MİNERAL (İYON) METABOLİZMASI

Bitkilerin kimyasal kompozisyonu: Bitkilerin % 75 su ve % 25 kuru madde Kuru maddenin % 90’ ı organik % 10’ u inorganik Organik maddelerin başlıcalarını karbonhidrat, yağ ve protein olduğu, yağ ve karbonhidratların C, H, O ve N’ dan oluştuğu yani organik maddelerin 4 temel elementten meydana geldiği bilinmektedir. Bu 4 elementi sırasıyla P, S, K, Ca ve Mg izler. Yapılan analizlerde bitkilerde 60’ dan fazla elementin bulunduğu test edilmiştir. Bunlardan 16 elementin bitki için mutlak gerekli olduğu da saptanmıştır. Bunlara esas elementler denir. Esas elementlerin bir kısmı bitkilerde bol miktarda bulunur. Bunlara makro elementler (C, H, O, N, P, S, K, Ca, Mg), bir kısmı da az miktarda bulunur ki bunlara da mikro elementler (Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, B, Cl) adı verilir. Mikro elementlerin az olması onların önemsiz olduğunu göstermez. Mikro elementlerde makro elementler kadar bitkiler için önemlidirler. Ancak az bulunmaları gerekir, fazlası toksiktir.

Bitkilerde bunların dışında bulunan elementlere iz elementler ( Na, Al, Li, Si, Se, V, Co) adı verilir. Bu elementler de değişik amaçlar için bitkiler tarafından kullanılırlarsa da eksikliğinde belirgin aksaklıklar yaşanmaz. Esas elementler bitkide başlıca yapısal, elektrokimyasal ve katalitik olmak üzere üç role sahiptirler. Her element bunlardan en az birini yapmakla yükümlüdür. Yapısal olarak organiklerin yapısına katılırlar. Elektrokimyasal olarak; iyon dengesini, zar geçirgenlini, tamponluğu, osmotik regülasyonu, makro moleküllerin sabitlenmesini sağlarlar. Katalitik olarak; enzimlerin kofaktörü olarak görev yapmaktadırlar.

Bitkilerde Mineral Madde Eksikliği

Bitkiler O2 ve C’ u gaz olarak (CO2, O2) havadan ve H’ i ise sudan temin etmektedirler. Diğer elementler ise çeşitli iyonlar halinde (katyon ve anyon olarak) topraktan su ile beraber alınmaktadır. Hangi mineral maddenin eksikliğinde hangi bitki büyüme ve gelişme kusurlarının ortaya çıktığı, su kültürleri ve kum kültürleri deneyleri ile test edilmiş olup ve tablolar halinde yayınlanmıştır. Bitkilerde elementlerin görevleri ve eksikliğinde gözlenen olumsuzluklar tablo halinde yanda verilmiştir.

Faydalı Toksik Elementler : Bazı toksik elementler (ör. Na, Se, Si, Co, Ti), değişik ortam şartlarında yetişen bitkilerde faydalı olabilmektedirler. Ör: Halofit bitkiler için Na, osmotik basıncı arttırarak su alınımını kolaylaştırır. Bitkilerin çoğu için toksik olan Se, Astragalus sp. (Geven) bitkilerinde bol miktarda bulunmaktadır. Yapılan araştırmalar fosfora hassas olan bitkilerin Se sayesinde fosfor toksitesinden kurtulduklarını göstermiştir. Ayrıca Atkuyruğu, buğday gibi silisyum içeren bitkilerin bu element sayesinde Fe ve Mn toksitesini azalttıkları test edilmiştir. Bazı yosunlar B12 vitamini sentezi için Co ve Ti gibi toksik maddelere ihtiyaç duymaktadırlar.

Madensel Tuzların Alınması ve Kullanılması (Bitkilerde Mineral Madde (İyon) Alınımı)

Bitkiler yaşadıkları sürece su ve suda çözünmüş maddeleri birlikte almak zorundadırlar. Bitki kökleri topraktaki mineralleri ancak iyonlar halinde alabilirler. Bitkilerde iyon alınımı su alınımı kadar basit olmayıp daha karmaşıktır. İyon alınımını bazı prensiplerin ışığında pasif ve aktif iyon alınımı mekanizması şeklinde izah etmek mümkündür:
1- Madensel Tuzların kaynağı olan toprak:
Toprak irili ufaklı parçacıklarla kolloid çaptaki partiküllerden oluşur. Bu karışımın ısınması, su tutması, besin tuzlarını tutması gibi fizikokimyasal özellikleri toprağın daha çok kolloidal durumundaki bileşiklerine bağlıdır. Birçok toprakta toprağın inorganik kolloidal kısmını kil parçacıkları oluşturur. Ölmüş bitki ve hayvan artıklarından oluşan maddelerde toprağın organik kolloidal kısmını oluşturur. Kil mineralleri genellikle (-) yüklüdürler. Bundan dolayı dış yüzeylerinde (+) yüklü iyonlar absorbe edilirler (Ca++, Mg+, H+, K+ vs.)

2- Kökler tarafından madensel tuzların alınması mekanizması:

Pasif iyon alınımı : Herhangi bir metabolik olaya bağlı olmaksızın sadece difüzyon gibi olaylarla gerçekleşen iyon alınımıdır. Yapılan araştırmalarla köklerin (kaliptra hariç) emici tüy bulunmayan en uç kısımları tarafından madensel tuzları aldığı gösterilmiştir. Özellikle meristematik bölge bu bakımdan çok aktiftir. Bu absorbsiyonun kök hücrelerince nasıl yapıldığını iki ayrı mekanizma ile açıklamak mümkündür.

a) Kitle akımı :
Bitkide transpirasyon hızlandığında beliren bir iyon alınımıdır. Olay, transpirasyon etkisiyle ksilemdeki tuzların yukarı çekildiği, dolayısıyla ksilemde tuz konsantrasyonunun azalması sebebiyle köklerin iyon alma kapasitesinin arttığı şeklinde izah edilmektedir.
b) İyonik Değişim Mekanizması (iyon alış-verişi):
Hücreler katyonları iyon alış-verişi ile sağlarlar. Hücre alış-veriş dengesini, fazla aldığı katyonun yerine kendininkilerden aynı miktarda dışarı vermekle sağlamaktadır. Eğer katyon içeri fazla alınırsa dış ortam asitleşir, anyon fazla alınırsa dış ortam bazlaşır. Örneğin; bir bitkiye (NH4)2SO4 verilirse solunum sonucu ortamda fazlalaşan H+ iyonu dışarı verilirken, NH4 katyonları içeri alınır. Bu durumda dış ortam, H+ ve SO4- iyonlarına bağlı olarak asit özelliği gösterir. Buna fizyolojik asitleşme denir. Eğer bitkiye KNO3 verilirse NO3 anyonu zardan geçer. Ama içerden dışarı bir katyon verilmez. Ortamda kalan K+ suyun OH’ nı bağlayarak KOH oluşturur ve ortamın baz olmasına neden olur. Bu olaya da fizyolojik bazlaşma denir.

c) Donnan Dengesi:
Hücrede madde alış-verişinde rol oynayan ve difüzyon edemeyen iyonların etkilerine dayanan elektriksel bir olaydır. Ör: Çözelti ortamındaki hücre içinde negatif yüklü ve büyük, difüzyon edemeyen bir iyon bulunsun. Diğer katyon ve anyonlar hücrenin her iki tarafına geçebilsinler. Bu durumda iyonların difüzyonu sonucunda bir potansiyel gradiyenti oluşur. Elektrokimyasal denge kurulduğunda iyonların konsantrasyonu hücre içinde ve dışında aynı olmayacaktır. Bu durum difüzyon edemeyen iyonların elektriksel dengesizliğine dayalı bir konsantrasyon dengesizliğidir. Donnan dengesi eşitliğine göre pozitif yüklü iyonlardan içerdekilerin dışarıdakilere oranı, negatif yüklü iyonlardan dışarıdakilerin içerdekilere oranına eşit olması gerekir.

İçerdeki pozitif iyonlar = Dışarıdaki negatif iyonlar

Dışarıdaki pozitif iyonlar İçerideki negatif iyonlar

Örneğin bir hücrede 6 tane zarı geçemeyen anyona 6 potasyum iyonu bağlı olsun. Bu hücreyi KCl çözeltisine koyduğumuzda içte ve dışta iyon dağılımı değişecektir. Bu değişim Donnan dengesiyle şöyle açıklanır: dışarıda da 6 KCl bulunduğunu farz edersek yukardaki eşitliğe göre hücreye 2 K ve 2 CL iyonu alındığında Donnan dengesi sağlanmış olur.

İçteki K (8) = Diştaki Cl (4)

Dıştaki K (4) = İçteki Cl (2)

Buna göre yukarıdaki eşitliği sadeleştirdiğimizde 2=2 sonucu ortaya çıkar.

Donnan dengesi ile hücre içindeki bir maddenin konsantrasyonu dışarıdaki yada çevredeki konsantrasyonun 30 katına çıkabilir. Pasif iyon alınımında hücre zar yapısının seçici geçirgen özelliği ve moleküler dizayeni de önemli iş görmektedir. Hücre zarının transport yeteneği zar yapısına ve filogenetik orijinine göre değişir. Ör: Bakteri membranı Ca+ ve K+ iyonlarını kolay geçirmesine karşın maya hücreleri membranı bu iyonları geçirmezler. Çeşitli moleküllerin ve madensel tuz iyonlarının hücre zarlarından geçişine ilişkin şu aktiviteler de bilinmektedir.

d) İyon Birikimi:

Bazı bitkilerde bir iyonun bitkinin bulunduğu ortamdan daha fazla biriktiği görülür. Ör: Deniz alglerinde K deniz suyundakinden yüzlerce kat daha fazla bulunmaktadır. Bunun sebebi hücre bünyesinde bulunan maddelerce iyon molekülleri absorbe edilmekte veya çözünmeyen maddelerle birleşerek çökelmektedir.

e) İyon antagonizması :

Farklı değerlere sahip iyonların bitki tarafından alınmasında iyonların birbirine zıt etki göstermeleri olayıdır. Ör. Na , K, gibi bir değerlikli iyonlar hücrelerde fazla miktarda bulunmaları halinde toksik etki gösterirler. Bu karşın ortama az miktarda çok değerlikli iyonlar ( Ca, Mg) ilave edildiğinde bu iyonlar hücre zarının koloidal yapısını değiştirerek geçirgenliğini arttırırlar ve toksik etkiden hücreyi kurtarırlar. Ör: buğdayda yapılan bir araştırmada 0.12 m NaCl bulunan bir ortamda toksik etki görülürken, ortama 0.0012 m CaCl ilave edilmesi toksik etkinin giderilmesi için yeterli olmuştur.

f) Zar potansiyeli :

Zarın her iki tarafında bulunan iyonların eşit olmayan dağılımı nedeniyle ortaya çıkan bir durumdur. Bu olay basit ve kolaylaştırılmış difüzyonla ortaya çıkar.

Basit difüzyon:

Su, Oksijen, CO2 ve etanol gibi küçük ve elektrik yükü taşımayan bazı moleküller stoplazmik zarı kolaylıkla geçerler. Buna basit difüzyonla geçiş denir. Basit difüzyonla geçişte moleküller kendi kinetik enerjileri sayesinde difüzyon kurallarına göre hareket ederler.

Kolaylaştırılmış difüzyon:

Glikoz ve diğer bazı büyük moleküllü, suda çözünebilen fakat elektrik yükü taşımayan molekülerle çeşitli madensel tuz iyonları (H+, Na+, K+, Ca++, Cl-, CO3-, HCO3- …) ve ayrıca lipitlerde çözünebilen maddeler stoplazmik zar sisteminden difüzyonla geçebilirler. Ancak bu geçiş basit difüzyonda olduğu gibi sadece moleküllerin kinetik enerjileri ile olmaz. Çünkü hücre zarı lipitte erimeyen moleküllerin geçişine izin vermez. Ancak stoplazmik zardaki membran proteinleri (integral protein) lipitte çözünemeyen moleküllerin geçişini sağlarlar. İşte stoplazmik zardaki bu proteinler aracılığı ile yapılan bu difüzyon yada taşınma olayına pasif transport adı verilir. Buna kolaylaştırılmış difüzyon da denilmektedir. Bu difüzyon olayı protein tipine bağlı olarak iki şekilde gerçekleşir: 1- Kanal proteinleriyle 2- Taşıyıcı (carrier) proteinlerle

Aktif taşıma

konsantrasyon gradiyentine karşı yapılır. Yani aktif transporta moleküller yada iyonlar az yoğun olarak bulundukları bir ortamdan daha çok yoğun olarak bulundukları bir ortama doğru taşınırlar. Bu taşınım sayesinde hücre içinde bulunduğu ortama göre daha fazla iyon birikir (Na+, K+..) Hücredeki en önemli aktif transport sistemi Na-K pompasıdır. Bu pompa hücre içinde K+ oranının yüksek, Na+ oranının düşük tutulmasını sağlar. Aktif metabolizmanın nasıl olabileceğini açıklayan çeşitli hipotezler mevcuttur. Bunlardan en çok ilgi göreni taşıyıcı (carrier) hipotezidir.
Bu hipoteze göre:
a) Önce hücrede taşıyıcı (carrier) molekülleri sentezler.
b) Sonra her iyon kendi taşıyıcısı ile kompleks yapar.
c) Bu iyon-taşıyıcı kompleksi hücre zarının dış yüzeyinden iç yüzüne yani vakuole doğru hareket eder.
d) Stoplazmik zarın iç yüzüne (tonoplast) giden iyon-taşıyıcı kompleksi parçalanır.
e) Parçalanan kompleks iyonu vakuole serbest bırakır ve taşıyıcı yüksüz olarak dış yüzeye geri döner.

Bu hipotezi daha iyi anlayabilmek için iyon taşıyıcı kompleksinin hareket mekanizmasını açıklayan görüşleri de değerlendirmek gerekir.

a) Bu kompleks lipitlerde çözünebilen bir yapı gösterdiği için lipoprotein zardan kolayca geçer.
b) Taşıyıcı iyon kompleksi sitoplazmik zar içinden yarım rotasyon hareketi ile geçer.
c) Taşıyıcı yüzeye sıkıca yapışmış olabilir. Ancak kayma hareketi ile iç yüzeye ilerler.
d) Taşıyıcı proteinlerin bir miktar kontraksiyon hareketi ile ilerler.
e) Zarda küçük veziküller (vakuol oluşumu) yardımı ile iyonlar içeri alınırlar.

#mineral #(iyon) #metabolizmasi