Canlılarda Enerji Dönüşümleri

Canlılar düzenli yapılarını korumak ve yaşamsal olaylarını sürdürmek için sürekli enerji kullanır. Enerji gerektiren olaylara örnekler: aktif taşıma, protein ve DNA gibi büyük moleküllerin sentezi, kas kasılması, sinir iletimi, hücre bölünmesi, hareket ve kuşlar ile memelilerde vücut sıcaklığının korunması.

Yeryüzündeki canlıların kullandığı enerjinin kaynağı büyük ölçüde Güneştir. Fotosentez yapan canlılar ışık enerjisini organik moleküllerdeki kimyasal bağ enerjisine dönüştürür. Kemosentez yapan canlılar ise inorganik maddelerin yükseltgenmesinden elde ettikleri kimyasal enerjiyi kullanır. Heterotrof canlılar bu organik maddeleri besin olarak alır.

Besinlerdeki enerji hücre tarafından doğrudan kullanılamaz; önce hücresel solunumla ATP'ye aktarılır. Enerji dönüşümlerinin her basamağında enerjinin bir kısmı ısı olarak çevreye verilir; bu nedenle enerji ekosistemde döngüsel değil tek yönlü akar.

ATP (adenozin trifosfat), adenin bazı, riboz şekeri ve üç fosfat grubundan oluşur. Fosfat grupları arasındaki bağlar koptuğunda hücrenin kullanabileceği enerji açığa çıkar.

• ATP + H₂O → ADP + Pi + enerji (hidroliz; enerji gerektiren olaylarda kullanılır)

• ADP + Pi + enerji → ATP + H₂O (fosforilasyon; enerji veren olaylarla birlikte gerçekleşir)

ATP hücrede depolanmaz; sürekli üretilip harcanır. Bir hücrenin ürettiği ATP başka bir hücreye taşınmaz; her hücre kendi ATP'sini kendisi üretir. Uzun süreli enerji depoları glikojen, nişasta ve yağlardır. ATP'yi bir para birimine benzetebiliriz: Kalıcı servet değildir; enerji veren ve enerji gerektiren olaylar arasında sürekli el değiştirerek alışverişi sağlar.

ATP'deki adenin ve riboz, RNA nükleotitlerinde de bulunur; ATP aynı zamanda RNA sentezinde kullanılan nükleotitlerden biridir.

ADP'ye fosfat eklenerek ATP sentezlenmesine fosforilasyon denir. Enerjinin kaynağına göre üç tür fosforilasyon vardır. Program bunların kısaca bilinmesini ister.

Kloroplastı olmayan bir hayvan hücresinde fotofosforilasyon gerçekleşmez; ancak substrat düzeyinde ve oksidatif fosforilasyon gerçekleşir. Bitki hücresinde üç tür de bulunur. Fermantasyon yapan bir mayada oksijen yokken ATP yalnız substrat düzeyinde fosforilasyonla üretilir.

Bitkilerde fotosentez kloroplastta gerçekleşir; kloroplastlar özellikle yaprağın fotosentez yapan parankima hücrelerinde boldur. Kloroplast çift zarla çevrilidir. İçinde yassı keseler biçiminde tilakoitler ve bunların üst üste dizilmesiyle oluşan granalar bulunur. Tilakoitlerin dışında kalan sıvıya stroma denir. Stromada enzimler, kendine ait DNA ve ribozomlar bulunur.

Işığı soğuran pigmentler tilakoit zarlarındadır. Başlıca pigment klorofildir (klorofil a ve b); karotenoitler gibi yardımcı pigmentler farklı dalga boylarındaki ışığı soğurup enerjiyi klorofile aktarır. Klorofil en çok mor–mavi ve kırmızı ışığı soğurur, yeşil ışığı büyük ölçüde yansıtır; yaprakların yeşil görünmesi bu yüzdendir. Sonbaharda klorofil yıkılınca karotenoitlerin sarı–turuncu renkleri görünür hâle gelir.

Klorofilin yapısında magnezyum bulunur; magnezyum veya azot eksikliğinde klorofil yapımı azalır ve yapraklar sararır. Program klorofil a ve b'nin yapısını ayrıntılandırmaz.

Işığa bağımlı tepkimeler tilakoit zarlarında gerçekleşir:

1. Klorofil ve diğer pigmentler ışığı soğurur; klorofildeki elektronlar yüksek enerji düzeyine çıkar ve bir elektron taşıma sistemine aktarılır.

2. Klorofilin kaybettiği elektronlar suyun ışık enerjisiyle parçalanmasından (fotoliz) karşılanır: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂. Açığa çıkan oksijen atmosfere verilir.

3. Elektronlar taşıyıcılar boyunca ilerlerken açığa çıkan enerjiyle tilakoit zarının iki yanında proton farkı oluşur; bu farkla ATP sentezlenir (fotofosforilasyon).

4. Elektronlar ve protonlar sonunda NADP⁺'ye aktarılarak NADPH oluşturulur.

Girenler: ışık, su, ADP + Pi, NADP⁺. Ürünler: O₂, ATP, NADPH.

Bu evrede organik madde üretilmez; üretilen ATP ve NADPH bir sonraki evrede kullanılmak üzere stromaya geçer. Program tepkime basamaklarının ayrıntısına ve hesaplamalara girmez.

Işıktan bağımsız tepkimeler kloroplastın stromasında gerçekleşir. Bu evrede:

1. Atmosferden alınan CO₂, stromada bulunan beş karbonlu bir bileşiğe bağlanır (karbon tutulması).

2. Işığa bağımlı evrede üretilen ATP ve NADPH kullanılarak bu bileşikler indirgenir ve üç karbonlu şekerler oluşur.

3. Oluşan şekerlerin bir kısmı glikoz ve diğer organik maddelerin yapımında, bir kısmı CO₂'yi tutan bileşiğin yeniden oluşturulmasında kullanılır. Böylece tepkimeler bir döngü hâlinde sürer.

Işıktan bağımsız tepkimeler doğrudan ışık gerektirmese de önceki evrede sağlanan ATP ve NADPH'ye bağlıdır; ışık kesilince kısa süre sonra durur. Bu nedenle 'karanlık tepkimeler yalnız gece gerçekleşir' ifadesi yanlıştır; gündüz iki evre eş zamanlı çalışır.

Fotosentezle üretilen glikoz bitkide hücresel solunumda kullanılır, nişasta olarak depolanır, selüloz gibi yapı maddelerine veya amino asit ve yağ gibi diğer organik moleküllere dönüştürülür. Program CAM ve C₄ bitkilerini kapsam dışında tutar.

Program, ışığa bağımlı ve ışıktan bağımsız tepkimelerin ürünler açısından karşılaştırılmasını ister. İki evrenin birbirine bağlı olduğunu görmek için hangi ürünün diğer evreye girdiğine bak: ATP ve NADPH ışığa bağımlı evreden ışıktan bağımsız evreye, ADP, Pi ve NADP⁺ ise ters yönde geçer.

Soru çözümünde 'oksijenin kaynağı' ve 'glikozdaki karbonun kaynağı' ayrı sorulardır: Oksijen sudan, karbon CO₂'den gelir.

Işık şiddeti artırılırken fotosentez hızı önce artıp sonra sabitlenebilir; bu aşamada CO₂ miktarı veya sıcaklık gibi başka bir faktör sınırlayıcı olabilir. Fotosentez hızını en az bulunan etken belirler (minimum kuralı).

Işık şiddeti çok düşükken fotosentezle üretilen O₂, solunumla tüketilen O₂'den az olabilir; ışık şiddeti arttıkça ikisinin eşit olduğu bir noktaya ulaşılır. Bu noktanın üzerinde bitki net olarak organik madde biriktirir. Bu nedenle ışık şiddeti–O₂ grafiği her zaman sıfırdan başlamaz.

Fotosentez hızını etkileyen faktörler bilimsel yöntem basamaklarıyla incelenebilir. Örnek bir deney tasarımı:

• Problem: Işık şiddeti su bitkisinin fotosentez hızını nasıl etkiler?

• Hipotez: Işık şiddeti arttıkça belirli bir değere kadar fotosentez hızı artar.

• Bağımsız değişken: Işık şiddeti (lambanın bitkiye uzaklığı).

• Bağımlı değişken: Belirli sürede çıkan oksijen kabarcığı sayısı veya toplanan gaz hacmi.

• Kontrol edilen değişkenler: Aynı tür ve büyüklükte bitki, su sıcaklığı (lambanın ısıtma etkisine karşı su banyosu), suya eklenen bikarbonat (CO₂ kaynağı) miktarı, ölçüm süresi.

• Kontrol düzeneği: Karanlıkta tutulan aynı bitki.

Sonuçlar kaydedilip grafiğe dönüştürülür ve hipotezle karşılaştırılır. Kabarcık sayımı dolaylı bir ölçümdür; kabarcıkların büyüklüğü farklı olabilir ve çıkan gazın tamamı oksijen olmayabilir.

Tarımda yapay ışıklandırma: Seralarda ve dikey tarım tesislerinde klorofilin en çok soğurduğu kırmızı ve mavi dalga boylarını veren LED lambalar kullanılır; günlük ışık süresi uzatılarak verim artırılabilir. Bu uygulamaların enerji maliyeti de verimle birlikte değerlendirilir.

Kemosentez, bazı bakterilerin ve arkelerin inorganik maddeleri yükseltgemesinden (oksitlemesinden) elde ettikleri kimyasal enerjiyle CO₂ ve sudan organik madde üretmesidir. Enerji kaynağı ışık değil kimyasal tepkimedir; karbon kaynağı fotosentezde olduğu gibi CO₂'dir. Kemosentezde klorofil kullanılmaz ve ışık gerekmez. Kemosentetik canlılar da üretici (ototrof) canlılardır.

Örnekler:

• Nitrit bakterileri amonyağı nitrite, nitrat bakterileri nitriti nitrata yükseltger (nitrifikasyon).

• Kükürt bakterileri hidrojen sülfürü yükseltger.

• Demir bakterileri Fe²⁺ iyonlarını Fe³⁺'ya yükseltger.

• Hidrojen bakterileri hidrojen gazını kullanır.

Madde döngüsüne katkısı: Nitrifikasyon bakterileri bitkilerin kullanabileceği nitratı oluşturarak azot döngüsünde ve toprak verimliliğinde önemli rol oynar. Okyanus tabanındaki sıcak su kaynaklarının çevresinde güneş ışığı olmadan kurulan ekosistemlerin üreticileri kemosentetik canlılardır.

Endüstride kullanımı: Atık suların arıtılmasında amonyağın uzaklaştırılması, düşük tenörlü cevherlerden metal (ör. bakır) elde edilmesi ve kükürt bileşiklerinin uzaklaştırılması gibi süreçlerde kemosentetik mikroorganizmalardan yararlanılır. Her kimyasal enerji kullanan canlı kemosentetik ototrof değildir; besinlerden enerji alan heterotroflar da kimyasal enerji kullanır.