FOTOSENTEZ

FOTOSENTEZ ( GÖRSELLİ KONU ANLATIM PDF’SİNE VE VİDEOSUNA SAYFA SONUNDAN ULAŞABİLİRSİNİZ)

*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.

*Klorofil taşıyan canlıların ışık enerjisini kullanarak inorganik maddelerden organik madde sentezlemelerine fotosentez denir.

*Mor kükürt bakterileri gibi fotosentetik bakteriler, siyanobakteriler, öglena ve alg gibi protistler ve bitkiler fotosentez yapan canlılardır.

*Yeryüzündeki canlıların büyük bir kısmı, enerji ihtiyaçlarını karşılamak için doğrudan ya da dolaylı olarak fotosenteze bağımlıdır.

*İnorganik maddelerden organik madde sentezleyen canlılara ototrof canlılar denir.

*Organik madde sentezi sırasında ışık enerjisini kullanan ototroflara ise fotoototroflar denir.

*Organik besinleri sentezleyemeyen ve dışardan hazır olarak alan canlılara heterotrof canlılar denir.

*Heterotrof canlılar, besin ihtiyaçlarını ototroflardan ya da diğer heterotroflardan karşılar.

*Dolayısıyla fotosentez, ekosistemlerde besin ve enerji akışının temelini oluşturan en önemli biyolojik olaydır.

*Bitkiler fotosentez için gerekli olan su ve mineralleri, kökleri ile topraktan alırken CO2’yi ise atmosferden ya da oksijenli solunum sırasında ürettikleri CO2’den alır.

*Fotosentezde oluşan O2’nin fazlası atmosfere verilir.

*Fotosentez büyük oranda okyanus, deniz, akarsu ve göllerde yaşayan milyonlarca fitoplankton tarafından gerçekleştirilmektedir.

Fotosentez ve Fotosentezin Gerçekleştiği Yapılar

Kloroplast

*Fotosentez, ökaryot canlılarda kloroplast organelinde gerçekleşir.

*Kloroplast, bir bitkinin yeşil olan tüm kısımlarında bulunur.

*Yapısında karbonhidrat, lipit, protein, DNA, RNA gibi organik maddelerle klorofil adı verilen pigment bulunur.

*Kloroplastın dışında seçici geçirgen yapılı ve çift katlı zar bulunur. İç kısmı ise stroma adı verilen sıvı ile doludur. Bu sıvıda; DNA, RNA, ribozom ve fotosentez için gerekli enzimler yer alır.

*Fotosentez sonucu üretilen glikoz molekülleri, geçici olarak kloroplastlarda depolanır.

*Kloroplast; stromada yer alan DNA, RNA ve ribozomlar sayesinde metabolik işlevler için gerekli olan proteinleri üretir

*Çekirdek kontrolünde kendini eşleyerek sayısını artırabilir.

 

 

 

 

 

*Stroma içerisinde keselerden oluşan ve tilakoit adı verilen özel bir zar sistemi bulunur.

*Bitkiye yeşil rengini veren ve ışığı absorbe etme (emilme, soğurma) özelliğine sahip klorofil pigmentleri, kloroplastın tilakoit zarlarında yer alır.

*Bazı bölgelerde tilakoitler, sütun hâlinde üst üste gelerek granum adı verilen yapıyı meydana getirir.

*Granumlar da ara lamellerle birbirine tutunarak Güneş ışığının daha fazla absorbe edilmesini sağlayan granaları oluşturur.

 

 

 

*Bitkilerin kloroplast taşıyan yeşil kısımları, ışık varlığında CO2 ve H2O’dan organik maddeler üretir ve atmosfere O2 verir.

*Fotosentez mekanizması, 1800’lü yıllardan beri bilinmekle beraber karmaşık kimyasal reaksiyonların bazı basamakları hâlâ tam olarak aydınlanamamıştır.

 

 

 

 

*Denklemdeki C6H12O6, bir çeşit karbonhidrat olan glikozdur.

*Denklemde eşitliğin her iki tarafında H2O bulunması, suyun hem tüketildiğini hem de üretildiğini gösterir.

*Denklemdeki su molekül sayıları sadeleştirilirse aşağıdaki denklem elde edilir.

*Fotosentezde karbon kaynağı, sadece CO2’dir.

*Ancak hidrojen kaynakları, farklılık gösterebilir.

*Bitkiler ve bazı bakteriler, H2O’yu hidrojen kaynağı olarak kullanırken; bazı fotosentetik bakteriler, H2S (Hidrojen sülfür) yi hidrojen kaynağı olarak kullanmaktadır.

*Hidrojen kaynağı değiştikçe atmosfere verilen yan ürünler de değişmektedir.

*Bilim insanları, ağır oksijen izotopu (18O) kullanarak fotosentezde üretilen oksijenlerin kaynağının CO2 olmayıp H2O olduğunu ispatlamışlardır.

*Bunun için normal oksijen atomu taşıyan CO2 molekülü ve ağır oksijen izotopu taşıyan H2O’yu kullanarak fotosentezi deneysel olarak gerçekleştirmişlerdir.

*Fotosentez sonucu açığa çıkan O2’nin yapısında da ağır oksijen izotopları tespit etmişlerdir.

*Kloroplast, granalarında yer alan klorofil pigmentleri ile ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren organeldir. Güneş enerjisi ile çalışır.

*Işık, elektromanyetik denilen bir enerji şekli olup fotonlar hâlinde yayılır. Foton, yüksek hızla hareket eden ve enerji taşıyan taneciklerdir.

*Işık dalgalar hâlinde yayılır ve ışığın iki ardışık tepe noktası arasındaki mesafeye ışığın dalga boyu denir.

*Doğada gördüğümüz veya göremediğimiz farklı dalga boylarına sahip ışıklar vardır.

*Işığın dalga boyu; gama ve kozmik ışınlarda olduğu gibi nanometreden (nm) küçük, radyo dalgalarında olduğu gibi kilometreden büyük olabilir. Işığın dalga boylarına göre ölçeklendirilmesiyle oluşan sıralamaya elektromanyetik spektrum denir.

*Elektromanyetik spektrumda yaşam için önemli olan ışıklar, yaklaşık olarak 380 nm ile 750 nm dalga boyları arasında yer alır.

*İnsan gözü tarafından farklı renkler hâlinde ayırt edildiği için bu ışıklara görünür ışık adı da verilir.

*Görünür ışık, aynı zamanda fotosentezde kullanılan ışıktır.

*Atmosfer, görünür ışığın yeryüzüne ulaşmasına olanak sağlarken diğer ışınların büyük bölümünü engeller.

*Işık, saydam cisimlere çarparsa içinden geçebilir. Ayna gibi parlak yüzeyli cisimlere çarparsa yansıtılabilir, siyah renkli cisimlere çarparsa emilebilir.

*Fotosentez sırasında bu üç olay da aynı anda gerçekleşir.

*Fotosentez sırasında görünür ışığı emen ve renk veren maddelere pigment denir.

*Farklı pigmentler, farklı dalga boylarındaki ışığı soğurur.

*Soğurulamayan ışıklar ya yansıtılır ya da geçirilir.

*Kloroplastta bulunan pigmentler; en çok mor ve kırmızı dalga boylu ışığı soğurur, yeşil dalga boylu ışığın çok az bir kısmını emer, diğer kısmını yansıtır.

*Klorofilin soğurduğu ışıklar, fotosentezde kullanılır.

*Yapraklar, klorofilin yansıttığı ya da geçirdiği yeşil dalga boylu ışık yüzünden yeşil renkte görülür.

*Fotosentezde en önemli role sahip pigment, klorofil molekülüdür.

*Bu molekül; ışık enerjisini emer, yapısındaki elektronlar ile ışık enerjisini ETS elemanlarına aktarır ve ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüşümünü sağlar.

*Klorofilin yapısında; karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azot (N) ve magnezyum (Mg) atomları bulunur.

*Bitkilerde klorofilden başka pigment molekülleri de bulunur.

*Bunlardan bazıları, çiçek ve meyvelere renk veren karotenoitlerdir.

*Turuncu renkli karoten, sarı renkli ksantofil ve kırmızı renkli likopen pigmentleri bu gruba örnektir.

*Bitkilerde plastitlerin içinde bulunan, sarı, turuncu ve kırmızı renk veren bu pigmentlere karotenoitler denir.

*Karotenoitler, klorofilin soğurduğu ışıktan farklı dalga boyundaki ışıkları soğurarak klorofile aktarır.

*Bazı karotenoitler, fazla ışığı emerek klorofil molekülünün zarar görmesine engel olur.

 

*Fotosentez hızı ile görünür ışık spektrumu arasındaki ilişki, 1883 yılında Theodore Engelmann (Teodor Engılmın) tarafından yapılan bir deneyle gösterilmiştir.

*Engelmann, ipliksi alg kullanarak yaptığı deneyde algin farklı kısımlarının farklı dalga boyunda ışığa maruz kalmasını sağlamıştır.

*Algin hangi kısımda daha çok fotosentez yaparak oksijen çıkardığını saptamak için oksijenli solunum yapan bakteriler kullanmıştır.

*Algin mor, mavi ve kırmızı dalga boylu ışığın düştüğü bölgelerinde bakterilerin daha çok kümeleştiğini görmüştür.

*Engelmann yaptığı bu deneyle; klorofilin en çok mor, mavi ve kırmızı dalga boylu ışığı soğurduğunu ve fotosentezin bu ışıkların düştüğü kısımlarda daha hızlı gerçekleştiğini ispatlamıştır.

FOTOSENTEZ REAKSİYONLARI

*Fotosentez, birden fazla basamağa sahip olan iki farklı reaksiyon şeklinde gerçekleşir.

*Bunlar ışığa bağımlı reaksiyonlar ve ışıktan bağımsız reaksiyonlar adını alır.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                                

1. Işığa Bağımlı Reaksiyonlar

*Işığa bağımlı reaksiyonlar; ökaryot hücrelerdeki kloroplastın granalarında, prokaryotların hücre zarı kıvrımlarında gerçekleşir.

*Bu reaksiyonlar ışık olmadan gerçekleşmez.

*Bu evrede; ışık enerjisi, kimyasal enerjiye dönüştürülüp ATP içerisinde geçici olarak depolanır.

*Ayrıca klorofil tarafından soğurulan ışığın bir kısmı ile su molekülleri parçalanır. Bu olaya fotoliz denir.

*Suyun parçalanması ile açığa çıkan hidrojenler (H+), bir çeşit koenzim olan NADP+ (nikotinamid adenin dinükleotit fosfat) ile tutularak NADPH molekülü üretilir.

*Fotoliz sonucu açığa çıkan oksijenin fazlası, atmosfere bu evrede verilir.

*Robert Hill, 1937 yılında ortamda ışık, su ve uygun bir hidrojen yakalayıcısı bulunduğunda kloroplastların CO2 olmadan O2 oluşturabildiklerini görmüştür. Elektron alıcısının sudaki hidrojeni tutarak oksijeni serbest bırakmasına bu nedenle Hill reaksiyonu adı verilmiştir.

*Işığa bağımlı reaksiyonlarda ATP sentezi için klorofilin ışığı absorbe etmesi ve ışık tarafından uyarılmış elektronların klorofilden ayrılması gerekir.

*Elektronlardaki enerjiden ATP sentezi yapılabilmesi için elektronları tutabilecek bir sisteme ihtiyaç duyulur. Bu amaçla kloroplastların granumlarında elektron taşıma sistemi (ETS) yer alır.

*Klorofilden ayrılan elektronlar, yükseltgenme ve indirgenme kurallarına göre ETS’de bulunan bir molekülden diğerine aktarılır.

*Bu aktarım sırasında elektronlardaki enerjinin bir kısmı ile ATP sentezlenirken bir kısmı da ısı enerjisi şeklinde sistemden uzaklaştırılır. Bu şekilde ışık enerjisi yardımıyla ATP sentezlenmesine fotofosforilasyon denir.

*Işığa bağımlı reaksiyonlar sırasında üretilen NADPH ve ATP ışıktan bağımsız reaksiyonlara aktarılarak organik madde sentezinde kullanılır.

*Fotofosforilasyonla üretilen ATP, sadece fotosentezde organik madde sentezi için tüketilir.

 

 

2. Işıktan Bağımsız Reaksiyonlar

*Fotosentezin ışıktan bağımsız reaksiyonları; ökaryot hücrelerde stromada, prokaryot hücrelerde ise sitoplazmada gerçekleşir.

*Işıktan bağımsız reaksiyonlar, 1961 yılında Melvin Calvin’in (Melvin Kalvin) yaptığı araştırmalar sonucu açıklanmıştır. *Bu reaksiyonlar Kalvin döngüsü olarak da bilinir.

*Bu evre sayesinde stromada CO2 tüketilerek başta glikoz olmak üzere organik madde çeşitlerinin birçoğu sentezlenir.

*Işıktan bağımsız reaksiyonlarda ışık doğrudan gerekli olmasa da ışığa bağlı reaksiyonlarda açığa çıkan ATP ve NADPH’a ihtiyaç duyulur.

*Enzimlerin kontrolünde gerçekleşen bu reaksiyonlarda klorofil ve ETS elemanları görev almaz.

*Yüksek sıcaklık, ışıktan bağımsız evrede kullanılan enzimlerin yapısına zarar vereceği için fotosentezi yavaşlatır.

*Işığa bağımlı reaksiyonlardan gelen ATP’lerin defosforilasyonu sonucu açığa çıkan enerji ile CO2 ve NADPH’ın hidrojenleri birleştirilir.

*3 karbonlu fosfogilseraldehit (PGAL) molekülleri sentezlenir.

*PGAL’nin bir kısmı glikoza dönüşürken bir kısmı da diğer organik maddelerin sentezinde kullanılır.

*Dönüşüm sırasında açığa çıkan NADP+, ADP ve inorganik fosfat molekülleri ise stromadan granaya aktarılır ve ışığa bağlı reaksiyonlarda yeniden NADPH ve ATP sentezinde kullanılır.

*Kısaca fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonlarında H2O fotolize uğrar, ATP ve NADPH sentezlenir, O2 açığa çıkar. *Işıktan bağımsız reaksiyonlarda ise CO2, ATP ve NADPH’ın hidrojenleri tüketilir ve PGAL sentezlenir.

*PGAL, diğer organik moleküllerin sentezine temel teşkil eden önemli bir moleküldür.

*Kloroplastın stroma kısmında PGAL’den bitkinin ihtiyaç duyduğu tüm organik moleküller dönüşüm reaksiyonları ile üretilir.

FOTOSENTEZ HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER

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

*Fotosentetik bir hücre, gündüz hem oksijenli solunum hem de fotosentez yaparken geceleri sadece oksijenli solunum yapar.

*Ancak fotosentez hızı sadece birim zamanda atmosferden alınan CO2 veya atmosfere verilen O2 miktarına göre belirlenemez.

*Fotosentez reaksiyonlarının hızı; klorofil miktarı, sıcaklık, ışığın şiddeti, ışığın dalga boyu ve CO2 miktarı gibi faktörlere bağlı olarak gerçekleşir.

*Bu faktörlerden miktarı en az olan, fotosentez hızını belirler ve buna minimum kuralı denir.

*Buradan da anlaşılacağı gibi fotosentez hızını birden çok faktör aynı anda etkiliyorsa bu faktörlerden miktarı düşük olan, fotosentez hızını belirler.

 

 

CİCİ BİLGİ

NaOH, Ca (OH)2, Ba (OH)2, KOH gibi bileşikler CO2 ile tepkimeye girer ve özel tuzları oluşturur. Bu tür bileşiklere CO2 tutucusu denir.

 

 

 

Klorofil Miktarı

 

*Optimum koşullarda klorofil miktarı arttıkça fotosentez hızı artar.

*Yaprak genişliği çok olan bitkilerde kloroplast sayısı çok olacağı için fotosentez hızı da artar.

 

 

Işık Şiddeti

*Fotosentez, ışık enerjisi olmadan gerçekleşmez.

*Fotosentezin başlayabilmesi için ışığın klorofil tarafından soğurulması gerekir.

*Işık şiddeti arttıkça fotosentez hızlanır.

*Ancak ışık şiddetinin sürekli artırılması, fotosentez hızını aynı oranda artırmaz. Çünkü minimum kuralına göre 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.

 

 

 

 

Işığın Dalga Boyu

 

*Fotosentez, 380-750 nm dalga boyu aralığındaki görünür ışıkta gerçekleşir.

*Klorofil; mor, mavi ve kırmızı dalga boylu ışıkları daha çok soğurduğu için fotosentez bu dalga boylu ışıklarda daha hızlı gerçekleşir. Yeşil dalga boylu ışık ise klorofil tarafından çok az miktarda soğurulduğundan fotosentez, yeşil dalga boylu ışıkta en düşük hızda gerçekleşir

 

 

CO2 Yoğunluğu

*Fotosentezin başlaması için CO2 yoğunluğunun belli miktarda olması gerekir.

*Fotosentetik canlıların yaşadığı ortamdaki CO2 yoğunluğu belirli bir seviyeye kadar arttığında fotosentez hızı da artar.

*Ancak belirli bir noktadan sonra CO2 seviyesindeki artış fotosentez hızını artırmaz.

*Ortamda CO2 tutucularının bulunması, fotosentez hızını düşürür.

 

 

 

 

 

Sıcaklık

*Fotosentez reaksiyonlarında birden çok enzim çeşidi görev alır.

*Bu nedenle sıcaklık değişimleri, fotosentez tepkimelerinin gerçekleşme hızını etkiler.

*Enzimlerin en iyi görev yaptığı sıcaklık değerine optimum sıcaklık denilmektedir.

*Optimum sıcaklığa kadar olan artışlar, fotosentezi hızlandırır. Bu değerin altında veya üstünde olan sıcaklık değerleri, fotosentezi yavaşlatır.

*Çok yüksek sıcaklıklarda enzim yapısı bozulacağı için fotosentez durur.

*Işık şiddeti ve sıcaklık bir arada düşünülecek olursa yüksek ışık şiddeti altındaki sıcaklık artışı, fotosentezi belirli bir değere kadar hızlandırır.

*Ancak düşük ışık şiddeti altındaki sıcaklık artışı, fotosentez hızında belirgin bir artışa neden olmaz.