Işığa bağlı tepkimeler

Deren odasındaki akvaryumun lambasını her sabah okula çıkmadan yakıyor. Bir cumartesi dipteki su bitkisinin önüne çömelip uzun süre bakınca ince yaprakların kenarından minik kabarcıkların koptuğunu, yukarı süzülüp yüzeyde kaybolduğunu fark ediyor. Ağabeyi Çağatay'a sesleniyor: «Lamba suyu ısıtmış, bitkinin dibinde su kaynıyor.» Çağatay camdaki termometreyi gösteriyor; sıcaklık her günkü gibi. «Kaynama değil. Bitki karbondioksit veriyor, bizim soluğumuzdan çıkan gaz.» Akşam lamba sönünce Deren tekrar bakıyor: kabarcıklar seyrelmiş, bir süre sonra hiç kalmamış. Ertesi sabah ışık yanınca yeniden başlıyorlar. Su ısınmadığına göre kaynama yok. Soluk alıp veren bir canlı da karbondioksidi gece gündüz verir, lambayı beklemez. Öyleyse bir düğme bitkinin içinde hangi olayı açıp kapatıyor, kabarcıkların gazı nereden geliyor?

• Işığa bağlı tepkimelerin kloroplastta nerede gerçekleştiğini, hangi maddeleri kullanıp hangi ürünleri verdiğini sıralarsın.
• Işığın uyardığı elektronun sudan NADP⁺'ye uzanan yolunu ve bu yolda oksijenin, H⁺ birikiminin ve ATP'nin nasıl ortaya çıktığını açıklarsın.
• Devirli ve devirsiz fotofosforilasyonu görev alan fotosistem, elektron kaynağı ve ürünler bakımından karşılaştırırsın.
• Su, NADP⁺ ya da ışık eksildiğinde hangi ürünlerin durup hangilerinin sürebileceğini öngörürsün.

Düğmenin açtığı yer

Deren'in gördüğü kabarcıklar, fotosentezin ışık gerektiren evresinin dışarıdan izlenebilen bir işaretidir. «Fotosentezin genel denklemi» dersi fotosentezi iki evreli bir harita olarak çizdi ve açığa çıkan oksijenin sudan geldiğini gösterdi. Bu derste haritanın ilk evresini açıyoruz: ışık enerjisi hangi basamaklardan geçerek ATP ve NADPH'ye dönüşüyor, oksijen bu sırada neden ortaya çıkıyor? Çağatay'ın söylediği gaz da bitkide gerçekten üretilir, ama hücresel solunumdan gelir ve ışığa bağlı değildir; lambayla açılıp kapanan, başka bir süreçtir.

Kloroplastın tilakoitlerini, granumlarını ve stromasını TYT'deki «Organeller II» dersinden tanıyoruz. Bu evrenin bütün aygıtı tilakoit zarına yerleşmiştir: ışığı toplayan pigment kümeleri, elektron taşıyan moleküller ve ATP yapan enzim. Zar iki bölmeyi birbirinden ayırır; bir yanda tilakoitin iç boşluğu, öbür yanda stroma kalır. Bu ayrımın neye yaradığı H⁺ iyonlarına geldiğimizde anlaşılacak.

Girdiler ve çıktılar

Işığa bağlı tepkimelerin yürümesi için şunlar gerekir: ışık; klorofil ve öteki pigmentler; elektron kaynağı olan su; ATP'nin hammaddesi olan ADP ile inorganik fosfat (Pi); elektronları en sonda kabul eden NADP⁺; enzimler ve tilakoit zarındaki elektron taşıma sistemi (ETS). Çıkan ürünler ATP, NADPH ve O₂'dir. Listede karbondioksit de glikoz da yok. CO₂ stromada, bir sonraki evrede kullanılır; organik molekül de orada kurulur. Bu evrenin işi, ışığın getirdiği enerjiyi hücrenin taşıyabileceği iki kimyasal biçime, ATP'ye ve NADPH'ye yüklemektir.

Fotosistem: anten ve tepkime merkezi

Tilakoit zarındaki pigmentler dağınık durmaz, fotosistem adı verilen kümeler oluşturur. Bir fotosistemin çoğunluğu anten pigmentleridir: klorofil a, klorofil b ve karotenoitler. Bu moleküller ışığı soğurur ve enerjiyi molekülden moleküle aktararak kümenin ortasına doğru iletir. Ortada tepkime merkezi bulunur; buradaki özel klorofil a molekülleri, toplanan enerjiyle elektron kaybedebilen tek yerdir. Anten bir huniye benzer: ışığı geniş bir yüzeyden toplar, tek noktaya akıtır.

Tilakoit zarında iki tür fotosistem çalışır: fotosistem I ve fotosistem II. Numaralar keşif sırasını gösterir, iş sırasını değil; elektron akışında önce fotosistem II görev alır. Fotosistem II'nin tepkime merkezi klorofili en iyi yaklaşık 680 nm dalga boyundaki ışığı soğurduğu için P680, fotosistem I'inki yaklaşık 700 nm'de en iyi soğurduğu için P700 diye anılır.

Uyarılan elektron yerinde durmaz

Enerji tepkime merkezine ulaştığında klorofil a'daki bir elektron yüksek enerji düzeyine çıkar ve molekülü terk eder. Onu ilk yakalayan birincil elektron alıcısıdır; elektron oradan zardaki taşıyıcı moleküllere geçer. Elektron taşıma sistemi denen bu dizide her taşıyıcı elektronu bir sonrakine verir ve elektron her adımda bir miktar enerji bırakır. Enerji bir anda boşalmaz, basamak basamak harcanır.

Elektron veren tepkime merkezi ise artık eksiktir. Bu boşluk doldurulmazsa fotosistem ikinci bir ışığa yanıt veremez ve akış durur.

Suyun ayrışması: eksik elektron nereden gelir?

Fotosistem II'nin eksik elektronunu su karşılar. Tilakoitin iç boşluğuna bakan yüzde bulunan bir enzim kompleksi su moleküllerini parçalar:

2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂

Denklem iki yönden denktir: iki tarafta da dört hidrojen ve iki oksijen atomu vardır; sağdaki dört artı yük ile dört eksi yük birbirini götürür. Suyun ışığın başlattığı bu ayrışmasına fotoliz denir. Elektronlar fotosistem II'ye geçer, H⁺ iyonları tilakoitin iç boşluğunda kalır. O₂'nin bir kısmı hücrenin kendi solunumunda harcanır, kalanı yapraktan dışarı yayılır. Bir O₂ molekülü için iki su molekülü ayrışır ve dört elektron açığa çıkar.

Bitkinin bu tepkimede aradığı oksijen değil, elektrondur; O₂ bir yan üründür. Deren'in yapraklarda gördüğü kabarcıkların fotosentezden gelen kısmı bu oksijendir. Lamba sönünce fotosistem uyarılmaz, eksik elektron oluşmaz, su da ayrışmaz.

H⁺ birikimi ve ATP sentaz

Fotosistem II'den çıkan elektron, taşıyıcılar üzerinden fotosistem I'e doğru ilerler. Bu yolda bıraktığı enerjinin bir kısmı, H⁺ iyonlarını stromadan tilakoitin iç boşluğuna pompalamakta kullanılır. Fotolizden gelen H⁺ da aynı boşluğa eklenir. Sonuçta iç boşluktaki H⁺ derişimi stromadakinden çok daha yüksek olur.

H⁺ iyonları zarı serbestçe geçemez; stromaya dönebilecekleri yol, ATP sentaz enziminin oluşturduğu kanaldır. İyonlar derişim farkı yönünde bu kanaldan akarken enzim ADP'ye bir fosfat ekler ve ATP kurulur. ATP'nin enerjisi ışıktan geldiği için bu üretime fotofosforilasyon denir; BY17'nin ilk dersi, ATP'nin üretim yollarını sıralarken bu türün adını koymuştu. Bir H⁺ derişim farkının ATP üretimine bağlanmasının adı kemiozmozdur. ATP sentazın ATP yapan kısmı stromaya baktığı için ATP doğrudan stromaya bırakılır.

Yolun sonu: NADP⁺

Fotosistem I de ışıkla uyarılır ve kendi elektronunu verir; ETS'den gelen elektron onun boşluğunu doldurur. Fotosistem I'den yeniden yükseltilmiş elektron kısa bir taşıyıcı zinciri geçtikten sonra zarın stromaya bakan yüzündeki bir enzime ulaşır. Orada NADP⁺ iki elektron ve bir H⁺ alarak NADPH'ye indirgenir. NADPH de böylece tilakoit zarında oluşur ve stromaya geçer. Bu evrenin iki taşıyıcı ürünü, ATP ve NADPH, stromadaki enzimlerin hemen yanına bırakılmış olur.

Elektronun bütün yolu tek yönlüdür: su → fotosistem II → ETS → fotosistem I → NADP⁺. Elektron çıktığı yere geri dönmez; bu yüzden bu akışa devirsiz denir ve bu akış sırasındaki ATP üretimi devirsiz fotofosforilasyondur. Bir O₂ molekülünü veren dört elektron bu yolu tamamlarsa iki NADPH oluşur.

Devirli fotofosforilasyon: yalnız fotosistem I

Elektronun ikinci bir yolu daha vardır. Fotosistem I'den çıkan elektron NADP⁺'ye gitmek yerine taşıyıcılar üzerinden ETS'ye döner ve sonunda yine fotosistem I'e ulaşır. Dönüş yolunda H⁺ pompalanır ve ATP sentaz ATP üretir, ama elektron hiçbir alıcıda kalmadığı için NADPH oluşmaz. Fotosistem II bu döngüye katılmaz, su ayrışmaz ve O₂ çıkmaz. Bu akış devirli fotofosforilasyondur. NADP⁺ azaldığında, yani stromada kullanılmayan NADPH biriktiğinde, elektronlar daha çok bu yola yönelir.

Lamba sönünce

Karanlıkta fotosistemler uyarılmaz; elektron akışı, suyun ayrışması, ATP ve NADPH üretimi aynı anda kesilir. Deren'in akşam gördüğü sessizlik budur: kabarcıkları besleyen fotoliz, lambayla birlikte durmuştur. Stromadaki evrenin ışığa dolaylı bağımlılığını «Fotosentezin genel denklemi» dersindeki haritada görmüştük; şimdi nedeni de belli. O evrenin elindeki tek enerji kaynağı tilakoitten gelen ATP ve NADPH olduğundan, stok tükenince karbon bağlanması da birkaç adım geriden yavaşlayıp durur.

Stromaya bırakılan ATP ve NADPH'nin nereye harcandığı sonraki dersin konusu. Calvin döngüsünde karbondioksitin bir organik moleküle bağlanmasını, bu iki ürünün döngünün hangi basamaklarında tüketildiğini ve döngünün kendini nasıl yeniden kurduğunu izleyeceğiz.

Örnek 1 — Girdi ve çıktı

Soru: Işığa bağlı tepkimelerin girdileri ve çıktıları için hangisi doğrudur?

• A) Girdi: CO₂ ve su; çıktı: glikoz ve O₂
• B) Girdi: O₂ ve NADPH; çıktı: su ve NADP⁺
• C) Girdi: su, ADP, Pi ve NADP⁺; çıktı: ATP, NADPH ve O₂
• D) Girdi: ATP ve NADPH; çıktı: glikoz
• E) Girdi: glikoz; çıktı: CO₂ ve ATP

Çözüm: Bu evre suyu elektron kaynağı olarak kullanır, ADP ile Pi'den ATP kurar ve NADP⁺'yi NADPH'ye indirger; yan ürünü O₂'dir. A fotosentezin genel denklemini tek evreye yüklüyor; CO₂ ve organik molekül stromadaki evreye aittir. B yönleri ters çeviriyor. D, ATP ve NADPH'yi kullanan stroma evresini anlatıyor. E hücresel solunuma benziyor. Cevap: C.

Örnek 2 — Hangi akış çalışıyor?

Soru: Varsayımsal bir deneyde ışık alan kloroplastlarda ATP oluştuğu, ancak O₂ çıkmadığı ve NADPH miktarının artmadığı gözleniyor. Bu kloroplastlarda hangi süreç çalışıyor olabilir?

• A) Devirsiz fotofosforilasyon
• B) Devirli fotofosforilasyon
• C) Yalnız suyun ayrışması
• D) Fotosistem II'nin tek başına elektron akışı
• E) Oksidatif fosforilasyon

Çözüm: ATP'nin olup NADPH ve O₂'nin olmaması, elektronun fotosistem I'den çıkıp yine fotosistem I'e döndüğü akışın tablosudur. Devirsiz akışta üç ürün birlikte çıkar. Su ayrışsaydı O₂ çıkardı. Fotosistem II'den gelen elektron NADP⁺'ye ulaşmak için fotosistem I'den geçmek zorundadır ve zaten su ayrıştırır. Oksidatif fosforilasyon mitokondride, solunumda görülür. Cevap: B.

Örnek 3 — Oksijenden geriye hesap

Soru: Devirsiz akışta çalışan varsayımsal bir kloroplast örneğinde 4 O₂ molekülü açığa çıkıyor ve bütün elektronlar NADP⁺'ye ulaşıyor. Ayrışan su molekülü ve oluşan NADPH sayısı hangisidir?

• A) su = 4, NADPH = 4
• B) su = 8, NADPH = 16
• C) su = 4, NADPH = 8
• D) su = 16, NADPH = 8
• E) su = 8, NADPH = 8

Çözüm: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂ denklemine göre her O₂ için iki su ayrışır ve dört elektron çıkar. 4 O₂ için 8 su ve 16 elektron eder. Her NADPH iki elektron aldığından 16 elektron 8 NADPH kurar. B elektron sayısını NADPH sayısı sanıyor; D elektron sayısını su sayısı yerine koyuyor; A ve C her O₂'ye bir su yazıyor. Cevap: E.

Örnek 4 — ATP sentazdan geçiş yönü

Soru: Işığa bağlı tepkimelerde H⁺ iyonlarının ATP sentazdan geçişi ve ATP'nin oluştuğu yer için hangisi doğrudur?

• A) H⁺ tilakoitin iç boşluğundan stromaya geçer; ATP stromaya bakan yüzde oluşup stromaya bırakılır.
• B) H⁺ stromadan iç boşluğa geçer; ATP iç boşlukta birikir.
• C) H⁺ hücre dışından kloroplasta girer; ATP sitoplazmada oluşur.
• D) H⁺ iç boşlukta sabit kalır; ATP doğrudan ışık fotonundan kurulur.
• E) H⁺ stromadan mitokondriye geçer; ATP mitokondride oluşur.

Çözüm: Fotoliz ve pompalama H⁺'yı tilakoitin iç boşluğunda biriktirir; iyonlar derişim farkı yönünde, yani dışarıya, stromaya akar. Enzimin ATP yapan kısmı stromaya baktığı için ATP orada serbest kalır. B pompalamanın yönünü ATP sentazdaki akışla karıştırıyor. D ışık enerjisinin ATP'ye ETS ve H⁺ farkı üzerinden aktarıldığını atlıyor. Cevap: A.

• Işığa bağlı tepkimelerde glikoz üretildiğini sanmak. Bu evrenin ürünleri ATP, NADPH ve O₂'dir; karbondioksidin organik moleküle bağlanması stromada gerçekleşir.
• NADPH'nin stromadaki döngüde üretildiğini düşünmek. NADPH tilakoit zarında, elektronların NADP⁺'ye aktarılmasıyla oluşur ve stromaya bırakılır; stromadaki evre onu üretmez, tüketir.
• Oksijeni karbondioksitten ya da glikozdan gelmiş saymak. Işıkla çıkan O₂, fotosistem II'nin elektron eksiğini kapatmak için ayrışan suyun yan ürünüdür.
• Devirli akışta da O₂ çıktığını ya da NADPH oluştuğunu yazmak. Devirli akışta yalnız fotosistem I çalışır, su ayrışmaz, ürün yalnız ATP'dir.
• Fotosistem numaralarını iş sırası sanmak. Devirsiz akışta elektron önce fotosistem II'den, sonra fotosistem I'den geçer; numara keşif sırasından gelir.
• Karanlıkta stromadaki evrenin sürekli çalıştığını düşünmek. O evre ATP ve NADPH stoku bitince durur; ışık onu dolaylı yoldan besler.