Fotosentez

Fotosentez, ototrofların klorofil pigmenti ve ışık enerjisi ile organik madde sentezlemesidir. Fotosentez yapan canlı kendi besinini kendisi üretir (ototrof). Fotosentez tepkimeleri ökaryot canlılarda kloroplast organelinde, prokaryot canlılarda ise sitoplazmaya dağılmış olan klorofil pigmentlerinde gerçekleşir.

Fotosentez Denklemi

• Bitkilerde görülen genel bir fotosentez tepkimesi “6CO₂ + 12H₂O + ışık enerjisi —> C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O” şeklindedir.
  • Buradaki suları isterseniz sadeleştirip “6CO₂ + 6H₂O + ışık enerjisi —> C₆H₁₂O₆ + 6O₂” şeklinde de tepkimeyi yazabilirsiniz.
• Bakterilere göre özelleşmiş denklemler:
  • nCO₂ + nH₂O —> (CH2O)_n + nO₂ (Bitkiler, öglena ve siyanobakteriler)
  • nCO₂ + 2nH₂S —> (CH2O)_n + 2nS (Fotosentetik bakteriler)
  • nCO₂ + 2nH₂ —> (CH2O)_n + 2nH₂O (Fotosentetik bakteriler)

Önemli Bilim İnsanları ve Katkıları:

• Jan Baptista van Helmont: Bitkilerin kütle artışının sudan kaynaklandığını ileri sürdü.
• Theodor Wilhelm Engelmann: Fotosentezde ışığın dalga boylarının etkisini açıkladı.
• Frederick Blackman: Fotosentez hızını etkileyen faktörlerin miktarını buldu.
• Cornelius Bernardus van Niel: Fotosentezde oksijenin kaynağının su molekülü olduğunu buldu.
• Robert Hill: Fotosentez sırasında oluşan oksijenin sudan kaynaklandığını gösteren Hill reaksiyonunu ortaya koydu.

Fotosentezin Önemi

• Fotosentez sonucu oluşan organik maddeler, canlıların temel besin kaynağıdır.
• Canlılar, bu besinlerden enerji elde ederek yaşamını sürdürür.
• Fotosentez, ekosistemlerde enerji akışını ve karbon döngüsünü düzenler.
• Oksijen üretimi sağlar; canlıların oksijen ihtiyacını karşılar.

Fotosentezde Rol Oynayan Ögeler

Fotosentezde karbon kaynağı ve su dışında rol oynayan temel ögeler arasında kloroplas, ışık ve pigmentler bulunur.

Kloroplast

Ökaryot canlılar için fotosentezin gerçekleştiği organelinde bitkiye yeşil rengini veren klorofil pigmenti bulunur. Klorofil pigmetni prokaryot hücrelerin sitoplazmasına dağılmış şekilde de bulunabilir. Bu sayede prokaryot canlılar da fotosentez yapar.

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. Bazı bölgelerde tilakoitler, sütun halinde üst üste gelerek granum adı verilen yapıyı meydana getirir. Granumlar da ara lamellerle birbirine tutunarak Güneş ışığının daha fazla emilmesini sağlayan granaları oluşturur.

Fotosistem Kavramı

Tlikoit zarın içinde bulunan; ışığı emen pigmentler, proteinler, ilk elektron alıcısı ve diğer moleküller fotosistem adı verilen birimler halinde düzenlenmiştir. Fotosistem ışığın emildiği ve elektronların hareketleriyle enerji transferi yapılan birimdir.

Her fotosistemde anten kompleksi ve tepkime merkezi bulunur.

• Anten kompleksi çok sayıda klorofil ve karotenoit pigmentleri bulunur. Anten kompleksindeki pigmentler ışığı toplayıp tepkime merkezine iletirler.
• Tepkime merkezinde ise klorofil a ve ilk elektron alıcısı bulunur.

Fotosentezin ışığa bağımlı tepkimelerinde kullanılan iki fotosistem çeşidi vardır. Bunlar fotosistem-1 ve fotosistem-2’dir. İkisi arasındaki temel fark; soğurdukları ışıkların dalga boylarının farklı olmasıdır. Fotosistem-1 700nm dalga boylarındaki ışığı en iyi soğururken fotosistem-2 680nm dalga boyundaki ışığı en iyi soğurur.

Fotosisteme ışık düştüğünde ışığın enerjisi tepkime merkezine ulaşıncaya kadar anten kompleksinde bulunan pigmentlerde gezer. Tepkime merkezine ulaştığında klorofilden bir elektron koparılır ve bu elektron ilk elektron alıcısı adında özel bir molekülle tutulur.

Işık Enerjisi

• Fotosentez sırasında bitkiler görünür ışık bölgesindeki fotonların enerjisini kullanarak besin üretirler ve bu süreç canlı yaşamı için kritik öneme sahiptir.
• Işık, yüksek hızla hareket eden, enerji taşıyan taneciklere (foton) verilen isimdir.
• Güneşten yayılan ışık enerjisi, elektromanyetik ışınlardan oluşur ve bu ışınların fotosentezde kullanılan kısmı görünür ışık olarak adlandırılır.
• Elektromanyetik ışınlar farklı dalga boylarına sahiptir. Bunların tamamına elektromanyetik spektrum denir.
• Elektromanyetik spektrum; gama ışınları, X-ışınları, morötesi (ultraviyole), görünür ışık, kızılötesi, mikrodalga ve radyo dalgaları gibi bölümlerden oluşur.
• İnsan gözü yaklaşık 380 nm ile 750 nm arasındaki dalga boylarına sahip ışığı görebilir ve bu bölgeye görünür ışık (beyaz ışık) denir.
• Görünür ışık prizma yardımıyla kırıldığında kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor renkler oluşur.
• Dalga boyu ile ışığın enerjisi ters orantılıdır. Uzun dalga boyu (örneğin kırmızı) düşük enerjilidir; kısa dalga boyu (örneğin mor) ise yüksek enerjilidir.

Pigmentler

• Pigmentler, görünür ışığı soğuran maddelerdir; farklı pigmentler ışığın farklı dalga boylarını emer, yansıtır veya geçirir.
• Bitkilerde fotosentez için en önemli pigmentler klorofil, karoten, ksantofil ve likopendir.
• Klorofil, karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azot (N) ve magnezyum (Mg) içeren yeşil pigmenttir; ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürmede temel rol oynar.
• Demir (Fe), klorofilin sentezi için gerekli bir elementtir ve klorofil oluşumunda görev yapan enzimin kofaktörüdür. Ancak klorofil yapısında bulunmaz.
• Karotenoidler (karoten, ksantofil, likopen), klorofilin soğuramadığı ışınları emer, ışık enerjisini klorofile aktarır ve fazla ışığın zararlı etkilerinden klorofili korur.

Fotosentez Tepkimeleri (Reaksiyonları)

Fotosentez 2 aşamada gerçekleşir. Birinci aşamada güneş enerjisinden atp üretilir, ikinci aşamasında ise üretilen atpler besin sentezinde kullanılır. Birinci aşamaya ışığa bağımlı tepkimeler denir. İkinci aşamaya ise ışıktan bağımsız tepkimeler denir.

Işığa Bağımlı Tepkimeler

Işığa bağımlı reaksiyonlar, bitkilerin kloroplast denilen özel yapıların içindeki tilakoit zarlarında gerçekleşir. Bu reaksiyonlar için ışık şarttır, karanlıkta gerçekleşmezler. Güneş ışığını yakalamakla görevli olan klorofil molekülleri, ışığı emerek enerji depolar.

Klorofil molekülleri, güneş ışığını yakaladığında yüksek enerji seviyesine çıkar. Bu enerji nedeniyle klorofilden elektronlar ayrılır. Ayrılan elektronlar elektron taşıma sistemi (ETS) adı verilen özel bir yol boyunca taşınır. Elektronların taşınması sırasında oluşan enerji, ATP adlı enerji molekülünün üretiminde kullanılır. Aynı zamanda, bu süreçte NADP+ molekülleri, hidrojen iyonları (H⁺) ve elektronlarla birleşerek NADPH molekülüne dönüşür.

Elektronları kaybeden klorofil molekülleri, kaybolan elektronlarını su moleküllerinden karşılar. Bu nedenle su molekülleri parçalanır ve bu olaya fotoliz denir. Fotoliz sırasında oksijen açığa çıkar, biz de bu oksijeni solunumda kullanırız. Fotoliz aşağıdaki formülle gösterilebilir:

Su parçalandığında hidrojen iyonları (H⁺) ortaya çıkar. Bu hidrojen iyonları tilakoit boşluğunda birikir ve tilakoit zarındaki ATP sentaz enzimi aracılığıyla dışarı çıkar. Hidrojen iyonlarının dışarı çıkışı sırasında ATP sentezlenir. Böylece ışık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülerek ATP ve NADPH moleküllerinde geçici olarak depolanır.

Işığa Bağımsız Tepkimeler

Işıktan bağımsız reaksiyonlar, ışık olmadan da gerçekleşebilen reaksiyonlardır. Bu reaksiyonlar kloroplastın sıvı kısmı olan stromada gerçekleşir. Bu döngü ilk olarak Melvin Calvin tarafından açıklandığı için Calvin Döngüsü olarak da bilinir.

Calvin döngüsünde, atmosferden alınan karbondioksit (CO₂), ışığa bağımlı reaksiyonlardan gelen ATP enerjisi ve NADPH kullanılarak glikoza dönüştürülür. Karbondioksit önce üç karbonlu bir molekül olan PGAL’a dönüştürülür ve daha sonra glikoz gibi farklı organik moleküller oluşturulur.

Not: Işığa bağımsız tepkime; karanlıkta gerçekleşen tepkime anlamına gelmemektedir. Bu tepkimelerin gerçekleşmesi için ışığa ihtiyaç duyulmadığından ışığa bağımsız tepkimeler denmiştir.

Fotosentez Reaksiyonlarının Karşılaştırılması

Organik Moleküllerin Sentezi

Calvin döngüsünde oluşan PGAL molekülü sadece glikoz üretiminde değil, birçok organik molekülün sentezinde de görev alır. Bunlar arasında:

• Proteinler
• Amino asitler
• Yağ asitleri ve gliserol (yağlar)
• Nükleik asitler (DNA, RNA)
• Vitaminler ve hormonlar bulunur.

Bitkiler bu molekülleri sentezlemek için topraktan aldıkları azot tuzlarını da kullanırlar. Böylece bitkiler, ihtiyaçları olan bütün organik maddeleri fotosentez sayesinde üretirler.

Fotosentez Hızını Etkileyen Etkenler

1. Klorofil Miktarı
   • Klorofil, fotosentezi yapan temel pigmenttir.
   • Bitkilerde klorofil ne kadar fazlaysa, fotosentez hızı da o kadar yüksek olur. Bu nedenle yaprakları daha yeşil olan bitkiler daha çok fotosentez yapabilir.
   • Ancak klorofil miktarı arttıkça, fotosentez belirli bir noktadan sonra sabit kalır, daha fazla artmaz.
   • Günlük Hayattan Örnek: Bir bitkinin yaprakları koyu yeşilse, klorofil miktarı yüksektir ve daha iyi fotosentez yapabilir. Sararmış bir bitki ise klorofilini kaybetmiş demektir ve fotosentez yapamaz.
2. Işık Şiddeti:
   • Işık, fotosentezin gerçekleşmesi için olmazsa olmazdır.
   • Işık şiddeti arttıkça fotosentez hızı da artar ama belli bir noktadan sonra sabitlenir.
   • Eğer bitkiler yeterli ışık alamazsa, fotosentez yeterli gerçekleşmez ve bitki gelişimi yavaşlar.
   • Günlük Hayattan Örnek: Ormanların alt tabakasında yaşayan bitkiler, üstteki büyük ağaçlardan dolayı fazla ışık alamaz ve bu nedenle daha az gelişirler.
3. Sıcaklık:
   • Enzimlerin çalıştığı optimum sıcaklık olan 25-35 derece arası fotosentez hızı maksimumdur.
   • Sıcaklık bu aralığın altına düşerse veya üzerine çıkarsa fotosentez yavaşlar ve çok yüksek sıcaklıkta tamamen durabilir.
   • Günlük Hayattan Örnek: Çok soğuk ya da çok sıcak havalarda bitkilerin büyümeleri yavaşlar, çünkü fotosentez yapamazlar. Seralarda sıcaklık kontrol edilerek bitkilerin daha iyi fotosentez yapması sağlanır.
4. CO₂ miktarı:
   • Karbondioksit arttığında fotosentez hızı belli bir yere kadar artar, sonra sabit kalır.
   • Günlük Hayattan Örnek: Seralarda CO₂ yoğunluğunu artırmak için ekstra karbondioksit verilmesi, bitkilerin daha hızlı büyümesini sağlar.
5. Işık Rengi:
   • Farklı renklerdeki ışıkların fotosentez hızına etkisi farklıdır.
   • Bitkiler en çok mor, mavi ve kırmızı ışıkları emer ve bu dalga boylarında fotosentez daha hızlı gerçekleşir.
   • Yeşil ışık ise yansıtılır ve fotosenteze pek katkı sağlamaz
   • Günlük Hayattan Örnek: Bazı bitki yetiştirme lambaları mavi ve kırmızı renkli ışık yayar çünkü bu renklerde fotosentez daha verimli olur.
6. Su Miktarı:
   • Su miktarı %15’in altına indiğinde enzimler inaktif olacağından fotosentez durur. Su miktarının belli bir değerden sonra artması fotosentez hızını etkilemez.