideki TCA çemberiyle hem de sitoplazmadaki glikoneogenaz youluyla irtibatlı olarak çalışır.

ALTERNATİF SOLUNUM YOLU
Siyanür (CN-), azid (N3-) ve karbon monoksit (CO) gibi inhibitörler şekilde gösterilen solunumun ETS safhasını inhibe ederek solunumu engeller. Bu inhibisyon, ETS’nin son basamağında görev yapan sitokrom oksidaz enziminin bloke olmasıyla meydana gelir.
Bitkilerde siyanüre dirençli bir alternatif solunum yolu bulunduğu anlaşılmış ancak henüz detaylı bilgi elde edilememiştir. Mevcut bilgilere göre, normal solunumda elektron taşınımı elektronlar 1. ubikinon ’dan sitokrom b ’ye değil kısa yoldan henüz mahiyeti tam bilinmeyen ve terminal oksidaz adı verilen siyanüre dirençli bir enzim üzerinden oksijene taşınır. Dolayısıyla alternatif solunum yolunda ATP sentezi ya hiç olmaz ya da çok az olur. Çünkü ETS’de elektron akışı sağlanamadığı için yeterli bir H+ pompalanması ve zar potansiyeli oluşmaz. Dolayısıyla solunumda açığa çıkan enerji ortama ısı enerjisi olarak dağılır.

---