Fotosentez
Güncelleme tarihi: 29 Nis 2019
Melek Bıçakçı - Biyoloji Öğretmeni
1.1.MEB KAZANIMLARI NE DİYOR?
Anahtar Kavramlar
fotosentez, fotoliz, ışık, klorofil, kloroplast
Fotosentezin canlılar açısından önemini sorgular. Fotosentez sürecinin anlaşılmasına katkı sağlayan bilim insanlarına örnekler verilerek kısaca çalışmalarına değinilir.
Fotosentez sürecini şema üzerinde açıklar. a. Klorofil a ve klorofil b’nin yapısı verilmez. b. Suyun fotolizi belirtilir. c. Işığa bağımlı ve ışıktan bağımsız reaksiyonlar, ürün açısından karşılaştırılır. Reaksiyonların basamaklarına girilmez ve matematiksel hesaplamalara yer verilmez. ç. CAM ve C4 bitkileri verilmez. d. Fotosentez süreci görsel ögeler, grafik düzenleyiciler, e-öğrenme nesnesi ve uygulamalarından faydalanarak açıklanır.
Canlılar yaşamlarını sürdürmek için ihtiyaç duydukları enerjiyi besinlerden sağlarlar. Bazı canlılar besinlerini kendileri üretirler, bazıları ise hazır besin kullanır. Besinini kendisi üreten canlılara ototrof (üretici), hazır besin kullananlara ise heterotrof (tüketici) canlılar adı verilir. Besin üretmek için ışık enerjisi kullanılırlarsa bu olaya fotosentez, kimyasal enerji kullanılırsa kemosentez denir.
Fotosentez Öglena,alg,bitki gibi ökaryot canlılarda ya da mor sülfür bakterileri, siyanobakteriler gibi prokaryotik canlılarda gerçekleşebilir. Fotosentez için gerekli olan temel pigment klorofildir. Bir bitkinin yeşil olan tüm kısımlarında klorofil bulunacağı için fotosentez yapılır (henüz olgunlaşmamış meyveler, otsu gövdeler vs).
1.2.GENEL ANLAMDA FOTOSENTEZ
Fotosentez sayesinde ışık enerjisi kimyasal bağ enerjisine dönüştürülür. Bunun için önce ışık enerjisi kullanılarak ATP sentezlenir (fotofosforilasyon), daha sonra bu ATP harcanarak besin sentezi gerçekleştirilir. Böylece ışık enerjisi, besin moleküllerinin yapısındaki kimyasal bağların enerjisine dönüştürülmüş olur.
Fotosentezin genel denklemi 1800’lü yıllardan beri bilinmektedir ve şu şekildedir:
6CO2 + 12 H2O -------------> C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
Yaygın kullanımı bu şekilde olsa da sadeleştirilmiş hali şu şekildedir:
6CO2 + 6 H2O --------------> ( CH2O )n + 6 O2
Fotosentez sonucu oluşa besini pratikte glikoz olarak ifade etsek de aslında glikoz üretiminde kullanılan 3C’lu bir şekerdir.
Fotosentezin genel denkleminin anlaşılmasından sonra açığa çıkan oksijenin kaynağının hangi molekül olduğu tartışılmaya başlanmıştır. İlk görüş, CO2 ‘teki oksijenin fotosentez tepkimeleri sonucunda atmosfere verildiği şeklindedir. Bu görüş 1930’larda C. B. Niel tarafından çürütülmüştür. Niel yaptığı deneylerde CO2 kullanarak besin ürettiği halde oksijen açığa çıkarmayan bakterileri kullanmıştır. Bu bakteriler hidrojen kaynağı olarak H2S kullanır ve oksijen yerine S (kükürt) açığa çıkarmışlardır.
6CO2 + 6 H2S ---------------> ( CH2O )n + H2O + 2S
Böylece Niel şeker sentezi için bir Hidrojen kaynağına ihtiyaç duyulduğunu ve bu kaynağın değişebileceğini de öne sürmüştür. Nitekim Niel’in hipotezi 20 yıl sonra R. Hill tarafından doğrulanmıştır. Bitkilerle yapılan ve ağır izotop oksijen (18O) atomu kullanılan deneyler bu aşamada oldukça önemlidir.
Deney: H2O’nun oksijenleri işaretlendiğinde yani su içerisinde 18O kullanıldığında, fotosentez sonucu açığa çıkan oksijenin de ağır izotop (18O) olduğu tespit edildi.
Deney: Girenlerdeki CO 2 ‘in oksijeni işaretlendiğinde yani 18O kullanıldığında açığa çıkan oksijenin ağır izotop değil normal olduğu tespit edildi.
1940’lı yıllarda Melvin Calvin ve arkadaşları fotosentezin besin üretilen aşamaları hakkında çalışmalara başlamıştır. Işıktan bağımsız evredeki Karbon metabolizmasını açıklayan bilim insanı 1961’de Nobel Ödülü almaya hak kazanmıştır.
Sonuç olarak fotosentezde giren maddelerin ürünlerde yer alma durumunun aşağıdaki gibi olduğu bilinmektedir:
FOTOSENTEZ HÜCREDE NEREDE GERÇEKLEŞİR?
Fotosentez olayında, evreler başlığı altında daha detaylı işleyeceğimiz gibi, ETS (Elektron Taşıma Sistemi) elemanları görev yapar. ETS elemanları bir zar üzerinde yer alır. Bu nedenle fotosentezin gerçekleşebildiği canlılarda klorofil pigmentinin bir zar üzerine yerleşmiş olması gerekmektedir. Prokaryotik canlılarda bu işi üstlenen plazma zarı iken, ökaryotik canlılarda kloroplast organelinde yer alan tilakoid zarlardır. Yine evrelerde detaylı işleyeceğimiz üzere fotosentezin ETS’den sonraki aşaması enzimatiktir. Bu nedenle prokaryotlarda sitoplazmada, ökaryotlarda ise kloroplastın sıvı kısmı olan stromada gerçekleşir.
Özetle fotosentez prokaryotlarda plazma zarı üzerindeki klorofilli bölgede başlar ve sitoplazmada sonuçlanır. Ökaryotlarda ise kloroplastın tilakoid zar sisteminde klorofillerin paketlenmiş olduğu granalarda başlar, stromada neticelenir.
Kloroplastın Yapısı
Fotosentetik ökaryot hücrelerde yer alan yeşil renkli organeldir. Çift zarlı, kendine ait halkasal bir DNA, RNA ve ribozomları olan gelişmiş bir yapıdır. Endosimbiyozis hipotezine göre önceleri bağımsız prokaryotik bir canlı iken evrimsel süreçte ökaryotik hücreler içerisinde yaşamaya adapte olmuştur.
Kloroplastın dışı bir çift zar ile örtülüdür. Mitokondriye bu yönüyle benzemektedir ancak mitokondrinin iç zarı kıvrımlı iken kloroplastınki düzdür. Kloroplastın içerisi sitoplazma benzeri bir sıvı olan stroma ile doludur. Bu sıvıda fotosentezin besin sentezlenen evreleri için gerekli olan bazı enzimler yer almaktadır. Dış zarlara ek olarak iç kısımda bir de tilakoid denilen üçüncü bir zar sistemi yer alır. Bu sistemin bazı bölgelerinde klorofiller paketlenmiş ve metal paralar gibi üst üste dizilmiştir. Bu paketlerin her birine granum, toplu halde oluşturdukları yapılara ise grana adı verilmektedir.
Fotosentez olayı temel olarak iki ana bölümde meydana gelir:
1. Işığa bağımlı evre (Işıklı evre)
2. Işıktan bağımsız evre (Calvin Döngüsü)
Işığa bağımlı evrede klorofil görev yapar. Bu nedenle bu olaylar kloroplasın tilakoid zar sistemi ve granumlarda meydana gelir. Işıktan bağımsız evre ise enzimatiktir ve sıvı kısım olan stromada gerçekleşir.
FOTOSENTEZİN EVRELERİ
Fotosistem1 ve Fotosistem2 olmak üzere iki farklı klorofil sisteminin görev aldığı reaksiyonlar dizisidir. Temelde ETS elemanları arasında elektron aktarımına bağlıdır ve kemiosmotik yolla ATP üretilir. Işık enerjisi ile uyarılan elektronların enerjileri artar, bir üst enerji düzeyine adeta fırlatılırlar. Bu etki, adeta domino taşları gibi ETS elemanlarını uyarır. Elektronların aktarılması sonucu tilakoid zar boşluğu ile stroma arasında bir potansiyel fark meydana gelir (proton gradiyenti). Bu farkın etkisiyle ATPaz kompleksi çalışarak Hidrojen iyonlarını çok oldukları yerden az oldukları yere doğru taşır ve bu esnada ATP sentezlenir.
Işık enerjisi ile su moleküllerinin parçalanmasına fotoliz denir. Açığa çıkan Hidrojen iyonları NADP tarafından tutulur, yani NADP’ler indirgenerek NADPH’a dönüşür. Suyun fotolizi sonucu açığa çıkan Oksijen ise atmosfere verilir. Genel denklemde ürün olan oksijenin kaynağı, ışıklı evrede fotolize uğrayan sudur.
NOT: Eski öğretim programında yer alan devirli ve devirsiz fotofosforilasyon konularına yeni müfredatta yer verilmemektedir. Bu nedenle iki olay dizisi birleştirilerek ışıklı evre başlığı altında anlatılmıştır. Yine de şu kadarının biilnmesi faydalı olabilir; suyun fotolizi devirli olmayan fotofosforilasyonda gerçekleşmektedir. Ayrıca devirsel fotofosforilasyonda sadece fotosistem1 görev yaparken devirsel olmayanda hem fotosistem1 hem de fotosistem2 görev yaparlar. Mor kükürt bakterisi gibi bazı prokaryotlarda sadece fotosistem1 vardır ve devirsel fotofosforilasyon ile ATP sentezlenir. Aynı şekilde Calvin döngüsünde görev alan ara moleküllerin isimlerinin de bilinmesi gerekmemektedir. Rubisco adı verilen bir enzim yardımıyla gerçekleşir ve karbon özümleme reaksiyonları olarak da bilinmektedir. Fotosentez evrelerinde üretilen ve tüketilen maddelerin ne olduklarının bilinmesi yeterlidir, sayısal hesaplamalar müfredat dahilinde değildir.
IŞIKTAN BAĞIMSIZ EVRE (CALVİN DÖNGÜSÜ)
Işıklı evrede üretilmiş olan NADPH ve ATP ile atmosferden alınan karbondioksitin kullanıldığı, besin sentezinin gerçekleştiği evredir. NADP bu evrede yükseltgenir. Calvin Döngüsü olarak da bilinen reaksiyon zincirinde atmosferden alınan CO2 ile birlikte NADP ile taşınmış olan hidrojen molekülleri çeşitli bileşiklere eklenerek PGAL moleküllerinin sentezi sağlanır. PGAL, şeker sentezinde kullanılabilen 3C’lu bir ara moleküldür. Enzimatik olan ışıktan bağımsız tepkimeler prokaryotlarda sitoplazmada, ökaryotlarda ise stromada meydana gelir.
Kaynakça:
MEB BİYOLOJİ12 KOMİSYON KİTABI 2018/SAYFA 91