Işık Enerjisi Kullanılmadan Besin Sentezi (Kemosentez)

Kemosentez Olayı

► Güneş ışığının ulaşamadığı okyanusların derin bölgelerinde yaşam oldukça sınırlıdır. Ancak 1970'li yıllarda, Galapagos Adaları yakınlarında deniz seviyesinden 1.600 metre derinlikte, birçok canlı türünün volkanik bacalar etrafında yaşadığı keşfedilmiştir.

► Bu canlılar, güneş ışığı olmadan yaşamlarını sürdürmekte ve kemosentez adı verilen bir süreçle enerji üretmektedir.

► Kemosentez; klorofile sahip olmayan bazı ototrof prokaryotların, güneş ışığı yerine inorganik maddeleri oksitleyerek enerji elde ettiği bir biyokimyasal süreçtir.

► Bu kimyasal enerji, ATP ve NADPH üretiminde kullanılır. Sonra organik madde sentezi gerçekleştirilir.

► Kemosentezde sentezlenen ATP oksidatif fosforilasyon ile elde edilir.

► Kemosentez sırasında gerekli olan kimyasal enerji; bazı inorganik moleküllerin oksitlenmesi sonucu elde edilir. Bu inorganik moleküller; hidrojen sülfür (H₂S), amonyak (NH₃), demir (Fe²⁺), nitrit (NO₂⁻), kükürt (S) gibi bileşiklerdir.

Kemosentez sürecinde;

1. Enerji Kaynağı Olarak: İnorganik maddelerin oksitlenmesiyle açığa çıkan kimyasal enerji kullanılır.

2. Elektron Taşıma Sistemi (ETS): Oksidasyon olayı sırasında açığa çıkan elektronlar ETS’den geçirilerek ATP ve NADPH sentezlenir.

3. Calvin Döngüsü: Üretilen ATP ve NADPH'lar Calvin döngüsünde karbon fiksasyonu (CO₂'nin tutulması) için kullanılır ve organik madde sentezlenir.

► Kemosentezi yapan canlılara Kemoototrof (Kemolitotrof) Canlılar denir.

Bu canlılar; Nitrifikasyon bakterileri, kükürt bakterileri, hidrojen bakterileri ve bazı arkelerdir.

► Kemoototrof canlılar kesinlikle prokaryot ve tek hücrelidir. (Yani bazı bakteri ve arkelerdir.)

► Kemosentez sırasında ETS elemanları kullanılır ve NADP molekülü NADPH şeklinde indirgenir.

► Kemosentezin başlangıcında inorganik moleküllerden ayrılan elektronlar ETS üzerinden O₂'ye taşınır. Bu sırada ATP ve NADPH+H⁺ elde edilir. Buradaki ATP üretimi oksidadif fosforilasyon ile gerçekleşir. Bu ATP ve NADPH'lar kullanılarak CO₂ indirgenir ve besin sentezi gerçekleşir.

Kemosentez Reaksiyonları

► Kemosentez reaksiyonları 2 basamakta gerçekleşir. Bunlar;

1. İnorganik Maddelerin Oksidasyonu ile Kimyasal Enerjinin Üretilmesi

2. Üretilen Kimyasal Enerji ile Besin Sentezlenmesi ve O₂ Oluşması

► Kemosentez sırasında canlı türüne göre enerji kaynağı olarak farklı inorganik maddeler kullanılabilir.

► Demir (Fe⁺²), amonyak (NH₃), nitrit (NO₂), hidrojen gazı (H₂), hidrojen sülfür (H₂S) ve sülfür (S₂) gibi inorganik madde çeşitleri oksitlenir.

► Oksidasyon sonucu elde edilen kimyasal enerji kullanılarak oksidatif fosforilasyonla ile ATP sentezlenir.

► ATP sentezinde ETS görev yapar. Sentezlenen ATP’ler; CO₂ ve H₂O’nun reaksiyona girmesinde kullanılır. Böylece besin ve O₂ üretilir.

► Bu canlılar, kemosentez sonucu oluşturdukları oksijeni atmosfere vermezler. Bunu kendi metabolik olaylarında ve oksidasyonda kullanırlar.

► Kemoototrof canlılara nitrit ve nitrat bakterileri, kükürt, demir, hidrojen oksitleyici bakteriler ve arkelerin çoğu örnek olarak verilebilir.

► Kemoototrof canlılar, klorofil bulundurmadıkları için besin sentezi sırasında ışık enerjisini kullanmazlar.

Kemosentezin Azot Döngüsündeki Rolü

► Bitkiler, havadaki karbondioksiti (CO₂) bağlayarak organik bileşikler sentezleyebilirken, atmosferde bulunan azot gazını (N₂) doğrudan kullanamazlar.

► Gelişimleri için büyük önem taşıyan azot, bitkiler tarafından azotlu bileşikler hâlinde topraktan alınır.

► Bu sürecin temel taşı, doğada azot döngüsünün gerçekleşmesidir.

Kemosentetik Bakteriler; topraktaki azotlu organik maddeleri bitkilerin kullanabileceği nitrat ve nitrit gibi bileşiklere dönüştürür.

Bu süreçte;

Amonyak (NH₃): Çürükçül organizmalar tarafından organik maddelerden elde edilir.

Amonyum (NH₄⁺): NH₃’ye H⁺ iyonlarının eklenmesiyle oluşur.

Nitrifikasyon: Kemosentetik bakteriler amonyağı nitrata ve nitrite dönüştürerek bitkilerin kullanımına sunar.

Denitrifikasyon: Denitrifikasyon bakterileri, toprakta fazla bulunan nitratı (NO₃) parçalayarak azot gazına (N₂) çevirirler ve atmosfere geri kazandırırlar. Bu süreçle doğadaki azot döngüsü tamamlanmış olur.

► Atmosferde yüksek oranda serbest azot gazı bulunmasına rağmen bitkiler bundan doğrudan faydalanamzlar.

► Bitkiler azotu nitrat (NO₃^-) ve amonyum (NH₄⁺) iyonları şeklinde doğrudan topraktan alabilirler.

► Azotun bitkilerin kullanabileceği hâle gelme sürecinde çürükçüller(saprotrofik) ve kemosentetik bakteriler rol oynar.

► Çürükçüller, doğadaki ölü hayvan ve bitki gibi organik atıkları ayrıştırarak bunların yapısında bulunan azotlu bileşikleri (amino asitler, nükleik asitler vb.) NH₃'e dönüştürür.

► Bitkiler, NH₃, NO₂ ve serbest azot gazını  (N₂) 'yi doğrudan kullanamazlar.

Azot Döngüsünün Gerçekleşme Basamakları

► Canlıların ölü ve organik atıkları çürükçüller tarafından (bazı bakteri ve küf mantarları) NH₃'e kadar ayrıştırılır.

► Kemosentetikler oksitleme olayı ile NH₃'ü NO₂'ye, NO₂'yi de NO₃'e dönüştürürler.

► NH₃'ün nitrat ve nitrat tuzlarına dönüştürülmesinde; nitrosomonas ve mikrobacter cinsi bakteriler görev alır.

► Eğer NH₃ toprakta bulunuyorsa; NH₃'e H⁺ katılarak önce NH₄ oluşturulur. Daha sonra bu amonyumu kemosentetik bakteriler nitrifikasyon ile nitrit ve nitrat tuzlarına dönüştürürler.

► Bu amonyum ve nitrat tuzları ise bitki tarafından köklerle alınarak kullanılır.

► Bu dönüşümler sırasında kimyasal enerji açığa çıkar. Her iki bakteri türü bu dönüşümlereden elde ettiği kimyasal enerji ile ATP sentezler. Bu ATP'lerde kemosentez olayında kullanılır.

Kemosentetiklerin Endüstriyel Alanda Kullanımı

► Kemosentetik arkelerin büyük bir kısmı yüksek tuzluluk, düşük oksijen yoğunluğu, yüksek sıcaklık, yüksek ya da düşük pH gibi zor koşullarda yaşarlar.

► Bu canlılardan elde edilen zor koşullara dayanıklı enzimler, endüstride kullanılmaktadır.

► Kemosentetik bakteriler