FOTOSENTEZ

FOTOSENTEZ

Fotosentez olmadan Dünya'da yaşamı düşünmek mümkün değildir. Çünkü fotosentez çoğu yaşam formunu destekleyen temel bir süreçtir. Eğer fotosentez olmasaydı, atmosferimizde yeterli oksijen olmazdı. Bu da insanlar ve hayvanlar için ciddi bir sorun yaratırdı. Oksijensiz bir dünyada yaşam mümkün olamazdı.

Yeryüzündeki birçok canlı için gerekli olan enerjinin kaynağı Güneş’tir. Canlıların Güneş enerjisini doğrudan kullanması ya da bu enerjiyi depolaması mümkün değildir. Güneş’ten gelen ışık enerjisinin canlıların kullanabileceği enerji şekline dönüşmesi fotosentez ile sağlanır.

-Canlıların ışık enerjisini kullanarak CO₂ ve H₂O gibi inorganik maddelerden organik madde sentezlemelerine fotosentez denir.

-Fotosentez gerçekleştiren prokaryot hücre yapısında olan canlılar: Siyanobakteriler ve mor kükürt bakterileridir.

-Fotosentez gerçekleştiren ökaryot hücre yapısında olan canlılar: Öglena, alg gibi protistler ile bitkiler (tam parazit bitkiler hariç) dir.

-Organik madde sentezi sırasında enerji kaynağı olarak ışığı kullanan bu canlılara fotoototrof (fotosentetik) canlılar denir.

Bitkiler (Tam parazit bitkiler hariç. Bu bitkiler fotosentez yapmaz), algler, öglena ve siyanobakteriler fotosentez sırasında H₂O kullanır ve yan ürün olarak O₂ üretir.

-Denklemde eşitliğin her iki tarafında H2O bulunması, suyun hem tüketildiğini hem de üretildiğini gösterir. Denklemdeki su molekül sayıları sadeleştirilirse aşağıdaki denklem

elde edilir:

-Mor kükürt bakterileri (fotosentetik bakteridir) fotosentez sırasında hidrojen kaynağı olarak H₂S kullanır ve yan ürün olarak kükürt üretir.

-Bu durumda yan ürün olarak oksijenin oluştuğu ve oksijenin oluşmadığı iki fotosentez tipinden bahsedilebilir.

-Oksijenin oluştuğu fotosentez hem prokaryot hem de ökaryot hücre yapısına sahip organizmalar tarafından gerçekleştirilirken, oksijenin oluşmadığı fotosentez sadece prokaryot hücre yapısında olan organizmalar tarafından gerçekleştirilir.

-Atmosfere verilecek yan ürün çeşitlerini belirleyen, kullanılan hidrojen kaynağıdır. Hidrojen kaynağı H₂O ise yan ürün O₂’dir. H₂S ise yan ürün S’dir.

Bütün fotosentez tepkimelerinin ortak özellikleri:

-Işık enerjisi kullanılır.

-Klorofil görev yapar.

-CO₂ indirgenir (=özümlenir, =kullanılır.)

-İnorganiklerden organik besin sentezlenir.

-Glikoz ve su oluşur.

-Enzimatik tepkimelerdir.

-ETS görev yapar.

-Hidrojen ve elektron kaynağı kullanılır.

Işığın Özellikleri

-Fotosentez sırasında görünür ışık pigmentler tarafından soğurularak besinlerin yapısındaki kimyasal enerjiye dönüştürülür.

-Işık enerjisi dalgalar halinde yayılan bir elektro manyetik enerji biçimidir.

-Dalgalar hâlinde yayılan ışığın oluşturduğu iki ardışık tepe noktası arasındaki mesafeye ışığın dalga boyu denir. Işığın dalga boyu nm (nanometre)'den küçük olabileceği gibi km'den büyük olabilir. Örneğin gama ve X-ışınlarının dalga boyu nm'den küçük radyo dalgalarınınki km'den büyüktür. Işığın dalga boylarına göre sıralanmasıyla elektromanyetik spektrum elde edilir.

-Spektrumda yer alan ışığın yaklaşık 380 nm ile 750 nm arasındaki dalga boyları insan gözüyle görülebildiğinden görünür ışık olarak isimlendirilir.

-Tüm renklerin karışımı olan beyaz ışık, prizmadan geçirildiğinde mor, mavi, yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı renkli ışık bantları oluşur. Görünür ışık spektrumunda dalga boyu en uzun olan kırmızı ışık, en kısa olan ise mor ışıktır.

-Enerji miktarı ışığın dalga boylarıyla ters orantılıdır. Dalga boyu uzun olan ışığın enerjisi düşük, kısa olanın ise enerjisi yüksektir.

-Mor renkli ışığın enerjisi kırmızı ışığın sahip olduğu enerjinin iki katıdır. Bitkiler fotosentez yaparken spektrumdaki görünür ışığı kullanır. Görünemeyen ışık ise klorofil tarafından tutulmaz ve fotosentezde kullanılmaz.

-Işık; foton adı verilen, yüksek hızda hareket eden ve enerji taşıyan temel taneciklerden oluşan bir enerji türüdür. Işık hem dalga hem de tanecik (parçacık)

yapısına sahiptir. Güneş’in yaydığı elektromanyetik ışınlardan, görünür dalga boyunda olanların fotonlarındaki enerji fotosentezde kullanılır.

Şekil: Elektromanyetik spektrum

FOTOSENTEZ PİGMENTLERİ

-Görünür ışığı emen, soğuran maddeler pigment olarak isimlendirilir.

- Fotosentez olayında görev yapan temel pigment klorofildir. Klorofilin

soğurduğu ışık enerjisi fotosentezde kullanılır.

-Farklı pigmentler, farklı dalga boyundaki ışığı soğurur, soğurulmayan ışıkları ise geçirir ya da yansıtır. Eğer bir pigmente beyaz ışık gönderilirse pigment tarafından yansıtılan ya da geçirilen ışık gözümüzün seçebileceği rengi oluşturarak cisimleri farklı renklerde görmemizi sağlar.

Fotosentez, iki ana basamakta gerçekleşir.

1. Birinci basamakta ışık enerjisi, hücrenin doğrudan kullanabileceği kimyasal enerjiye dönüştürülür. Dönüşüm sırasında mutlaka ışık enerjisi kullanıldığından bu olaya ışığa bağımlı reaksiyonlar denir.

2. İkinci basamakta CO₂ kullanılarak birinci basamaktan gelen ATP ve NADPH molekülleri yardımıyla organik madde sentezlenir. Bir dizi kimyasal tepkimelerin gerçekleştiği bu basamağa ışıktan bağımsız reaksiyonlar (Calvin Döngüsü) denir.

-Ökaryot hücrelerde fotosentez, kloroplast denilen organellerde gerçekleşirken

prokaryot hücrelerde sitoplazmada bulunan içe doğru katlanmış hücre zarı

kıvrımlarında gerçekleşir.

1. Işığa Bağlı Evre

- Amaç; ışıktan bağımsız tepkimeler için gerekli ATP ve NADPH üretmektir.

-Işık ve klorofil olmadan gerçekleşmez.

-Kloroplastların granumlarnı oluşturan tilakoit zarlarda gerçekleşir.

-İlk gerçekleşen olay klorofil moleküllerinin ışığı soğurması ve elektron kaybederek yükseltgenmesidir.

-İkinci sırada gerçekleşen olay, suyun fotolizidir.

-Daha sonra ATP üretilir. Fotosentezde üretilen ATP’ler fotosentezde kullanılır.

-En son gerçekleşen olay NADP’nin indirgenmesidir. Yani NADPH+H+ üretimidir. Işık enerjisini ATP ve NADPH formunda kimyasal enerjiye dönüştürür.

-Suyu ayrıştırır ve oksijen açığa çıkar.

- Bu evrede gerçekleşen en önemli olay suyun fotolizidir.

-Suyun fotolizi (suyun oksidasyonu): Işık enerjisi ve enzimlerle su moleküllerinin iyonlarına ayrışması olayıdır.

Fotosentezde kullanılan suyun 3 önemli işlevi vardır:

1.  NADP⁺ için hidrojen kaynağıdır. açığa çıkan hidrojen iyonları, NADP⁺ ile birleşerek NADPH molekülünü oluşturur. Bu NADPH, Calvin döngüsünde organik madde sentezinde kullanılır.

2. Atmosfer için oksijen kaynağıdır. Fotoliz sonucu serbest kalan oksijen, bir yan ürün olarak atmosfere verilir.           

3. Klorofil için elektron kaynağıdır. Elektronlar, elektron taşıma sistemi üzerinde yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonları ile taşınırken taşıma sırasında enerjilerinin bir kısmı ATP molekülünün sentezi için kullanılır.

2. Işıktan Bağımsız Evre (Calvin Döngüsü)

-Amaç; organik besin üretmektir. 

 -Ökaryot hücrelerde kloroplastın stromasında; prokaryot hücrelerde ise sitoplazmada gerçekleşir.

-CO₂ özümlenerek (tutularak, kullanılarak) başta glikoz olmak üzere organik madde çeşitlerinin birçoğu sentezlenir.

- Işık doğrudan kullanılmadığı için bu aşamaya ”karanlı evre” adı da verilir.

- Işığa bağlı evrede açığa çıkan ATP ve NADPH’a ihtiyaç duyulur. Bunun için gündüz gerçekleşir.

- Enzimatik yönü yüksek olan tepkimeler olduğu için sıcaklık değişimlerine karşı hassastır.

-Klorofil ve ETS görev yapmaz.

-Işığa bağımlı evreden gelen ATP’lerin enerjisi ile NADPH’ın hidrojenleri ve CO₂ birleştirilir, 3 karbonlu fosfogliseraldehit (PGAL) molekülleri sentezlenir.

-PGAL’in bir kısmı glikoza dönüşürken bir kısmı da bitkinin ihtiyaç duyduğu diğer organik maddelerin sentezinde kullanılır.

-Oluşan ADP ve NADP⁺’ler tekrar ışığa bağımlı evrede tekrar kullanılır.

-Işıktan bağımsız tepkimelerde üretilen PGAL, deyim yerinde ise her derde deva bir moleküldür diyorum. Çünkü;

-PGAL’in bir kısmı ile ışıktan bağımsız reaksiyonların sürekliliği sağlanmış olur.

-PGAL’in bir kısmından ise glikoz sentezlenir. Glikozun fazlası lökoplastlarda nişastaya dönüştürülerek bitkinin kök tohum, ve meyve gibi yapılarında depo edilir.

- PGAL'in bir bölümü yağ asidi ve gliserol yapımında kullanılır.

 -Bir bölümü ile de amino asit, vitamin ve organik bazlar sentezlenir. Bu dönüşümler sırasında topraktan su ile alınan N, S, Fe, Mg gibi mineral maddeler de kullanılabilir.

PGAL kullanılarak Işıktan bağımsız evrede sentezlenen organik bileşikler

Fotosentezin ışığa bağımlı ve ışıktan bağımsız reaksiyonlarının karşılaştırılması

Fotosentez Hızına Etki Eden Çevresel Faktörler

-Bir hücrenin fotosentez hızı, birim zamanda tükettiği CO2 veya ürettiği O2 miktarı ile ölçülür.

-Fotosentez aynı anda birden çok faktörün etkisi altındadır. Bu durumda fotosentezin hızını, (bitkinin ihtiyacına göre) miktarı en az olan faktör belirler. Buna minimum yasası denir.

1. Işık Şiddeti: Bitkiler ışıksız ortamda fotosentez yapamaz. Işık, fotosentezin ışığa bağımlı tepkimelerinde ATP ve NADPH+H⁺ sentezlenmesinde kullanılır. Işık şiddeti arttıkça fotosentez hızlanır. Ancak ışık şiddetinin sürekli artırılması, fotosentez hızını aynı oranda artırmaz. Miktarı sabit kalan diğer faktörler fotosentez hızını sınırlandırır. Bu nedenle ışık şiddetinin sürekli artışı fotosentezi belirli bir seviyeye kadar hızlandırır.

Daha sonra fotosentez sabit bir hızla gerçekleşmeye devam eder.

2. Işığın Dalga Boyu: Fotosentez, 350-780 nm dalga boyu aralığındaki görünür ışıkta gerçekleşir. Canlıların fotosentez yapabilmesi için öncelikle ışığın soğrulması gerekir. Klorofil mor, mavi ve kırmızı dalga boylarındaki ışığı en iyi soğurduğu için fotosentez bu dalga boylarında daha hızlıdır. Fotosentez hızının en düşük olduğu dalga boyu ise klorofil tarafından yansıtılan yeşil renge karşılık gelmektedir.

3. Karbondioksit Miktarı (CO₂ Yoğunluğu): CO₂, fotosentezin ışıktan bağımsız tepkimelerinin başlaması için gereklidir. CO₂ miktarı arttığında fotosentez hızı belirli bir değere kadar artar. Sonra da sabit kalır. Havadaki CO₂ yoğunluğu belirli bir sınırın altına düşerse bitki CO₂ bağlayamaz ve fotosentez durur.

4. Sıcaklık: Fotosentezin ışıktan bağımsız tepkimeleri üzerinde daha çok etkilidir. Çünkü bu tepkimelerde birçok enzim görev yapmaktadır. Sıcaklık artışı tepkimelerin hızını da artırır; belirli bir noktadan sonra ise bu artış tepkimeleri durdurabilir. Fotosentezin ideal sıcaklık (optimum sıcaklık) derecesi 25-35⁰C arasıdır. 35⁰C'un üstüne çıktığında genellikle enzim yapısı bozulacağından fotosentez hızı düşer ve durur.

5.Su Miktarı: Fotosentezde su; oksijen, elektron ve hidrojen kaynağı olarak kullanılır. Su miktarının belirli oranda artışı fotosentez hızını artırır. Fakat yeterli suyun bulunduğu ortamda su miktarının artması tek başına fotosentez hızını etkilemez. Su miktarı azaldıkça fotosentez hızı azalır. Ortamda su miktarının azalması fotosentez hızını etkiler. Su miktarının belli bir değerin altında olması fotosentezle ilişkili enzimlerin yapısını ve işlevini bozarak fotosentez sürecini yavaşlatabilir veya durdurabilir.

6. Mineraller: Mineraller hem biyokimyasal süreçlerde görev yapar hem de fotosentez elemanlarının yapısına katılır. Örneğin Fe, ETS elemanlarından ferrodoksinin ve klorofil sentezini katalizyen bir enzimin yapısına katılır. Mg klorofilin yapısında bulunur. Mn, Ca, K ise fotosentezde rol oynayan bazı enzimlerin kofaktörüdür. Minimum yasasına göre fotosentez hızını miktarı en düşük olan mineral belirler.

7. Ortamın pH değeri: Fotosentez, özellikle ışığa bağımlı olmayan reaksiyonların enzimatik yönü yüksek olduğundan, enzimler de belirli pH aralıklarında çalıştıklarından dolayı ortam pH’ı fotosentez hızını etkiler.

Fotosentezde Kullanılan ve Üretilen Maddeler

-1937 yılında O₂'in kaynağının su olduğu Robert Hill (Rabırt Hil) tarafından ispatlanmıştır. Ayrıca yeşil alg çeşidiyle yapılan deneyde yeşil algin ortamında ağır oksijenli (O¹⁸) H₂O molekülleri ile normal CO₂ bulunduğunda fotosentez sonucu çıkan oksijenin ağır oksijen olduğu ve O₂'in H₂O'dan geldiği görülmüştür.