I-FOTOSENTEZ VE FOTOSENTEZİN CANLILAR İÇİN ÖNEMİ

 

I-          FOTOSENTEZ VE FOTOSENTEZİN CANLILAR İÇİN ÖNEMİ

Yeryüzünde canlılığın devamı enerji temel şartlardan biridir. Tüm canlıların hücrelerinde kullanabildikleri ortak enerji molekülü ATP’dir. Ancak doğada ATP molekülü bulunmamaktadır. Ancak farklı enerji türleri bulunmaktadır. Bu nedenle canlılar mevcut enerjiyi dönüştürerek hücrelerinde kullanabileceği ATP molekülünü üretmek zorundadır.

Bu enerji dönüşümlerinin başlangıcında kullanılan temel enerji güneş enerjisidir. Güneş enerjisi doğrudan kullanılabilen bir enerji şekli değildir.   Ayrıca tüm canlılar güneş enerjisinden yararlanamazlar. Bu nedenle canlılığın devamı güneş enerjisinden yararlanabilen canlılara bağlıdır.

Yeryüzünde enerji dönüşümü aşağıdaki şekilde özetlenmiştir.

 

 

Güneş enerjisini kullanabilen ilk canlılara üreticiler (Ototrof canlılar) denir. Ototroflar güneş enerjisini kullanarak inorganik maddelerden organik madde sentezlerler. Bu sırada güneşten aldıkları enerjiyi organik maddelerin yapısında kimyasal bağ enerjisi şeklinde depolarlar. Daha sonra bu besini solunumda yıkarak ATP sentezleyerek kullanırlar. Besin sentezi sırasında ışık enerjisi kullanan ototroflara fotosentetik ototrof canlılar denir. Yeşil bitkiler, siyanobateriler, algler ve bazı bakteriler fotosentetik canlılardır.

Güneş enerjisinden doğrudan yararlanamayan yani inorganik maddelerden organik madde sentezi yapamayan canlılara tüketiciler (Hetetrof canlılar) denir.  Hayvanlar, mantarlar, bazı protistler ve bakteriler hetetrofturlar. Hetetroflar ototrofların sentezledikleri besinlerin yapısında bulunan kimyasal bağ enerjisini kullanarak ATP sentezlerler ve kullanırlar. Böcekçil bitkiler ve öglena gibi bazı canlılar ise hem ototrof hem de hetetrof canlılardır.

İşte yaşamın devamı bu enerjinin canlılar arasında aktarılmasına bağlıdır.

 

 

Enerjinin bu şekilde aktarımında ilk basamak ışık enerjisinin kullanılarak besin sentezlendiği fotosentez olayıdır.

Fotosentez hem enerji dönüşümü hem de madde dönüşümüdür.

 

Fotosentez             :Ototrof canlıların ışık enerjisi varlığında CO₂ ve bir hidrojen kaynağı (H₂O, H₂S, H₂) kullanarak organik madde sentezlenmesine Fotosentez denir.

Fotosentez yapan canlılar, yeşil bitkiler, fotosentetik bakteriler, Siyanobakteriler (mavi-yeşil algler), öglena ve diğer alglerdir.

Bütün fotosentez çeşitlerinde ortak olan CO₂‘nin H₂‘ye indirgenerek organik maddeye dönüşümüdür.

Fotosentez yapan organizmalar, fotosentez sırasında O₂ üretenler ve O₂ üretmeyenler olarak iki gruba ayrılırlar.

O₂ üretenler.

Yeşil yapraklı bitkiler ve siyano bakteriler O₂ üreten canlılardır.

O₂ üretmeyenler.

Diğer fotosentetik bakteriler (Mor kükürt bakterileri) oksijen üretmezler. Bu bakteriler aneorob (oksijensiz yaşayan) bakterilerdir. Bu bakteriler fotosentez sırasında hidrojen kaynağı olarak H₂S ve H₂ kullanırlar. Sonuçta yan ürün olarak O₂ yerine kükürt elementi açığa çıkar.

 

Peki, enerji dönüşümü nasıl olmaktadır?

*         Güneş enerjisi fotosentez ile organik moleküllerin bağlarında kimyasal enerjiye dönüştürülerek depolanır.

*         Organik moleküller hücre solunumu ile parçalanır, bu sırada açığa çıkan kimyasal enerji ile ATP sentezlenir.

*         ATP’ler metabolizmanın devamı için gerekli tepkimlerde kullanılır.

 

NOT:

1.      Bütün canlılar için en önemli fotosentez çeşidi oksijen açığa çıkaran fotosentezdir. Bu da yeşil bitkiler tarafından gerçekleştirilir.

2.      Yeryüzünde yaşayan her canlı besin ve oksijen için fotosenteze bağımlıdır.

3.      Fotosentez aynı zamanda atmosferdeki gaz oranlarının korunması açısından da önemlidir.

4.      Her 200 yılda bir, atmosferdeki her bir CO₂ bir bitkiye girmekte ve her 200 yılda bir atmosferdeki oksijen bitkiler tarafından yenilenmektedir.

 

 

II-        CANLILARDA FOTOSENTEZ

Fotosentezde esas amaç besin üretmektir.

 

A.     ALGLERDE FOTOSENTEZ

 

 

B.      BAKTERİLERDE FOTOSENTEZ

 

*        Bazı bakterilerde klorofil vardır. Bu bakterilere fotosentetik bakteriler denir.

*        Bu bakterilerin klorofilleri stoplazmada, ETS enzimleri ise hücre zarında bulunur.

*        Mor kükürt bakterileri, H ve elektron kaynağı olarak su yerine H₂S(Hidrojen sülfür) ve hidrojen bakterileri de H₂ gazı kullanır.

*        Bu nedenle bakteriyel fotosentezde O₂ gazı yerine ortama kükürt (S) verilir.

 

 

 

 

 

 

C.     BİTKİLERDE FOTOSENTEZ

Bitkilerin fotosentez tepkimelerinde CO₂ ve H₂O tüketimi; glikoz ve O₂ üretimi gerçekleşir.

   

NOT:

5.      Fotosentezde amaç besin sentezlemek olduğu için fotosentezin sonucunda ağırlık artışı olur.

 

Bitki Fotosentezi ile Bakteri Fotosentezi Arasındaki Farklar
Bitki Fotosentezi	Bakteri Fotosentezi
Yan ürün olarak oksijen çıkar	Yan ürün olarak oksijen çıkmaz. Kullanılan hidrojen kaynağına göre yan ürün değişir.
Hidrojen (e–) kaynağı olarak su kullanılır.	Hidrojen (e–) kaynağı olarak H2 veya H2S kullanılır.
Klorofil, kloroplastlarda bulunur.	Kloroplast yoktur. Klorofil stoplazmada bulunur.

 

 

a)      Bitki Fotosentezi ile Bakteri Fotosentezinin Ortak taraflar:

*        Klorofil – Işık – CO₂ kullanımı – Organik madde sentezi

 

 

b)     Fotosentez ile Solunum Arasındaki İlişki

1.       Fotosentez > Solunum (genel olarak fotosentez solunumdan büyük olur).

*        Bu durumda: Solunumda üretilen CO₂ atmosfere verilmez, tekrar fotosentezde kullanılır. Fakat CO₂ yeterli gelmediği için atmosferden CO₂ alınır.

*        Fotosentezde üretilen oksijenin bir kısmı solunumda tüketilir, oksijenin büyük bir kısmı atmosfere verilir.

*        Fotosentezde üretilen besinin bir kısmı solunumda tüketilir, geriye kalan besin yapıya katılır ve depo edilir.

2.       Fotosentez = Solunum şeklinde olursa:

*        Solunumda  açıpa çıkan CO₂ atmosfere verilmez, atmosferden de CO₂ alınmaz.

*        Fotosentezde üretilen O₂ atmosfere verilmez, atmosferden de O₂ alınmaz.

*        Bitkide ağırlığın değişmesi beklenmez.

3.       Fotosentez < Solunum şeklinde olursa:

*        Solunumda açıpa çıkan CO₂ fotosentez için fazla gelir, bir kısmı da atmosfere verilir.

*        Fotosentezde üretilen oksijen yeterli gelmez, atmosferden oksijen alınır.

*        Ağırlık azalmaya başlar.

 

NOT:

6.      Köklerde üretilen CO₂ gece ve gündüz sürekli atmosfere (toprak) verilir. Köklerde üretilen CO₂’nin fotosentezde kullanması için aşağıdaki yolu izlemesi gerekir.

 

 

III-     FOTOSENTEZİN GERÇEKLEŞTİĞİ YAPILAR

(Renkli bölümün detaylı anlatılmasına gerek yoktur. İsteyene merakını gidermek amacıyla yazılmıştır) A.     YAPRAK Fotosentez tepkimelerinin büyük kısmı yaprakta meydana gelir. Bu nedenle yaprağın yapısını inceleyelim: a)      Yaprağın Görevleri 1.       Fotosentez          : CO2 ve H2O kullanarak besin üretmek (özümleme) 2.       Solunum             :  O2 ve CO2 alışverişi yapmak 3.     Terleme yapmak: Terlemeyle su girişi sağlar, bitkinin ısısını ayarlar, su ve O2 ile beraber bazı atık maddeleri dışarı atmak. 4.       Boşaltım: Yaprak dökülmesi ile amonyak ürünleri bitkiden uzaklaştırılır. 5.       Besin depolamak   b)     Yaprağın Yapısı Bir yaprağın enine kesitinde şu kısımlar bulunur.   1.       Epidermis Yaprağın alt ve üst yüzeyini kaplayan klorofil içermeyen koruyucu tabakadır. *         Çoğunlukla tek tabakalıdır. Bazı bitkilerde 2–3 kat olabilir. *         Kloroplast bulundurmazlar. Dolayısıyla fotosentez yapmazlar ve renksizdirler. *         Hücreler arası boşluk yoktur. *         Epidermisin farklılaşmasıyla Stomalar meydana gelir. *         Yaprakların yüzeyleri kutikula tabakası ile kaplanmıştır. Kutikula tabakası epidermis tarafından salgılanan kütin maddesinden meyda gelmiştir. ►  Kutikula tabakası: ►  Kutikula ısı yalıtımı sağlayarak bitkinin su kaybını önler. ►  Su içinde ve su kenarında yaşayan bitkilerde ince, kurak bölge bitkilerinde kalındır. ►  Yaprağın alt tabakalarına ışığın geçmesini engellemez. NOT: 7.      Köklerde ve su bitkilerinde bulunan epidermis hücrelerinin yüzeyinde Kutikula tabakası bulunmaz.   Stoma (gözenek): Epidermis hücrelerinin farklılaşması sonucu oluşan gözeneklere Stoma(=kapatma hücresi=kilit hücresi=bekçi hücre) denir. *         Stomalar bol kloroplast içeren iki stoma hücresinden meydana gelmiştir. Komşu epidermis hücrelerinde kloroplast yoktur. *         Stoma hücreleri fasulye tanesi şeklinde olup aralarında stoma açıklığı bulunur. *         Stoma hücrelerinin içe bakan çeperleri kalın, dışa bakan çeperleri ise daha incedir. *         Mezofil tabakansın stoma bölgesine bakan kısımlarında solunum boşluğu bulunur. Stomaların Görevleri: *         Fotosentez ve solunum gazlarının alınıp verilmesini sağlarlar *         Suyun buhar halinde atılmasını sağlarlar. (terleme=transpirasyon) *         Köklerde, çiçeklerde ve su bitkilerinde (Ör; Suyosunları) bulunmaz. *         Turgor ile açılıp kapanırlar.   2.       Mezofil Tabakası Yaprakta alt ve üst epidermis tabakası arasında kalan çok hücreli tabakaya denir. *         Bol kloroplastlı parankima hücrelerinden meydana gelmiştir. *         Yaprağın fotosentez yapan dokusudur. *         İletim demetlerinin devamı olarak yaprak damarları mezofil tabasında bulunur. Yapısında “palizat ve sünger parankiması” olarak iki tip parankima dokusu vardır. a)      Palizat parankiması; *         Mezofilde üst epidermis altında bulunur. *         Hücreleri silindir şeklinde, büyük, sık ve tek sıralıdır. *         Bol kloroplastlı hücrelerden oluşmuştur. *         Fotosentezin yoğun gerçekleştiği kısımdır. b)      Sünger parankiması; *         Mezofilin, Palizat parankiması ile alt epidermis arasında bulunan kısmıdır *         Hücreleri,  küçük, yuvarla ve çok sıralıdır. *         Hücreler arası boşluk fazladır. *         Kloroplast miktarı azdır. *         Sünger parankiması hücreleri arsındaki boşluk CO2 deposu olarak görev yapar. NOT: 8.      Mezofil tabakasında bulunan solunum boşluğu, bu tabakadaki hücrelere gaz(O2,CO2) difüzyonunu hızlandırır.   3.       İletim Boruları *    Besin, su ve inorganik maddelerin bitki organları arasında taşınması iletim boruları sayesinde gerçekleşir. *    İletim boruları kökten başlayarak yaprağın iç kısımlarına kadar dallanarak uzanan borular sistemidir. İletim boruları Ksilem ve Floem olmak üzere iki çeşittir. a)  KSİLEM(Odun Boruları): Topraktan alınan su ve inorganik maddeleri köklerden yapraklara tek yönlü taşıyan iletim demetidir. b)  FLOEM(Soymuk Borusu): Yapraklarda fotosentez ile üretilen organik maddeleri bitkinin alt organlarına ve köklerde sentezlenen aminoasitleri yukarıya doğru taşıyan iletim demetidir. Yani çift yönlü taşıma vardır.

 

 

B.      KLOROPLAST

Yaprağın mezofil tabakasındaki hücreler içerisinde bulunurlar. Bir mezofil hücresinde 30-40 kadar kloroplast bulunur. Kloroplastın kimyasal bileşiminde %50 protein, %30 lipit ve %5-10 arasında pigment maddesi ve karbonhidrat, DNA, RNA gibi bileşikler bulunur.

Kloroplast fotosentezle organik besinlerin ve serbest oksijenin üretildiği yerlerdir. Okaryot canlılarda genç gövde ile yapraklarda palizat parankimasında ve stomalarda bulunur. Kloroplastlar, klorofil sentezi için ışığa gerek duyulduğu için bitkinin ışık gören kısımlarında bulunur. Bazı bakteriler ve mavi yeşil alg’lerde kloroplast bulunmayıp, klorofil molekülleri, sitoplâzma sıvısına dağılmıştır. Mantarlarda klorofil yoktur.

Kloroplastların kendine ait DNA, RNA ve ribozomları vardır.

Kloroplastta üretilen ATP, kloroplastta besin sentezi için kullanılır.

 

a)      Kloroplastın Yapısı

Kloroplastın en dışında seçici geçirgen yapıda çift zar bulunur (Şekil: Kloroplast). Kloroplastlarda üçüncü bir zar sistemi daha vardır. Bu zar sistemine tilakoit zar sistemi denir.

Dış ve iç zarlar organele dışarıdan girecek veya organelden dışarı çıkacak maddelerin kontrolünü yapar.

Şekil: Kloroplastın yapısı

 

Grana ve Stroma olmak üzere iki kısımdan meydana gelmiştir.

1.       Grana(Granum) ve Tilakoit Zar Sistemi

*         Klorofilin bulunduğu ve fotosentezin ışıklı evrelerin gerçekleştiği özelleşmiş iç zardır.

*         Kloroplast içinde ince, yassı disk şeklinde keseciklere tilakoit denir. Tilakoitlerin üst üste dizilmesiyle meydana gelen disk kümelerine granum denir. İki veya daha fazla granum kümesine grana denir. Granumlar birbirine ara lamel denilen zar ile birbirine bağlıdır. Granuların ara lamellerle birbrine bağlanması sonucu oluşan zar sistemine Tilakoit Zar Sistemi denir.

*         Ara lameller güneş ışığının daha fazla soğurulmasını sağlarlar.

*         Granum lamellerinde ışık enerjisinden ATP sentezi gerçekleşir.

*         Granularda Su tüketimi ve oksijen üretimi yapılır. Işık kullanılarak ATP sentezlenir yani fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonları burada gerçekleşir.

*         Tilakoit zar sisteminin en önemli özelliği, klorofil pigmenti ve ETS elemanları bulundurmasıdır. Bu pigmentler genellikle görünür ışığı soğuran herhangi bir maddedir.

 

2.       Stroma

*         Kloroplastta granumların arasını dolduran renksiz ara maddedir.

*         Stromada; DNA, RNA, ribozom ve karbon tutma reaksiyonlarında görev yapan enzimler bulunur. Kloroplastlar, stromadaki DNA, RNA ve ribobzomlar sayesinde hem ihtiyaçları olan protein ve enzimleri üretir hem de kendini eşler.

*         Stromada çeşitli lipit damlacıkları ile nişasta tanecikleri de bulunabilir.

*         Stromada fotosentezin karanlık evreleri gerçekleşir.

*         CO₂ tüketimi ve glikozun sentezi Stromada gerçekleşir.

*         Granumlarda depolanan ATP, stromada karbondioksitten glikoz üretiminde kullanılır.

Sonuç olarak yapıları gereği kloroplastlar:

*         Işığın kullanıldığı (soğurulduğu)

*         CO₂’nin tutulup kullanıldığı (indirgendiği)

*         H₂O’nun kullanıldığı (fotoliz ile parçalandığı)

*         O₂’nin oluşturulduğu

*         Glikoz ve nişastanın sentezlendiği yerlerdir.

Bu olaylardan ışığın kullanılması ve suyun parçalanması klorofilden başka hiçbir yerde gerçekleşmez.

 

C.     KLOROFİL

a)      KLOROFİL VE IŞIK ENERJİSİ

Işık, ritmik dalgalar halinde yayılan bir elektromanyetik enerji biçimidir. Elektromanyetik dalgaların meydana getirdiği iki ardışık tepe noktası arasındaki mesafeye ışığın Tepe noktası denir.

Işığın dalga boyu gama ışınları gibi bir nanometreden(nm) küçük olabilir veya radyo dalgaları gibi bir kilometreden(km) uzun olabilir. Işığın dalga boylarına göre sıralanmasıyla elektromanyetik spektrum elde edilir. Elektromanyetik spektrumun canlı yaşamı için önemli kısmı 380 nm (mor ışık) ile 750 nm (kırmızı ışık) arasındaki dalga boylarıdır. Bu dalga boyundaki ışık insan gözü tarafından ayırt edilebildiği için görünür ışık olarak adlandırılır.

 

 

 

NOT:

9.      1 nanometre metrenin milyarda biri kadardır. (1 nm = 1×10^-9m)

 

Işık bir madde ile temas ettiğinde; yansıyabilir, içinden geçebilir veya soğurulabilir. Görünür ışığı soğurabilen maddelere Pigment denir. Pimentlerin çoğu, görünür ışığın belirli bir dalga boyunu soğururular.  Soğuramadıklarını da yansıtırlar.

Bitkinin ışık enerjisinden faydalanabilmesi için ışığın bitki tarafından absorbe edilmesi (=soğurulma)  gerekir. Her cisim farklı renkteki ışığı soğurur, kalanını ise yansıtır. Cisim hangi rengi yansıtıyorsa o renkte görülür. Klorofillerin, ışık enerjisini absorbe etme, geçirme ve yansıtma özelliği vardır.

 

 

Klorofil ışığın faklı dalga boylarını soğurabilen bir pigmenttir. Klorofilli canlılar yeşil göründüğüne göre yeşil renk yansıtılıyor demektir.  Mavi, mor ve kırmızı ışığı ise soğurur yansıtmaz.

Klorofil molekülündeki bir elektronun en düşük enerji durumuna, klorofilin veya o elektronun temel durumu denir (şekil a). Klorofil ışığı soğurduğunda aldığı enerjinin etkisiyle elektronlar yüksek enerji seviyesine geçerler. Bu klorofil veya elektronun uyarılmış halidir (şekil b).

 

 

Uyarılmış elektron daha sonra uyarılmış halden temel durumuna geri döner. Bu sırada fazladan kazandığı enerjisi ısı ve ışık (floresans) olarak dışa verir (şekil c). Ya da başka bir elektron alıcısına aktarılabilir (şekil d).

 

 

 

Fotosentez ile görünür ışık arasındaki ilişkiyi Theodore Engelmann yaptığı deneyle ispatlamıştır.

Bitkilerde ışığı soğurmada klorofilden başka birde karotenoidler bulunur. Karotenoidler, karoten (turuncu), ksantofil  (sarı), likopin (kırmızı), fikosiyanin (mavi) gibi pigmentlerdir. Karotenoidler ışığın farklı dalga boylarını soğurarak aldıkları enerjileri klorofillere aktarırlar. Karotenoidler aynı zamanda güneşten gelen aşırı ışığı soğurarak klorofilin zarar görmesini önlerler.

 

 

 

b)     KLOROFİL YAPISI

Klorofil canlılarda ışık etkisiyle sentezlenir. Klorofil bulunmayan bitkiler renksizdir. Bu bitkilere albino bitkiler denir.

Bitkilerin klorofil sentezleyebilmesinde hem iç, hem de dış faktörler etkilidir.

*         İç faktörler              : Genetik faktörler 

*         Dış faktörler           : Isı, ışık ve mineraller

Yapısında dört pirol halkası bulunur. Halkaların ortasında Mg bulunur. Yapısal olarak hemoglobinin hem grubuna benzer (hemoglobinde pirol halkalarının ortasında Fe bulunur).

 

20 çeşit klorofil vardır. Ancak en fazla bulunan çeşidi Klorofil-a ve klorofil-b çeşitleridir. İkisi arasındaki farklılık pirol halkasında görülmektedir. Klorofil-a’daki bu halkalar metil grubu, klorofil-b’ de ise aldehit grubudur.

*         Klorofil-a; C₅₅H₇₂O₅ N₄Mg [pigment sistemi–1(PS1)]

*         Klorofil-b; C₅₅H₇₀O₆ N₄Mg [pigment sistemi–2(PS2)]

Klorofillerin moleküler yapısındaki farklılıktan dolayı Klorofil-a yüksek spektrumlu ışıkta (kırmızı ışık-662nm), klorofil-b ise düşük spektrumlu ışıkta (mor ışık-654nm) daha fazla faaliyet gösterir. Klorofillerin en fazla soğurduğu ışık kırmızı ve mor ışıktır. En az soğurduğu ışık ise yeşil ışıktır. Yani fotosentez en fazla mor ve kırmızı ışıkta gerçekleşir. Yeşil ışık çok az soğurulduğu için yeşil ışıkta fotosentez en az gerçekleşir.

 

c)      Klorofilin Görevi

1.       Işık enerjisini absorbe etme.

2.       Klorofil elektron kaynağıdır. Elektron alır ve verir

3.       Klorofil rezonans (Çifte bağların yer değiştirmesi) özelliği gösterir. Bu sayede e- transferinde rol oynar.

4.       Klorofil, ışık enerjisini kimyasal bağ enerjisine dönüşmesini sağlar.

 

d)     Klorofilin bulunduğu yerler;

1.       Yeşil bitkilerde kloroplastların granumlarında bulunur

2.       Mavi-yeşil alglerde ve fotosentetik bakterilerde lamelli yapıya sahip kromotofor denilen yapılarda bulunur.

3.       Bazı protistlerde kloroplastın lamellerinde bulunur.

NOT:

10.  Klorofilin sentezlenmesi için gerekli maddeler;

a. Işık

b.C-H-O-N ve Mg atomları

c. Fe elementi (Fe gereklidir ama yapısında Fe bulunmaz. Fe, enzim kofaktörü olarak görev yapar. Klorofile yeşil rengini Mg verir)

d.Enzimler