Fotosentez Reaksiyonları
Fotokimyasal reaksiyonlar büyük ölçüde sıcaklığa bağlı olarak olaylamr. Fotoğraf çekerken, filmin yaz veya kış mevsimlerinde aydınlatılmasının hiç önemi yoktur. Halbuki bağların parçalandığı veya bağlandığı biyokimyasal reaksiyolarda bu RST-kuralının (=reaksiyon sürati temperatürü) etkisindedir.
Bu kurala göre, 10 kelvinlik sıcaklık artışında reaksiyon sürati iki misli artar. Artan sıcaklıkla birlikte fotosentez işlevi de bir optimuma kadar yükselir. Bununla birlikte bu durum yüksek bir ışık kuvvetinde geçerlidir. Düşük ışıkta, sıcaklığın artışının hiçbir etkisi yoktur. Kuvvetli ve zayıf ışıkta fotosentezin farklı oluşu, fotosentezin bir fotokimyasal (sıcaklığa bağımsız) ve bir de biyokimyasal (sıcaklığa bağımlı) reaksiyon basamağından oluştuğunu gösterir. Fotokimyasal reaksiyonlarda PRİMER veya IŞIĞA BAĞIMLI REAKSİYON'lar, ikinci kısma SEKONDER veya IŞIĞA BAĞIMSIZ REAKSİYON "lar denir. Fotokimyasal reaksiyonlarda yapılan maddeler, biyokimyasal reaksiyonlarda işlenir. Kuvvetli ışıkta fotokimyasal reaksiyonlar yeterli miktarda madde üretir. Böylece sekonder reaksiyonlar için yeterince madde hazırlanmış olur. Reaksiyonun bütünü sıcaklığa bağımlıdır. Bununla birlikte zayıf ışıkta daha az madde üretilir. Sıcaklığın artması da fotosentez işlevinin artmasına etki etmeyebilir.
Fotosentez reaksiyonu
Redüksiyon Maddesinin Hazır Olması
Fotosentezin genel formülünden de görüleceği gibi, karbonhidratın H2'i sudan sağlanır. Yani su molekülleri parçalanmalıdır. Parçalanma, H+ ve OH- iyonlarının dissosiasyonu ile karıştırılmamalıdır. Onun yerine burada, kimyasal elektrolizle kar-şılaştırılabilen endergonik bir parçalanma söz konusudur. Elektrolizde su, elektrik enerjisi kullanılarak 02- ve H2+ gazlarına parçalanır. Fotosentezde suyun parçalanması için ışık enerjisi kullanılır. Bu nedenle suyun "FOTOLİZİ"nden söz edilir. Burada oksijen gazı da meydana gelir; ama moleküler H2 oluşmaz. Mekanizmada proton ve elektronlar farklı yollara girer. Yolların sonunda proton ve elektronlar H2 atomuna birleşir ve NADP+'yi NADPH + H+'ne indirger. NADPH + H+ fotosentezin gerçek redüksiyon maddesi olup, ışığa bağımlı olaylarda tekrar kullanılır . Fotolizde su parçalanması, ağır I80- izotopu ile kanıtlanabilir. İzotop, su molekülüne yüklenir ve fotosentezde izotopun yolu izlenir. Bu sadece dışarıya verilen 02'de bulunur.
Redüksiyon Enerjisinin Hazır Olması
Emilen ışık enerjisinin bir bölümü fotoliz ve NADP+ nin redüksiyonu ile bağlanır. Bunun yanında ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştüğü başka bir reaksiyon da olur. ATP redoks olayları sayesindeki bağlanma ile yapılabilir. ATP'nin ADP'den sentezi ve anorganik fosfat, bir fosforilasyondur. Fotosentezde ATP'nin yapımına FOTOFOSFORlLASYON denir.
Fotosentez Işık reaksiyonları
Redüksiyon Mekanizması
Işığa Bağımlı Reaksiyonlar
Gözlemlere Fotosistem H'deki reaksiyon merkezi P680 ile başlayalım: Rakamlarla verilen basamakları aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür: Işık enerjisi alınarak reaksiyon merkezi aktive edilir;
Aktive edilen durum *P680 olarak gösterilir. Aktivasyon durumu, bir elektronu komşu akseptora taşımaya energetik olarak yeterlidir. Bu, elektron alımı ile indirgenir. Bununla birlikte hemen tekrar okside olur. Burada bir elektron başka bir sisteme taşınır. Oksidasyon ve indirgenme durumu arasındaki sürekli değişim nedeni ile böyle bir moleküle REDOKS SİSTEMİ denir;
P680 tarafından verilen elektron, tam bir redoks sisteminin sahip olduğu zincir tarafından yer değiştirilir. Böyle bir düzene ELEKTRON NAKİL ZİNCİRİ denir. Zincir içinde sistemden sisteme elektron alımı için bir eğilim gittikçe artar. Elektronlar enerji düşüşünde aşağıya doğru göçer. Zincirin son redoks sistemi elektronu Fotosistem I'in P700'üne taşır, P580'nin ışıkla aktivasyonu ve elektron nakil zinciri üzerinden elektron göçü, P680'de bir elektron boşluğu yaratır. Bu boşluk su elektronları ile tekrar doldurulur. Su molekülleri dissosyasyonla proton (H+) ve hidroksiliyonlarına (OH-) ayrılır. Işık aktivasyonu ile Fotosistem H'de oluşan elektron boşluğu, daha henüz araştırılmamış redoks sistemlerinin katılımı ile bir elektron çekimi uygular. Böylece, hidroksil iyonlarından elektronlar ayrılır;
İyonlar boşalır ve moleküler oksijeni parçalayan hidroksil radikalleri oluşur. Yani ışık enerjisi kullanılarak su parçalanır. Bu olaya da FOTOLİZ denir.
Fotosistem II ve I arasındaki elektron nakil zincirinin son basamağı, Fotosistem I'deki P700 adlı reaksiyon merkezidir. P700 ancak bir elektron boşluğu varsa, elektron alabilir. Fotosistem IFde olduğu gibi bu reaksiyon merkezinde de ışık aktivasyonu ile böyle bir boşluk açılır, P700 ışık enerjisini emer ve aktive edilir;
aktive olan reaksiyon merkezi; demir içeren bir redoks sisteme, yani FERRODOXIN'e bir elektron verir,
ferrodoksin bu elektronu NADP+ ye taşır; aynı zamanda protonlar tepkir; ve NADP+, NADP+ + H+'e indirgenir; bu daha sonra ışığa bağımsız reaksiyonlara geçer.
Işıkta, hidroksil iyonlarından sürekli bir elektron akışı Fotosistem H'ye, oradan I'e ve nihayet NADP+'ye doğru olur. Bu elektron akışı enerji düşüşüne karşı olur, bunun aksi olmaz; çünkü o fotosistemlerin her iki motoru ile aktive edilir. Işık enerjisinin bir bölümü de fotofosforilasyonda ATP sentezinde kullanılır. Bunun için iki olasılık vardır: İlkinde ATP sentezi, Fotosistem II ve I arasındaki elektron nakil zincirine bağlanır. Buna ÇEVRIMSEL OLMAYAN FOTOFOSFORILASYON denir.
Bunun yanında muhtemelen ışığa bağımlı reaksiyonlarda enerji bağlanmasının başka bir şekli de vardır. Buna sadece Fotosistem I iştirak eder. Işık aktivasyonundan sonra elektronlar ferrodoksine akar; ama oradan NADP+'ye gidemeyip redoks sistemi kanalı ile P700'e geri döner. Bu esnada ATP yapılır. Bu durumda ÇEVRIMSEL FOTOFOSFORİLASYON'dan söz edilir. Burada NADP+'nin redüksiyonu ve su parçalanması olmaz.
Fotosistem Nedir Fotosistem 1-2
Fotosistem Nedir, Fotosistemler
Klorofil ve karonitoidlere sadece plastidlerde rastlanır. Bunlar fotokimyasal reaksiyon üniteleridir ve "renkmaddesi bütünü" veya "fotosistem" diye adlandırılır ve birarada bulunurlar. Kloroplastı tilakoid renk membranlarının içine yerleşen bu maddelerden her biri, 300 renk maddesi molekülünden oluşur.
Bir fotosistemdeki tüm renk maddesi molekülleri ışık enerjisini emer; ama buenerjiyi sistemde sadece bir tane aktif klorofil molekülü, gerçek fotosentez reaksiyonu için fotokimyasal olarak kullanır. Bu da "klorofil a "dır. Bu aktif klorofil molekülüne fotosistemin "TEPKİME (^REAKSİYON) Merkezi" denir. Fotosistemin diğer renk madde molekülleri, ışık enerjisinin yakalanıp reaksiyon merkezine nakline yarar. Fotosistem bir huni modeli olarak düşünülebilir Işık, en üstteki renk madde molekülüne isabet ederek, onu harekete geçirir. (Biyoteknoloji genetik mühendisliği)
Enerji buradan alttaki renk maddesi molekülüne taşınır ve tekrar iletilir. Bunu izleyen molekül, öncekine göre daha az aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu, çok az emilim farkına yol açar ve reaksiyon merkezine hedeflenen şekilde enerji naklini sağlar. Buna "IŞIK TOPLAMA TUZAĞI" denir. Böylece çok düşük miktarda ışık da yakalanabilir ve fotosentez kazancı artırılır. Işık enerjisini emen ve emilen enerjiyi reaksiyon merkezine taşıyan renk maddesine "ANTEN PİGMENTİ" denir. (fotosistem 1)
Işık toplama tuzağı modeline göre reaksiyon merkezi, huninin tabanında bulunur. Krolofil-a molekülü
protein molekülüne bağlanması ile diğer klorofil moleküllerinden ayrılır. Bağ emilmeyi etkiler ve kırmızı renk bölümündeki maksimum emilmeyi belirler. İki farklı fotosistem vardır. Bunlardan " Fotositem I" reaksiyon merkezi olarak maksimum emilmenin 700 nm olduğu bir klorofil-a protein kompleksi içerir. Bu nedenle buna "P700" denir. Fotosistem II "P680" emilim maksimumunun 680 nm olduğu bir klorofil-a protein kompleksi içerir. (fotosistem 2)
Dalga boyu 500-550 nm arasındaki yeşil ışık, klorofil tarafından emilemez. Etki tayfı, bu dalgaboyu basamaklarında bile, fotosentezin yüksek olduğunu gösterir. Burada aslında, karotinoidler enerjiyi emer ve klorofile taşır. Böylece bu ışık enerjilerinden yararlanılır ve spektrumun fotosentetik olarak etkisiz olduğu "yeşil boşluğu" denen kısmı oldukça daralır.
Klorofil ve karonitoidlere sadece plastidlerde rastlanır. Bunlar fotokimyasal reaksiyon üniteleridir ve "renkmaddesi bütünü" veya "fotosistem" diye adlandırılır ve birarada bulunurlar. Kloroplastı tilakoid renk membranlarının içine yerleşen bu maddelerden her biri, 300 renk maddesi molekülünden oluşur.
Bir fotosistemdeki tüm renk maddesi molekülleri ışık enerjisini emer; ama buenerjiyi sistemde sadece bir tane aktif klorofil molekülü, gerçek fotosentez reaksiyonu için fotokimyasal olarak kullanır. Bu da "klorofil a "dır. Bu aktif klorofil molekülüne fotosistemin "TEPKİME (^REAKSİYON) Merkezi" denir. Fotosistemin diğer renk madde molekülleri, ışık enerjisinin yakalanıp reaksiyon merkezine nakline yarar. Fotosistem bir huni modeli olarak düşünülebilir Işık, en üstteki renk madde molekülüne isabet ederek, onu harekete geçirir. (Biyoteknoloji genetik mühendisliği)
Enerji buradan alttaki renk maddesi molekülüne taşınır ve tekrar iletilir. Bunu izleyen molekül, öncekine göre daha az aktivasyon enerjisine sahiptir. Bu, çok az emilim farkına yol açar ve reaksiyon merkezine hedeflenen şekilde enerji naklini sağlar. Buna "IŞIK TOPLAMA TUZAĞI" denir. Böylece çok düşük miktarda ışık da yakalanabilir ve fotosentez kazancı artırılır. Işık enerjisini emen ve emilen enerjiyi reaksiyon merkezine taşıyan renk maddesine "ANTEN PİGMENTİ" denir. (fotosistem 1)
Işık toplama tuzağı modeline göre reaksiyon merkezi, huninin tabanında bulunur. Krolofil-a molekülü
protein molekülüne bağlanması ile diğer klorofil moleküllerinden ayrılır. Bağ emilmeyi etkiler ve kırmızı renk bölümündeki maksimum emilmeyi belirler. İki farklı fotosistem vardır. Bunlardan " Fotositem I" reaksiyon merkezi olarak maksimum emilmenin 700 nm olduğu bir klorofil-a protein kompleksi içerir. Bu nedenle buna "P700" denir. Fotosistem II "P680" emilim maksimumunun 680 nm olduğu bir klorofil-a protein kompleksi içerir. (fotosistem 2)
Dalga boyu 500-550 nm arasındaki yeşil ışık, klorofil tarafından emilemez. Etki tayfı, bu dalgaboyu basamaklarında bile, fotosentezin yüksek olduğunu gösterir. Burada aslında, karotinoidler enerjiyi emer ve klorofile taşır. Böylece bu ışık enerjilerinden yararlanılır ve spektrumun fotosentetik olarak etkisiz olduğu "yeşil boşluğu" denen kısmı oldukça daralır.
Fotosentez Olayi Nasil Olur?
Fotosentez Olayı Nasıl Gerçekleşir
Fotosentezde C02 ve H20'dan, bir karbonhidrat olan üzüm şekeri (=glikoz) yapılır. Bunun gerçekleşmesi güneş enerjisi ve klorofil maddesinin varlığı ile mümkündür. Yerküre güneşten her saat l,53xl017 kcal (1 kcal=4,186 kilojoule, kJ= l,163xl0~3 kilowatt saat) güneş enerjisi alır. Bunun % 30'u tekrar atmosfere geri döner (=planet Albedosu). Diğer bir kısmını da atmosfer emer ve sadece % 45'i yeryüzüne iner.
Yerküreye gelen ışığın dalga boyu 400-750 nm'dir. Bu da fotosentezde kullanılmaya elverişlidir. İnsanların kullandıkları yıllık enerji, yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin ancak % 0,008'dir (=5xl016 kcal). Yerküreye inen ışık enerjisinin ancak % 0,12'si yeryüzünde kullanılır. Her yıl fotosentezle 6,9xl017 kcal'lik bitkisel kuru madde depolanır. 1 kg kuru madde sentezi için kültür bitkileri 300-800 kg su buharlaştırır. Bir hektar (=10000 m2) lık tahıl tarlasında bir vejetasyon döneminde 10 ton biyokütle (bunun 4-5 tonu buğday danesidir) elde edilir. Bunun içinde 3-4 milyon litre su kullanılır. İm2 lik kayın yaprağının bir yüzünde günde 10 gr karbonhidrat üretilir. Bir soya fasulyesinde 18, mısırda 24 gr. kuru ağırlık artışı/m2 x gündür. Karbonhidrat ve 02 üretiminin tüm canlılar ve özellikle insan için önemi çoktur. Bir insan yılda 1 milyon kcal'yi besin maddesinden almak durumunda olup, bu da 250 kg karbonhidrata eşdeğerdir. Yani yeryüzünde üretilen ürün, enerji olarak düşünülürse l,4xl09/0,25=5,6 milyar insana yetebilir. Bu ise bitkilerin ve doğal alanların bozulmadan korunmasına bağlıdır.
Karbonhidratlar genel formülleri (CH20)n olan bileşiklerdir. Karbonhidrat C02'e göre daha az 02 içerir; ama ayrıca H'7'e de sahiptir. Kimyasal olarak değerlendirilirse, fotosentez bir "indirgeme" dir. Bunun bir indirgenme (=redüksiyon) olayı olup olmadığına, bazı sorular sorarak karar verebiliriz. Şöyle ki:
a) Bir indirgenme olayının redüksiyon maddesine ihtiyacı vardır. Bu nereden karşılanacaktır?
b) Redüksiyon olayı endergoniktir, yani bunun için bir redüksiyon enerjisi gerekir. Bu enerji nasıl sağlanacaktır?
c) Redüksiyon hücrede bazı yapılara bağlı olmalıdır ve bozuklukların olmaması için belli bir mekanizmaya göre işlemelidir. Bu nerede ve hangi mekanizmaya göre olacaktır.Klorofile, sadece fotosistemlerde, kloroplast membranında rastlanır. Böylece ışık emilmesi ve ona bağlı fotokimyasal reaksiyonların tilakoidlerde olacağı anlaşılır. Buna biyokimyasal reaksiyonlar da katılır; bunlar tilakoidlerin ara bölgelerinde yani "STROMA'larda olaylanır.
Fotosentezde C02 ve H20'dan, bir karbonhidrat olan üzüm şekeri (=glikoz) yapılır. Bunun gerçekleşmesi güneş enerjisi ve klorofil maddesinin varlığı ile mümkündür. Yerküre güneşten her saat l,53xl017 kcal (1 kcal=4,186 kilojoule, kJ= l,163xl0~3 kilowatt saat) güneş enerjisi alır. Bunun % 30'u tekrar atmosfere geri döner (=planet Albedosu). Diğer bir kısmını da atmosfer emer ve sadece % 45'i yeryüzüne iner.
Yerküreye gelen ışığın dalga boyu 400-750 nm'dir. Bu da fotosentezde kullanılmaya elverişlidir. İnsanların kullandıkları yıllık enerji, yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin ancak % 0,008'dir (=5xl016 kcal). Yerküreye inen ışık enerjisinin ancak % 0,12'si yeryüzünde kullanılır. Her yıl fotosentezle 6,9xl017 kcal'lik bitkisel kuru madde depolanır. 1 kg kuru madde sentezi için kültür bitkileri 300-800 kg su buharlaştırır. Bir hektar (=10000 m2) lık tahıl tarlasında bir vejetasyon döneminde 10 ton biyokütle (bunun 4-5 tonu buğday danesidir) elde edilir. Bunun içinde 3-4 milyon litre su kullanılır. İm2 lik kayın yaprağının bir yüzünde günde 10 gr karbonhidrat üretilir. Bir soya fasulyesinde 18, mısırda 24 gr. kuru ağırlık artışı/m2 x gündür. Karbonhidrat ve 02 üretiminin tüm canlılar ve özellikle insan için önemi çoktur. Bir insan yılda 1 milyon kcal'yi besin maddesinden almak durumunda olup, bu da 250 kg karbonhidrata eşdeğerdir. Yani yeryüzünde üretilen ürün, enerji olarak düşünülürse l,4xl09/0,25=5,6 milyar insana yetebilir. Bu ise bitkilerin ve doğal alanların bozulmadan korunmasına bağlıdır.
Karbonhidratlar genel formülleri (CH20)n olan bileşiklerdir. Karbonhidrat C02'e göre daha az 02 içerir; ama ayrıca H'7'e de sahiptir. Kimyasal olarak değerlendirilirse, fotosentez bir "indirgeme" dir. Bunun bir indirgenme (=redüksiyon) olayı olup olmadığına, bazı sorular sorarak karar verebiliriz. Şöyle ki:
a) Bir indirgenme olayının redüksiyon maddesine ihtiyacı vardır. Bu nereden karşılanacaktır?
b) Redüksiyon olayı endergoniktir, yani bunun için bir redüksiyon enerjisi gerekir. Bu enerji nasıl sağlanacaktır?
c) Redüksiyon hücrede bazı yapılara bağlı olmalıdır ve bozuklukların olmaması için belli bir mekanizmaya göre işlemelidir. Bu nerede ve hangi mekanizmaya göre olacaktır.Klorofile, sadece fotosistemlerde, kloroplast membranında rastlanır. Böylece ışık emilmesi ve ona bağlı fotokimyasal reaksiyonların tilakoidlerde olacağı anlaşılır. Buna biyokimyasal reaksiyonlar da katılır; bunlar tilakoidlerin ara bölgelerinde yani "STROMA'larda olaylanır.
C4 Bitkileri
C4 Bitkileri
Mısır, Orta Amerika kökenli bir bitkidir. Çavdar ve buğdaya göre yüksek sıcaklık, kuraklık ve kuvvetli ışıkta daha çabuk büyür ve daha çok madde üretir. Bu durum C02'in özel bir şekilde ve etkin olarak işlenmesine bağlıdır. C02, mısır veya trop ve subtrop kökenli birçok bitkide, önce "fosfofenol pirüvik asit" adlı 3C-atomlu bir akseptöre birikir. Daha sonra 4C-atomlu MALİK ASİT oluşur. Bu nedenle C4 bitkilerinden sözedilir. Diğer yeşil bitkilerde C02, Ribulose-1,5-bisfosfat'a birikir ve C3'ün ilk statik ürünü olan FOSFOGLİSERİK ASİDİ oluşturur. Bu nedenle bu bitkilere C3-bitkisi denir.
C4 Bitkileri Nelerdir
C3 ve C4 bitkilerinin yaprak iç dokularının anatomik yapıları farklıdır. C3-bitkilerinde iletim demetleri, demet kılıf hücrelerinin oluşturduğu bir yaka tarafından sarılır ve bunların kloroplastları sadece az miktarda Granatilokoidi taşır. İletim demetlerini saran örtünün etrafında normal klorofilli MEZOFİL HÜCRELERİ yer alır. Mezofil hücrelerinin kloroplastlarında C09'in akseptöre bağlanması gerçekleşir. Üretilen malik asit buradan iletim demeti örtü hücrelerine iletilir ve orada akseptör ve C09'de parçalanır ve daha sonra da CALVIN çevriminde tekrar işlenir.
C4 Bitki
C4 bitkilerinin fotosentezi, doğal yetişme alanlarının koşulları altında, Cybit-kilerinkine göre, daha etkilidir. Bu yüzden de özellikle kurak ve sıcak bölgelerde C4-bitkileri yaşar. Bütün bitkilerin stoma açıklığı kurak hava koşullarında tamamen kapanır. Böylece buharlaşma azalır. Ama bu durumda da alınan C02 miktarı azalır. C4-bitkileri aldıkları bu düşük miktarı çok iyi kullanmak zorundadır. Çünkü onların akseptörü C3-bitkilerinkine göre CO?'i daha kolayca bağlar. Bu yüzden de C4-bitkileri, solunum veya diğer metabolik olaylarda serbestleşen C02'i kaybetmez.
Mısır, Orta Amerika kökenli bir bitkidir. Çavdar ve buğdaya göre yüksek sıcaklık, kuraklık ve kuvvetli ışıkta daha çabuk büyür ve daha çok madde üretir. Bu durum C02'in özel bir şekilde ve etkin olarak işlenmesine bağlıdır. C02, mısır veya trop ve subtrop kökenli birçok bitkide, önce "fosfofenol pirüvik asit" adlı 3C-atomlu bir akseptöre birikir. Daha sonra 4C-atomlu MALİK ASİT oluşur. Bu nedenle C4 bitkilerinden sözedilir. Diğer yeşil bitkilerde C02, Ribulose-1,5-bisfosfat'a birikir ve C3'ün ilk statik ürünü olan FOSFOGLİSERİK ASİDİ oluşturur. Bu nedenle bu bitkilere C3-bitkisi denir.
C4 Bitkileri Nelerdir
C3 ve C4 bitkilerinin yaprak iç dokularının anatomik yapıları farklıdır. C3-bitkilerinde iletim demetleri, demet kılıf hücrelerinin oluşturduğu bir yaka tarafından sarılır ve bunların kloroplastları sadece az miktarda Granatilokoidi taşır. İletim demetlerini saran örtünün etrafında normal klorofilli MEZOFİL HÜCRELERİ yer alır. Mezofil hücrelerinin kloroplastlarında C09'in akseptöre bağlanması gerçekleşir. Üretilen malik asit buradan iletim demeti örtü hücrelerine iletilir ve orada akseptör ve C09'de parçalanır ve daha sonra da CALVIN çevriminde tekrar işlenir.
C4 Bitki
C4 bitkilerinin fotosentezi, doğal yetişme alanlarının koşulları altında, Cybit-kilerinkine göre, daha etkilidir. Bu yüzden de özellikle kurak ve sıcak bölgelerde C4-bitkileri yaşar. Bütün bitkilerin stoma açıklığı kurak hava koşullarında tamamen kapanır. Böylece buharlaşma azalır. Ama bu durumda da alınan C02 miktarı azalır. C4-bitkileri aldıkları bu düşük miktarı çok iyi kullanmak zorundadır. Çünkü onların akseptörü C3-bitkilerinkine göre CO?'i daha kolayca bağlar. Bu yüzden de C4-bitkileri, solunum veya diğer metabolik olaylarda serbestleşen C02'i kaybetmez.
Ototrof Bakteriler ve Arke Bakterileri
Ototrof Bakteriler
Bakterilerin çoğu heterotrof (=adrıbeslek)tur. Bazı bakteriler ise fotosentez yapabilir. Bunlar FOTOOTOTROF'tur.
Bunlar da bitkiler gibi klorofil taşır. Mavi-yeşil "SİYANO BAKTERİLER" klorofil-a'ya sahiptir. Diğer fotoototrof bakteriler ışık enerjisini bir BAKTERİ KLOROFİLİ ile emerler. Bu klorofilin kimyasal yapısı yeşil bitki klorofili ile bazı farklar gösterir.
Birçok fotoototrof bakteri yeşil değildir. Bakteri klorofilinin yeşil rengi burada aksesorik pigmentle birikir. Örneğin mor bakterilerin kırmızı veya kahverengi, karotinoidlere bağlıdır. Siyano bakterileri de mavi renkli FİKOSİYANİN gibi renk maddeleri içerir.
Ototrof Bakteri
Bakterilerin kloroplastları olmadığından renk maddesi plazmadaki tilakoidlerde bulunur. Buna rağmen siyanobakterilerin fotosentez mekanizması yeşil bitkilerinki ile büyük benzerlik gösterir. Bununla birlikte diğer fotoototrof bakterilerinkine göre önemli bir fark vardır. Fotolizde su değil H2S parçalanır. Ürün olarak mor kükürt bakterilerindeki gibi oksijen gazı değil de kükürt oluşur. Karbonhidrat sentezi CALVIN çevrimi üzerinden gerçekleşir.
Arke Bakterileri
Birkaç yıldan beri volkanik kaynak sularında çok ilginç bakteri grupları bulundu. Pyrodictium occultum gibi bu bakterilerin hem metabolizmalarında, hem de hücre yapısındaki gibi strukturlarında farklılıklar görülür. Bu bakterilerin çoğu C02 ve H20'dan metan gazı üretir. Bu bakterilerin, atmosferde 02'in olmadığı; ama C02 ve H2'in çok olduğu 3 milyar yıl önce oluştukları tahmin edilir. Bunlara ARKE BAKTERİLERİ denir.
Kemosentez ve arke bakteri
Bazı renksiz bakteriler ışık enerjisi olmadan ototrof yaşayabilir. Enerji kaynağı olarak N, S ve Fe bileşikleri gibi anorganik maddelerin oksidasyonunu kullanırlar. Enerjinin bu şekilde sağlanması nedeni ile bunlara KEMOOTOTROF denir.
Oksidasyonda anorganik bileşiklerin elektronu alınır. Bunlar sayesinde NAD koenzimi, NADH + H+'a indirgenir. Elektronların bir diğer kısmı da ATP sentezinde kullanılır. NADH + H+ ve ATP ile C02 indirgenir. Karbonhidrat sentezi ise CALVIN çevriminde gerçekleşir.
Bakterilerin çoğu heterotrof (=adrıbeslek)tur. Bazı bakteriler ise fotosentez yapabilir. Bunlar FOTOOTOTROF'tur.
Bunlar da bitkiler gibi klorofil taşır. Mavi-yeşil "SİYANO BAKTERİLER" klorofil-a'ya sahiptir. Diğer fotoototrof bakteriler ışık enerjisini bir BAKTERİ KLOROFİLİ ile emerler. Bu klorofilin kimyasal yapısı yeşil bitki klorofili ile bazı farklar gösterir.
Birçok fotoototrof bakteri yeşil değildir. Bakteri klorofilinin yeşil rengi burada aksesorik pigmentle birikir. Örneğin mor bakterilerin kırmızı veya kahverengi, karotinoidlere bağlıdır. Siyano bakterileri de mavi renkli FİKOSİYANİN gibi renk maddeleri içerir.
Ototrof Bakteri
Bakterilerin kloroplastları olmadığından renk maddesi plazmadaki tilakoidlerde bulunur. Buna rağmen siyanobakterilerin fotosentez mekanizması yeşil bitkilerinki ile büyük benzerlik gösterir. Bununla birlikte diğer fotoototrof bakterilerinkine göre önemli bir fark vardır. Fotolizde su değil H2S parçalanır. Ürün olarak mor kükürt bakterilerindeki gibi oksijen gazı değil de kükürt oluşur. Karbonhidrat sentezi CALVIN çevrimi üzerinden gerçekleşir.
Arke Bakterileri
Birkaç yıldan beri volkanik kaynak sularında çok ilginç bakteri grupları bulundu. Pyrodictium occultum gibi bu bakterilerin hem metabolizmalarında, hem de hücre yapısındaki gibi strukturlarında farklılıklar görülür. Bu bakterilerin çoğu C02 ve H20'dan metan gazı üretir. Bu bakterilerin, atmosferde 02'in olmadığı; ama C02 ve H2'in çok olduğu 3 milyar yıl önce oluştukları tahmin edilir. Bunlara ARKE BAKTERİLERİ denir.
Kemosentez ve arke bakteri
Bazı renksiz bakteriler ışık enerjisi olmadan ototrof yaşayabilir. Enerji kaynağı olarak N, S ve Fe bileşikleri gibi anorganik maddelerin oksidasyonunu kullanırlar. Enerjinin bu şekilde sağlanması nedeni ile bunlara KEMOOTOTROF denir.
Oksidasyonda anorganik bileşiklerin elektronu alınır. Bunlar sayesinde NAD koenzimi, NADH + H+'a indirgenir. Elektronların bir diğer kısmı da ATP sentezinde kullanılır. NADH + H+ ve ATP ile C02 indirgenir. Karbonhidrat sentezi ise CALVIN çevriminde gerçekleşir.
Biyoteknoloji Nedir
Biyoteknoloji Nedir
Eski Bir Teknik Olarak Biyoteknoloji Genetik
Bundan 8000 yıl önce SÜMER ve BABİLLİLER bira gibi alkollü içkileri yapabiliyorlardı. Mısırlılar bundan 6000 yıl önce hamur mayası kullanarak, ekmek yapmayı biliyordu.
LOUIS PASTEUR mayalanmanın belli bazı mikroorganizmaların işi olduğunu keşfetti. PASTEUR, araştırmalarında aerob ve anaerob mikroorganizmaların varlığını ortaya koydu. BUCHNER 1897'de parçalanmış maya hücrelerinin alkolik mayalanma yaptığını buldu. Daha sonra mayalanma olayını gerçekleştiren biyokatalizörlerin bir nevi enzim olduğu anlaşıldı. Bu bulgu mayalanmanın anlaşılması için ilk bilimsel temeli oluşturdu.
Genetik ve Biyoteknoloji
AGAR (=BESI EKITI) KÜLTÜRÜNDEN ÜZÜM FERMENTASYONUNA DOĞRU GELİŞME
Mikrobiyolojik ve biyokimyasal bilgileri endüstride kullanmak için, mikroorganizmaların kitle üretimi ve onların metabolik ürünlerinin ekonomik olmasını sağlayan yöntemler geliştirildi. Bütün yöntemlerin temel bir şeması vardır.
Mikroorganizmaların Seçimi ve biyo teknoloji
Endüstride kullanılabilecek susun seçimi ve üretimine "SCREENING" denir. Büyük üretim kazanları için önemli miktarlarda mikroorganizmaya gereksinim vardır. Bunlar önce besi agarındaki hücre kolonilerinden elde edilir. Bunun akabinde hücre kolonileri adım adım, çalkalama kültürüne aktarılır ve son olarak büyük kaplara konur. Bunlara "BİYOREAKTÖR" veya "ÜRETİM FERMENTERİ" denir. Fermentasyon sistemi ve besi ortamı steril olmalıdır.
Biyoteknoloji uygulamaları
Mikroorganizmaları Biyoteknolojide Bu Kadar Önemli Yapan Nedir?
Mikroorganizmalar insanların kullanabileceği maddeleri üretir. Bu maddelere enzim, vitamin, organik asit ve antibiyotikler girer. Biyoteknolojide bakteri, mantar ve bira mayası ekonomik olarak kullanılır.
Büyük olmayışı nedeniyle mikroorganizmalar hacimlerine oranla önemli bir yüzeye sahiptir. Böylece besin maddeleri hücre içine, metabolik ürünler ise derhal dışına nakledilir. Mikroorganizmalar çok çabuk büyür ve çoğalırlar. Mikroorganizmaların özellikle maya yapanları, düşük enerji elde etmeleri nedeniyle, büyük miktarda besin maddesini dönüştürürler. Bu sayede bunlar insanın ekonomik olarak kullanacağı önemli miktarda metabolik ürün salgılar. Solunum yapanlar ise özel besi ortamı veya genetik müdahalelerle, ekonomik olarak kullanılan metabolik maddeyi üretmede kullanılır.
Biyoteknolojik Üretim Yöntemleri ve Biyoteknoloji çalışmaları
Bira ve şarap üretiminin klasik metodları yanında, yeni bilgiler ışığı altında devamlı yeni biyoteknolojik yöntemler geliştirilmektedir. Böylece sırf kimyasal sentezle hiç ilişkisi olmayan veya yalnız büyük masraflarla üretilebilecek maddeler elde edilir.
Biyoprotein Üretimi
insan yaşamı için önemli olan aminoasitlerin sağlanmasında, protein gereksiniminin 1/3'ünün hayvansal kökenli olması lazımdır. Bu ihtiyaç, özellikle açlığın kolgezdiği bölgelerde hiç karşılanamaz. Büyük ölçüde artan protein açığını kapamak için protein içeren biyomas, mikroorganizmalar şeklinde üretilir. Hammadde olarak melas, yağı alınmış peynir veya süt ve sülfit hidroksit gibi atık maddeler, metan, parafin veya alkol kullanılır. Özellikle gelişmiş bir yöntemde substrat (=madde) olarak "METANOL"dan, bakteri susu diye de Methylomonas chlara'dan yararlanılır.
Substratın yarısına yakın kısmını bakteriler enerji kazanımında kullanır. Diğer yarısı, Methylomonas'm ortamdaki tuzları da değerlendirip % 80'inin biyoproteinden oluştuğu biyomas sentezinde kullanılır. Bu, tek hücre proteini veya "SINGL CELL PROTEIN"i diye adlandırılır.
Eski Bir Teknik Olarak Biyoteknoloji Genetik
Bundan 8000 yıl önce SÜMER ve BABİLLİLER bira gibi alkollü içkileri yapabiliyorlardı. Mısırlılar bundan 6000 yıl önce hamur mayası kullanarak, ekmek yapmayı biliyordu.
LOUIS PASTEUR mayalanmanın belli bazı mikroorganizmaların işi olduğunu keşfetti. PASTEUR, araştırmalarında aerob ve anaerob mikroorganizmaların varlığını ortaya koydu. BUCHNER 1897'de parçalanmış maya hücrelerinin alkolik mayalanma yaptığını buldu. Daha sonra mayalanma olayını gerçekleştiren biyokatalizörlerin bir nevi enzim olduğu anlaşıldı. Bu bulgu mayalanmanın anlaşılması için ilk bilimsel temeli oluşturdu.
Genetik ve Biyoteknoloji
AGAR (=BESI EKITI) KÜLTÜRÜNDEN ÜZÜM FERMENTASYONUNA DOĞRU GELİŞME
Mikrobiyolojik ve biyokimyasal bilgileri endüstride kullanmak için, mikroorganizmaların kitle üretimi ve onların metabolik ürünlerinin ekonomik olmasını sağlayan yöntemler geliştirildi. Bütün yöntemlerin temel bir şeması vardır.
Mikroorganizmaların Seçimi ve biyo teknoloji
Endüstride kullanılabilecek susun seçimi ve üretimine "SCREENING" denir. Büyük üretim kazanları için önemli miktarlarda mikroorganizmaya gereksinim vardır. Bunlar önce besi agarındaki hücre kolonilerinden elde edilir. Bunun akabinde hücre kolonileri adım adım, çalkalama kültürüne aktarılır ve son olarak büyük kaplara konur. Bunlara "BİYOREAKTÖR" veya "ÜRETİM FERMENTERİ" denir. Fermentasyon sistemi ve besi ortamı steril olmalıdır.
Biyoteknoloji uygulamaları
Mikroorganizmaları Biyoteknolojide Bu Kadar Önemli Yapan Nedir?
Mikroorganizmalar insanların kullanabileceği maddeleri üretir. Bu maddelere enzim, vitamin, organik asit ve antibiyotikler girer. Biyoteknolojide bakteri, mantar ve bira mayası ekonomik olarak kullanılır.
Büyük olmayışı nedeniyle mikroorganizmalar hacimlerine oranla önemli bir yüzeye sahiptir. Böylece besin maddeleri hücre içine, metabolik ürünler ise derhal dışına nakledilir. Mikroorganizmalar çok çabuk büyür ve çoğalırlar. Mikroorganizmaların özellikle maya yapanları, düşük enerji elde etmeleri nedeniyle, büyük miktarda besin maddesini dönüştürürler. Bu sayede bunlar insanın ekonomik olarak kullanacağı önemli miktarda metabolik ürün salgılar. Solunum yapanlar ise özel besi ortamı veya genetik müdahalelerle, ekonomik olarak kullanılan metabolik maddeyi üretmede kullanılır.
Biyoteknolojik Üretim Yöntemleri ve Biyoteknoloji çalışmaları
Bira ve şarap üretiminin klasik metodları yanında, yeni bilgiler ışığı altında devamlı yeni biyoteknolojik yöntemler geliştirilmektedir. Böylece sırf kimyasal sentezle hiç ilişkisi olmayan veya yalnız büyük masraflarla üretilebilecek maddeler elde edilir.
Biyoprotein Üretimi
insan yaşamı için önemli olan aminoasitlerin sağlanmasında, protein gereksiniminin 1/3'ünün hayvansal kökenli olması lazımdır. Bu ihtiyaç, özellikle açlığın kolgezdiği bölgelerde hiç karşılanamaz. Büyük ölçüde artan protein açığını kapamak için protein içeren biyomas, mikroorganizmalar şeklinde üretilir. Hammadde olarak melas, yağı alınmış peynir veya süt ve sülfit hidroksit gibi atık maddeler, metan, parafin veya alkol kullanılır. Özellikle gelişmiş bir yöntemde substrat (=madde) olarak "METANOL"dan, bakteri susu diye de Methylomonas chlara'dan yararlanılır.
Substratın yarısına yakın kısmını bakteriler enerji kazanımında kullanır. Diğer yarısı, Methylomonas'm ortamdaki tuzları da değerlendirip % 80'inin biyoproteinden oluştuğu biyomas sentezinde kullanılır. Bu, tek hücre proteini veya "SINGL CELL PROTEIN"i diye adlandırılır.
Amoboid Hareket
Amöboid Hareket
Amip, yalancı ayak veya "PSÖDOPOD" adı da verilen plazma uzantılarının, dışarıya akıp, içeriye çekilmesi ile hareket eder. Işık mikroskobunda sadece hareket değil, aynı zamanda hareket yönüne doğru olan plazma akışı da izlenir. Burada ön kısımdaki daneli "ENDOPLAZMA" ve saydam "EKTOPLAZMA" söz konusudur. Hücrenin arka bölümünde bu olayların karşıtı olur. Amöboid hareket de aktin filamanlarına dayanır. Bunlar amip ektoplazmasında çok vardır
Kamçı ve Sil Yardımı ile Hareket
Bir sigara tiryakisinin sabah erkenden öksürmesi üst solunum yolundaki mukozada bulunan birkaç yüz milyar kirpik veya kamçının çalışması ile ilgilidir. Bunlar hareket ederek sayısız miktarda küçük duman parçacığını yukarıya doğru iter ve tiryakinin sürekli olarak öksürmesine neden olur.
Örneğin Euglena ve sperm hücresi de kamçı ya da "FLAGELLUM"la hareket eder. Kamçı ve kirpik hareketinin temeli aynıdır. Bir silin elektron mikroskobik kesitinde önceki bölümde ayrıntılı anlatılan tipik yapısı izlenir.
Şiilerin mikrotubuli borularının yapısına başka proteinler de katılır. Şiilerin hareketi için en önemli olanlar, dış çift tubulilerde oturur. İki kol gibi olan yapı komşu çift tubuliye doğru uzanır. Bunlar "DİNEİN" adlı proteinden yapılır. Bu dinein kolları sillerin hareketinden sorumludur.
Şiilerin hareketinin çift tüplerin karşılıklı hareketine bağlı olduğu düşünülür.
Nefes borusundaki silli bölgeler endoskopla incelenirse, sillerin ayrı ayrı değil de, birlikte hareket ettikleri görülür. Bu hareket rüzgarın etkisi ile başakları birlikte sallanan bir buğday tarlasını andırır. Dışı sillerle kaplı terliksi hayvanda, düzenli sil vuruşu, hareketi sağlar. Eğer yoğun sigara içmede görüldüğü gibi, soluk borusunun silleri düzenli hareket özelliğini yitirirse, akciğer mukus ve toz taneciklerinden temizlenmez. Sonuçta da "KRONİK BRONŞİT" kaçınılmaz olur.
Mikrotubulideki yapısal ve işlevsel bozukluklar, insanda önemli rahatsızlıklara neden olur. Örneğin erkeğin steril oluşu, spermin hareketini sağlayan kamçıların olmayışı ile ilişkilidir. Kamçıların çift tüplerinde dinein kolları yoktur, ya da sadece biri vardır veya merkez tüpte hiç bulunmaz. Bütün bu bozukluklar steriliteye (=dölsüzlük) neden olur.
İnsan yumurta hücresi de siller tarafından yumurta kanalından nakledildiğinden, işlev gören mikrotubulilerin çoğalma için önemi büyüktür.
Amip, yalancı ayak veya "PSÖDOPOD" adı da verilen plazma uzantılarının, dışarıya akıp, içeriye çekilmesi ile hareket eder. Işık mikroskobunda sadece hareket değil, aynı zamanda hareket yönüne doğru olan plazma akışı da izlenir. Burada ön kısımdaki daneli "ENDOPLAZMA" ve saydam "EKTOPLAZMA" söz konusudur. Hücrenin arka bölümünde bu olayların karşıtı olur. Amöboid hareket de aktin filamanlarına dayanır. Bunlar amip ektoplazmasında çok vardır
Kamçı ve Sil Yardımı ile Hareket
Bir sigara tiryakisinin sabah erkenden öksürmesi üst solunum yolundaki mukozada bulunan birkaç yüz milyar kirpik veya kamçının çalışması ile ilgilidir. Bunlar hareket ederek sayısız miktarda küçük duman parçacığını yukarıya doğru iter ve tiryakinin sürekli olarak öksürmesine neden olur.
Örneğin Euglena ve sperm hücresi de kamçı ya da "FLAGELLUM"la hareket eder. Kamçı ve kirpik hareketinin temeli aynıdır. Bir silin elektron mikroskobik kesitinde önceki bölümde ayrıntılı anlatılan tipik yapısı izlenir.
Şiilerin mikrotubuli borularının yapısına başka proteinler de katılır. Şiilerin hareketi için en önemli olanlar, dış çift tubulilerde oturur. İki kol gibi olan yapı komşu çift tubuliye doğru uzanır. Bunlar "DİNEİN" adlı proteinden yapılır. Bu dinein kolları sillerin hareketinden sorumludur.
Şiilerin hareketinin çift tüplerin karşılıklı hareketine bağlı olduğu düşünülür.
Nefes borusundaki silli bölgeler endoskopla incelenirse, sillerin ayrı ayrı değil de, birlikte hareket ettikleri görülür. Bu hareket rüzgarın etkisi ile başakları birlikte sallanan bir buğday tarlasını andırır. Dışı sillerle kaplı terliksi hayvanda, düzenli sil vuruşu, hareketi sağlar. Eğer yoğun sigara içmede görüldüğü gibi, soluk borusunun silleri düzenli hareket özelliğini yitirirse, akciğer mukus ve toz taneciklerinden temizlenmez. Sonuçta da "KRONİK BRONŞİT" kaçınılmaz olur.
Mikrotubulideki yapısal ve işlevsel bozukluklar, insanda önemli rahatsızlıklara neden olur. Örneğin erkeğin steril oluşu, spermin hareketini sağlayan kamçıların olmayışı ile ilişkilidir. Kamçıların çift tüplerinde dinein kolları yoktur, ya da sadece biri vardır veya merkez tüpte hiç bulunmaz. Bütün bu bozukluklar steriliteye (=dölsüzlük) neden olur.
İnsan yumurta hücresi de siller tarafından yumurta kanalından nakledildiğinden, işlev gören mikrotubulilerin çoğalma için önemi büyüktür.
Kas Hareketi
Kas Hareketi, Kas ve Hareket
Günde yüzlerce km koşabilen bir atlet, koşu sırasında binlerce adım atar. Kaslar her adım atışta kasılır ve diğer kaslarca ilk konumuna çekilerek kısalır
Kas ve Hareket Sistemi
Kas dokuda çıplak gözle bile kolayca kas fibril demeti izlenir. Işık mikroskobik gözlemde, onların fıbrilleri seçilir. Bunlar santimetrelerce kas boyunca uzanır ve kemiğe sıkıca bağlı topukda son bulur. Kas fibrilleri "miyofibriller"den oluşur. İzole edilmiş taze miyofibrile ATP çözeltisi eklenirse hemen kasılır. Bu olayları anlamak için elektronmikroskobik bulgulardan yararlanılır. Her miyofibrilde izlenen bazı birimler vardır, bunlar 2,5 pm uzunluk ve 1,5 pm çapında küçük silindirlerdir. "SARKOMER" adını alırlar. Sarkomer kesidi elektronmikroskobunda düzenli bir yapıya sahiptir. Bunlardan, ince ve ipliksi yapılara "AKTİN FİLAMANI" kalınlara da "MİYOZİN FİLAMANI" denir. Bunların ikisinin de yapısı karmaşık olup proteinden oluşur. Sarkomerler 2 Z-çizgisi arasındaki kısımdır. Bunlar, üzerinde aktin filamanlarının fırça kılları gibi düzenlendiği protein plakaları olup, kasılma birimi diye adlandırılır.
Aktin küre veya kabarcık şeklinde ve inci tanesi gibi ardarda dizilmiş protein birimlerinden oluşur. Bu şekildeki iki inci zinciri yan yana gelince, birbirine sarılı bir aktin filamanı oluşur.
Günde yüzlerce km koşabilen bir atlet, koşu sırasında binlerce adım atar. Kaslar her adım atışta kasılır ve diğer kaslarca ilk konumuna çekilerek kısalır
Kas ve Hareket Sistemi
Kas dokuda çıplak gözle bile kolayca kas fibril demeti izlenir. Işık mikroskobik gözlemde, onların fıbrilleri seçilir. Bunlar santimetrelerce kas boyunca uzanır ve kemiğe sıkıca bağlı topukda son bulur. Kas fibrilleri "miyofibriller"den oluşur. İzole edilmiş taze miyofibrile ATP çözeltisi eklenirse hemen kasılır. Bu olayları anlamak için elektronmikroskobik bulgulardan yararlanılır. Her miyofibrilde izlenen bazı birimler vardır, bunlar 2,5 pm uzunluk ve 1,5 pm çapında küçük silindirlerdir. "SARKOMER" adını alırlar. Sarkomer kesidi elektronmikroskobunda düzenli bir yapıya sahiptir. Bunlardan, ince ve ipliksi yapılara "AKTİN FİLAMANI" kalınlara da "MİYOZİN FİLAMANI" denir. Bunların ikisinin de yapısı karmaşık olup proteinden oluşur. Sarkomerler 2 Z-çizgisi arasındaki kısımdır. Bunlar, üzerinde aktin filamanlarının fırça kılları gibi düzenlendiği protein plakaları olup, kasılma birimi diye adlandırılır.
Aktin küre veya kabarcık şeklinde ve inci tanesi gibi ardarda dizilmiş protein birimlerinden oluşur. Bu şekildeki iki inci zinciri yan yana gelince, birbirine sarılı bir aktin filamanı oluşur.