Calvin döngüsü

Efsun ödevine «Işıktan bağımsız tepkimeler» başlığını yazıp altına notunu düşüyor: «Bitki gündüz ışık toplar, şekeri geceleri karanlıkta yapar; adı da buradan geliyor.» Kalemi bırakınca yazın dayısı Ferhan'ın mobilya atölyesinde çalıştığı bir öğleden sonra aklına geliyor. Atölyenin köşesinde prize bağlı bir şarj istasyonu duruyordu. Montaj tezgâhındaki ustalar vidaları şarjlı matkaplarla sıkıyor, biten bataryayı istasyona bırakıp dolusunu alıyordu; tezgâhta prize takılı tek bir alet yoktu. O gün elektrik kesildi. Ustalar bir süre işi sürdürdü, sonra dolu batarya kalmayınca tezgâhta da iş durdu ve istasyonun önünde boş bataryalar birikti. Efsun notuna yeniden bakıyor. Prize hiç dokunmayan tezgâh kesintiden neden etkilendi? Bitkide şekeri kuran tepkimeler de böyle bir bataryaya bağlıysa karanlıkta ne kadar dayanır?

• Calvin döngüsünün üç evresini yeri, harcadığı moleküller ve ürünleriyle sıralarsın.
• Verilen tur, CO₂, ATP ya da glikoz sayısından öteki molekül sayılarını hesaplarsın.
• Işık ya da CO₂ kesildiğinde stromadaki RuBP ve PGA miktarının nasıl değiştiğini gerekçesiyle öngörürsün.
• «Işıktan bağımsız» adını iki evrenin karşılıklı bağımlılığıyla birlikte yorumlarsın.

Adın söylemediği şey

Efsun'un notundaki yanılgı adın kendisinden doğuyor. Fotosentezin ikinci kısmına «ışıktan bağımsız tepkimeler» denmesinin nedeni, bu kısımda ışık enerjisinin hiçbir basamakta doğrudan soğurulmamasıdır: klorofil burada iş görmez, ışığı yakalayan bir pigment de bulunmaz. Yine de bu tepkimelerin yakıtı, «Işığa bağlı tepkimeler» dersinde tilakoit zarında üretildiğini gördüğümüz ATP ve NADPH'dir. Bu iki molekül hücrede büyük stoklar hâlinde birikmez; üretildikçe harcanır. Işık kesilince eldekiler kısa sürede biter ve şeker yapımı da durur. Atölyedeki montaj tezgâhı prize bağlı olmadığı hâlde elektrik gidince durdu, çünkü bataryalar ancak prizdeki istasyonda doluyordu.

Doğada bu tepkimeler gündüz, ışığa bağlı tepkimelerle aynı saatlerde yürür. Gece kendiliğinden başlayan ya da karanlıkta hızlanan bir şeker yapımı yoktur. Evreyi yaptığı işle anmak bu yüzden daha az yanıltır: CO₂'yi organik moleküllere katan bu tepkime dizisi, karbonun yolunu radyoaktif karbonla izleyen Melvin Calvin ve çalışma arkadaşlarına atfen Calvin döngüsü adını taşır.

Döngünün çalıştığı yer

Bitki ve alg hücrelerinde Calvin döngüsü kloroplastın stromasında, tilakoitleri saran sıvı bölmede yürür. Kloroplastın iç düzeni «Organeller II» dersinden tanıdık: yassı keseler olan tilakoitler üst üste yığılarak granumları kurar, bu yığınların arasını da stroma doldurur. Işığa bağlı tepkimeler tilakoit zarında olur; zarın hemen dışındaki stroma ise bu tepkimelerin bıraktığı ATP ve NADPH'yi alıp kullanır. Kloroplastı bulunmayan siyanobakteriler gibi fotosentetik bakterilerde aynı tepkimeler sitoplazmada gerçekleşir.

Döngünün her basamağını ayrı bir enzim yürütür. «Enzimler» dersinde gördüğümüz özgüllük burada da geçerli: her enzim yalnız kendi substratına etki eder ve basamaklar belirli bir sırayla birbirini izler.

Birinci evre: karbonun yakalanması

Yaprağa gözeneklerden giren CO₂ stromaya ulaşınca beş karbonlu bir şekerle, RuBP (ribuloz bisfosfat) ile birleşir. Bu birleşmeyi rubisko (RuBP karboksilaz) enzimi hızlandırır. Ortaya altı karbonlu, kararsız bir ara bileşik çıkar ve bu bileşik hemen ikiye bölünerek iki tane üç karbonlu PGA (fosfogliserik asit) verir. Karbonlar korunur: beş artı bir altı eder, altı da üçle üçe ayrılır.

Bu evrede ne ATP ne NADPH harcanır. Havadaki inorganik karbon ilk kez bir organik molekülün iskeletine bu adımda katılır; olayın adı karbon bağlanması ya da karbon fiksasyonudur. Calvin'in çalışmalarında radyoaktif karbonlu CO₂ verilen alglerde etiketin kısa sürede ilk göründüğü kararlı molekülün PGA olması da bu sırayı doğrular.

İkinci evre: indirgenme

PGA henüz enerjice fakir bir moleküldür. Her PGA önce bir ATP'den fosfat alır, sonra bir NADPH'nin taşıdığı elektronları ve hidrojeni üstlenir; sonuçta PGAL (fosfogliseraldehit, kısaltması G3P olarak da geçer) oluşur. Elektron kazanan PGA indirgendiği için evreye indirgenme adı verilir. Bir PGA'nın PGAL'ye dönmesi bir ATP ile bir NADPH'ye mal olur.

Harcanan taşıyıcılar boşalmış hâlde kalır: ATP'den ADP ve fosfat (Pi), NADPH'den NADP⁺ oluşur. Bunlar tilakoit zarına döner ve ışığa bağlı tepkimelerde yeniden yüklenir. Atölyedeki boş bataryaların istasyona geri gitmesi bunun karşılığıdır.

Üçüncü evre: RuBP'nin yeniden kurulması

Oluşan PGAL'lerin çoğu döngüde kalır ve ATP harcanarak yeniden RuBP'ye çevrilir. Bu evrede NADPH kullanılmaz. RuBP yenilenmeseydi gelen CO₂'yi yakalayacak alıcı kalmaz, döngü birkaç turda tıkanırdı. Başlangıçtaki molekülün sonda yeniden ortaya çıkması tepkime dizisine «döngü» dedirten özelliktir.

Altı turun karbon defteri

Her turda bir RuBP bir CO₂ yakalar; yani bağlanan CO₂ sayısı tur sayısına eşittir. Glikoz altı karbonlu olduğundan bir glikozluk karbon altı turda toplanır. Altı turu bir arada izlemek hesabı kolaylaştırır:

Altı turun toplam bedeli 18 ATP ile 12 NADPH'dir. Tur başına düşünce her CO₂ için 3 ATP ile 2 NADPH harcanır. Döngüden net bir PGAL çıkması için üç karbon, yani üç tur gerekir; bunun bedeli 9 ATP ile 6 NADPH'dir. Tablodaki en sık hata, oluşan on iki PGAL'nin hepsini ürün saymaktır: on tanesi RuBP'yi yeniden kurmak için döngüde kalır, net ürün yalnız ikidir.

Soru hangi sayıyı verirse versin, önce tur sayısına git. CO₂ sayısı doğrudan tur sayısıdır; glikoz sayısı altıyla, net PGAL sayısı üçle çarpılınca tur sayısını verir. Tur sayısı bulunduktan sonra ATP için üçle, NADPH için ikiyle, oluşan PGA için yine ikiyle çarpmak yeter.

PGAL'den bitkinin bütün maddelerine

Ders kitaplarında döngüden çıkan iki PGAL'nin birleşerek bir glikoz kurduğu kabul edilir. Glikozdan bitkinin ihtiyacına göre farklı karbonhidratlar yapılır: «Karbonhidratlar» dersinde tanıdığımız nişasta kloroplastta depo olarak birikir, sakkaroz yapraktan kök, gövde ve meyvelere taşınır, selüloz hücre çeperine girer. PGAL yalnız şekerin hammaddesi olmakla kalmaz; yağ asitleri ve gliserol gibi yağ yapı taşlarının, kökten alınan azotun da katılmasıyla amino asitlerin karbon iskeletini sağlar. Böylece bir ağacın odunundaki, bir buğday tanesinin nişastasındaki karbon havadaki CO₂'den gelir ve stromadaki bu döngüden geçerek organik maddeye katılır.

Bu döngüyü kullananlar yalnız ışıkla beslenen canlılar da değildir. Enerjisini ışıktan değil inorganik maddelerin yükseltgenmesinden sağlayan bazı bakteriler CO₂'yi aynı döngüyle bağlar; bu canlılar «Kemosentez» dersinin konusu.

İki evre arasında gidip gelen taşıyıcılar

Fotosentezin iki kısmı tek yönlü bir boru hattı gibi değil, bir alışveriş gibi işler. Tilakoitten stromaya ATP ve NADPH gelir; stromadan tilakoide ADP, Pi ve NADP⁺ döner. Işık yoksa dolu taşıyıcı gelmez ve Calvin döngüsü durur. CO₂ yoksa döngü taşıyıcıları boşaltmaz; geri dönen NADP⁺ ve ADP azalınca tilakoitte doldurulacak boş taşıyıcı kalmaz ve ışığa bağlı tepkimeler de yavaşlar. Atölyede istasyon ancak geri getirilen boş bataryaları doldurabilirdi; tezgâh durunca istasyonun işi de kesilirdi.

Işık ya da CO₂ kesilince stromada ne birikir

Döngünün evreleri farklı şeylere muhtaç olduğu için bir girdinin kesilmesi ara moleküllerin miktarını dengesiz biçimde değiştirir. Hangi evrenin neye ihtiyaç duyduğunu bilmek yönleri bulmaya yeter.

Işık kapatılır, CO₂ verilmeye devam edilirse: bağlanma evresi ATP istemediği için eldeki RuBP bir süre daha CO₂ yakalar ve PGA üretilmeye devam eder. Oysa ATP ve NADPH bittiğinden PGA, PGAL'ye çevrilemez ve birikir. RuBP ise hem harcanır hem yenilenemez, bu yüzden azalır. Zamanı yatay, miktarı dikey eksende gösteren varsayımsal bir grafikte ışığın kapandığı andan sonra PGA eğrisi yükselir, RuBP eğrisi düşer.

Işık açık kalır, CO₂ kesilirse tablo tersine döner: bağlanma durur, RuBP harcanmaz. ATP bol olduğu için eldeki PGAL'ler RuBP'ye çevrilmeyi sürdürür ve RuBP birikir. Yeni PGA oluşmazken var olan PGA indirgenip tükendiğinden PGA azalır.

Işığın ya da CO₂'nin büsbütün kesilmesi uç durumlardır. Bir yaprağın gün içinde karşılaştığı ışık, CO₂ ve sıcaklık ise sürekli artıp azalır ve her biri fotosentezin ne kadar hızlı ilerleyeceğini sınırlayabilir. Sıradaki ders «Fotosentez hızı ve grafikler», bu etmenler değiştikçe hızın nasıl değiştiğini, belli bir anda hızı hangi etmenin sınırladığını ve bu ilişkilerin grafiklerden nasıl okunduğunu ele alıyor.

Örnek 1 — Atölye benzetmesinin karşılıkları

Soru: Kancadaki atölyede şarj istasyonu ışığa bağlı tepkimelere, montaj tezgâhı Calvin döngüsüne benzetiliyor. Bu benzetmede istasyonun önünde biriken boş bataryaların fotosentezdeki karşılığı hangisidir?

• A) CO₂ ve su
• B) ADP, Pi ve NADP⁺
• C) ATP ve NADPH
• D) RuBP ve PGA
• E) Glikoz ve O₂

Çözüm: Montaj tezgâhı dolu bataryayı kullanıp boşunu geri bırakıyordu. Calvin döngüsü de ATP ve NADPH'yi harcar, boşalmış hâllerini (ADP, Pi ve NADP⁺) tilakoide geri gönderir. C dolu bataryaların karşılığıdır, yani tersidir. D döngünün içinde kalan ara moleküllerdir, istasyona gitmez. A fotosentezin hammaddeleri, E ise ürünleridir; ikisi de taşıyıcı değildir. Cevap: B.

Örnek 2 — Üç glikozun bedeli

Soru: Bir yaprakta Calvin döngüsü 3 glikoz yapacak kadar karbon bağlıyor. Bu sırada bağlanan CO₂, harcanan ATP ve harcanan NADPH sayıları hangisidir?

• A) CO₂ = 3, ATP = 18, NADPH = 12
• B) CO₂ = 18, ATP = 36, NADPH = 54
• C) CO₂ = 6, ATP = 18, NADPH = 12
• D) CO₂ = 18, ATP = 54, NADPH = 36
• E) CO₂ = 18, ATP = 54, NADPH = 18

Çözüm: Her glikoz altı karbon, yani altı tur ister: 3 · 6 = 18 tur ve 18 CO₂. Her tur 3 ATP ile 2 NADPH harcar: 18 · 3 = 54 ATP, 18 · 2 = 36 NADPH. C yalnız bir glikozun bedelini yazıyor. A glikoz sayısını CO₂ sayısı sanıyor. B ATP ile NADPH'nin yerini değiştiriyor. E NADPH'yi tur başına bir tane sayıyor. Cevap: D.

Örnek 3 — Işık kapanınca stroma

Soru: Aydınlıkta, CO₂'li ortamda fotosentez yapan bir alg kültüründe ışık kapatılıyor; CO₂ verilmeye devam ediliyor. İlk dakikalarda stromadaki RuBP ve PGA miktarı için hangisi beklenir?

• A) PGA birikir, RuBP miktarı düşer.
• B) RuBP birikir, PGA miktarı düşer.
• C) İkisi de hemen sıfıra iner.
• D) İkisinin miktarı da artar.
• E) Işık Calvin döngüsünü etkilemediği için ikisi de değişmez.

Çözüm: CO₂'nin RuBP'ye bağlanması ATP istemez; eldeki RuBP harcanmayı sürdürür ve PGA üretilir. PGA'yı PGAL'ye çevirecek ATP ve NADPH ile RuBP'yi yenileyecek ATP ise tükenir. Sonuç: PGA yığılır, RuBP azalır. B, CO₂ kesildiğinde görülen tablodur. E adı yanlış okuyup döngünün ışık ürünlerine bağımlılığını atlıyor. C ve D, iki molekülün birbirine dönüştüğünü unutup ikisini aynı yöne sürüklüyor. Cevap: A.

Örnek 4 — Etiketli karbonun ilk durağı

Soru: Aydınlıktaki alglere birkaç saniyeliğine radyoaktif karbon içeren CO₂ veriliyor ve hücreler hemen öldürülüp inceleniyor. Radyoaktif karbonun ilk görüleceği kararlı molekül hangisidir?

• A) Glikoz
• B) RuBP
• C) PGA
• D) NADPH
• E) PGAL

Çözüm: CO₂ önce RuBP ile birleşir; oluşan altı karbonlu bileşik kararsızdır ve hemen iki PGA'ya bölünür. Bu yüzden etiket ilk olarak PGA'da kararlı biçimde görülür. B, CO₂'nin RuBP'nin içinde kaldığını sanıyor; RuBP etiketi ancak sonraki turlarda, yenilenme evresinden sonra taşır. E ve A daha sonraki basamakların ürünleridir. D karbon taşımaz, elektron taşır. Cevap: C.

• «Işıktan bağımsız» adını «karanlıkta gerçekleşir» diye okumak. Ad yalnız ışığın bu evrede doğrudan soğurulmadığını söyler. Döngü ışığa bağlı tepkimelerin ATP ve NADPH'sine muhtaçtır; doğada gündüz yürür, karanlıkta eldeki taşıyıcılar bitince durur.
• Calvin döngüsüne O₂ üretimi yazmak. Fotosentezde salınan O₂ tilakoitlerde suyun parçalanmasından gelir. Calvin döngüsü CO₂ bağlar, O₂ açığa çıkarmaz.
• Oluşan PGAL'nin hepsini ürün saymak. Altı turda on iki PGAL oluşur, ama on tanesi RuBP'yi yenilemek için döngüde kalır; glikoza giden net ürün iki PGAL'dir.
• NADPH'yi her evreye dağıtmak. Bağlanma enerji harcamaz, indirgenme ATP ile NADPH ister, RuBP'nin yenilenmesi yalnız ATP ister.
• Işık kesilmesinde yönleri ters çevirmek. Bağlanma ATP istemediği için karanlıkta da bir süre PGA üretilir; PGA birikir, RuBP azalır. CO₂ kesilince ise RuBP birikir, PGA azalır.