Fotosentez - Kemosentez

Fotosentez

Güneşten gelen ışık ışınlarının sahip olduğu enerji, dünyadaki enerjinin ana kaynağıdır. Canlıların belli bir bölümü bu enerjiyi doğrudan kullanamaz. Işık enerjisinin kullanılarak kimyasal bağ enerjisine dönüştürülmesine fotosentez denir. Fotosentez faaliyetini gerçekleştirebilen canlılara fotoototrof canlı denir.

• Fotoototrof canlılar bitki, öglena, alg gibi ökaryotik yapılı olabileceği gibi, siyanobakteri, mor sülfür bakterisi gibi prokaryotik yapılı olabilir.
• Tüm fotoototrof canlılarda mutlaka bulunması gereken yapı klorofildir (2020 AYT).
• Ototrof (Üretici) özellik gösteren fotoototrof canlılar, inorganik maddelerden organik madde üretimi sırasında ihtiyaç duyulan enerjiyi ışıktan karşılar.
• Fotoototrof canlılar, fotosentez yaparak ihtiyaç duydukları besini üretebildikleri gibi heterotrof (Tüketici) canlıların ihtiyaç duydukları besini de üretmiş olur.
• Fotosentez faaliyeti sayesinde ekosistemdeki enerji akışı ve besin aktarımına katkı sağlanır.
• Okyanus, deniz ve göllerdeki fitoplanktonlar (Bitkisel plankton), dünyadaki tüm bitkilerden, toplamda daha çok fotosentez yapma kapasitesine sahiptir. Bu yönü ile fitoplanktonlar atmosferin oksijen ihtiyacını karşılamada birincil derecede etkilidir.

Fotosentez tepkimelerinin açıklanmasına katkıda bulunan bilim insanları

Priestley: Bitkilerin oksijen ürettiğini ortaya koymuştur.

De saussure: Bitkilerin ürettiği oksijen ve kullandığı karbondioksit miktarını ölçmüştür.

Van niel: Suyun, fotosentezde hidrojen kaynağı olarak kullanıldığını kanıtlamıştır.

Hill: Fotosentez tepkimelerinde açığa çıkan oksijenin kaynağının su olduğunu kanıtlamıştır.

Calvin: Fotosentezin ışıktan bağımsız tepkimelerini ayrıntılı bir şekilde ortaya koymuştur.

Kloroplastın yapısı ve fotosentez için önemi

• Kloroplast, fotosentez yapan ökaryotik canlıların sahip olduğu organeldir.
• Kloroplastın yapısında ışığı soğuran klorofil pigmenti yer alır.
• Çift zar yapılı olan kloroplastta, iç zarın içerisinde stroma sıvısı vardır.
• Stroma sıvısında, üzerinde klorofil pigmentlerinin yer aldığı tilakoit zar sistemi vardır. Tilakoit zar sistemi bazı bölümlerde üst üste katlanmalar yaparak granum denen yapıları oluşturur. Ara lameller granumları birbirine bağlar.
• Işığın daha fazla soğurulabilmesi için yüzey oluşturan granumlar, grana denen lamellerden oluşmuştur.

• Fotosentez tepkimelerinin temelinde CO₂ ve H₂O kullanımı, organik besin ve O₂ üretimi vardır.

• Fotosentez yapan tüm canlıların, ürettikleri organik besin için kullandıkları karbon kaynağı CO₂’tir. Buna karşılık, üretilen organik besin için ihtiyaç duyulan hidrojen kaynağı, fotosentez yapan canlıya göre değişmektedir.

• Bitki, öglena, alg ve siyanobakteriler hidrojen kaynağı olarak H₂O molekülünü kullanırken, mor – sülfür bakterileri H₂S (Hidrojen sülfür) molekülünü kullanır. Bu farklılık, fotosentez tepkimeleri sonucu atmosfere verilecek ürünlerin de farklı olmasına sebep olur (2021 AYT).
• Hidrojen kaynağı olarak H₂O kullanıldığında, açığa oksijen gazı çıkarken, H₂S kullanıldığında açığa kükürt gazı çıkmaktadır. Buna göre, fotosentez tepkimelerinde üretilen organik molekülün yapısındaki oksijenin kaynağı karbondioksittir.

• Işık ışınları boşlukta ilerlerken düz değil dalgalı bir seyir izler. Bu dalgalı hareket, ışığın enerji yüklü olmasını sağlar. Işığın dalgalı hareket eden parçacıklarına foton denir.
• Işığın dalga boyu değişiklik gösterir. Namometre (nm) cinsinden ölçülen bu dalga boyunun, gözle görülen (Görünür ışık) ve aynı zamanda fotosentez tepkimelerinin olabildiği aralığı 380 nm – 750 nm’dir.
• Işık bir cisme çarptığında yansıyabilir, cismin içinden geçebilir veya soğurulabilir (Emilme, absorbe olma). Işığın fotosentez tepkimelerinde kullanılabilmesi için soğurulması gerekmektedir.

• Fotoototrof canlılarda, ışığın soğurularak enerjisinin kullanılabilmesini sağlayan pigmentler vardır.
• Pigmentlerin soğurduğu ışık aralığına absorbsiyon spektrumu denir. Pigmentler, fotosentez tepkimelerini gerçekleştiren canlılara göre farklılık gösterir. Fotoototrof canlılarda en çok rastlanan pigment türü klorofildir.
• Çok sayıda çeşidi olan klorofil pigmentinin en bilinenleri klorofil a ve klorofil b‘dir. Klorofil a tüm yeşil bitkilerin yapısında yer alırken, klorofil b alg ve yeşil bitkilerin yapısında yer alır.
• Klorofil pigmenti yapısında C, H, O, N ve Mg atomları vardır. Fe elementi klorofil yapısına katılmasa da, klorofil üretimini sağlayan enzimlerin aktifleşmesinde kofaktör olarak kullanılır. Fe elementi eksik olan topraklardaki bitkiler yeterli miktarda büyüyemez.
• Klorofil, üzerine düşen beyaz ışığın yeşil renk dalga boyunu yansıtır. Bundan dolayı bitkinin klorofil ieren bölümleri yeşildir.
• Kromoplastlar, çeşidine göre turuncu, sarı, kırmızı rengi yansıtır. Yansıttıkları ışık dalga boyları haricindeki ışınların sahip olduğu enerjiyi toplayarak klorofile aktarır.
• Fotosentez tepkimelerinin farklı ışık dalga boylarında farklı hızlarda gerçekleştiğini T. Engelmann adlı bilim insanı yaptığı deneylerle ortaya koymuştur.
• T. Engelmann, deneyinde fotosentez yapabilen ipliksi algin üzerine, dalga boylarına göre ayırdığı ışığı düşürmüştür.

• Daha sonra, ipliksi algin etrafına oksijenli solunum yapan bakterileri eşit şekilde yerleştirmiştir. Bir süre sonra ipliksi alge kırmızı ve mor ışık dalga boylarının düştüğü bölgelerde bakterilerin yoğunlaştığını, yeşil ışık dalga boyunun düştüğü bölgelerde ise bakterilerin daha az yoğunlaştığını gözlemlemiştir.

Fotosentez tepkimeleri

Klorofil pigmentinin ışık etkisi ile etkinleştirilmesi

• Klorofiller tilakoit zar üzerinde bir araya gelerek fotosistem denilen yapıları oluşturur. Bu birimler fotosistem-1 (P700) ve fotosistem-2 (P680) şeklinde iki çeşittir. Fotosistemler ışık enerjisini yakalayarak bu enerjiyi kimyasal bağ enerjisine dönüştürür.
• Bir fotosistem anten kompleksi ve tepkime merkezinden oluşur. Tepkime merkezinde klorofil a ve ilk elektron alıcısı yer alır.
• Klorofildeki elektronun en düşük enerji seviyesine elektron temel durumu denir.
• Klorofile etki eden foton klorofilden elektron koparır ve bu elektron tepkime merkezine ulaşır. Aynı elektron tepkime merkezinde yar alan ilk elektron alıcısı tarafından yakalanır.
• İndirgenme – yükseltgenme tepkimeleri şeklinde gerçekleşen bu olaylar sırasında aynı zamanda ışık çıkışı (Floresans) gözlenir.

1- Işığa bağımlı tepkimeler (2023 AYT)

• Işığa bağımlı tepkimeler ışık enerjisinin bitki, öglena ve fotoototrof alglerde kloroplastın granalarında, fotosentetik bakterilerin ise hücre zarı kıvrımlarında kullanıldığı basamaktır.
• Işığa bağımlı tepkimeler, ışıktan bağımsız tepkimelerin ihtiyaç duyduğu ATP enerjisinin enzimsel tepkimelerde üretildiği ve fotosenteze dahil olduğu, ayrıca H₂O veya H₂S molekülünün ayrıştırıldığı tepkimeler bütünüdür.
• Işık etkisi ile iyonlarına ayrışan su moleküllerinden elektron çıkar. Çıkan bu elektronların sahip olduğu kinetik enerji ETS’de ATP enerjisine gönüştürülür (fotofosforilasyon). 

• Işık etkisi ile su molekülünün iyonlarına ayrıştırılması olayına fotoliz denir. Ayrıştırılan su moleküllerinin hidrojeni NADP (Nikotin adenin dinükleotit) ile birleştirilerek NADPH+H molekülü elde edilir.
• Bitkinin hücresel solunumunda ihtiyaç duyduğu oksijen, dışarıdan alması gerektiğinden az ise sudan açığa çıkan oksijen atmosfere salınır (Hill tepkimesi).

• Bir bitkinin oksijene ihtiyacı atmosferden alacağı oksijenden fazla ise bitki, fotosentez tepkimelerinde açığa çıkan oksijeni hücresel solunum tepkimelerinde kullanır.
• Işığa bağımlı tepkimelerde üretilen ATP ve NADPH+H molekülleri, ışıktan bağımsız tepkimelerde kullanılmak üzere kloroplastın stromasına aktarılır.
• Işıktan bağımsız tepkimelerde 1 molekül karbondioksitin indirgenmesi için ışığa bağımlı tepkimelerde 3 ATP ve 2 NADPH + H üretilmelidir.

2- Işıktan bağımsız tepkimeler (Kalvin döngüsü)

• Işıktan bağımsız tepkimeler ökaryotik hücrelerde (Bitki, öğlena, fitoplankton) kloroplast stromasında, prokaryotik hücrelerde ise sitoplazmada gerçekleşir.
• Işıktan bağımsız tepkimelerde enzim kullanılır.
• Işıktan bağımsız tepkimeler, atmosferden alınan veya solunum tepkimeleri sonucu açığa çıkan karbondioksitin, ATP ve NADPH+H moleküllerinin kullanımı sonucu organik besinin üretildiği basamaktır (2018 AYT).
• Işıktan bağımsız tepkimeler ışığa doğrudan değil, dolaylı olarak ihtiyaç duyar.
• Işıktan bağımsız tepkimelerde enzim kullanıldığından dolayı bu tepkimeler sıcaklık değişimlerinden etkilenir.
• Kalvin döngüsünde 5C’lu ribuloz bi fosfat (RuBP) ATP ve NADPH+H moleküllerini kullanarak CO₂‘i kendine bağlar ve 6C’lu karasız ara bileşik oluşur. Bu bileşik ikiye ayrılarak fosfogliser aldehitleri (PGAL) oluşturur.

• Işığa bağımlı tepkimelerde üretilen ATP’ler, NADPH+H molekülünden ayrılan hidrojen iyonu ve tepkimeye dahil olan CO₂ moleküllerinin birleştirilmesinde kullanılır (Defosforilasyon).
• İlk tepkimeler sonucu PGAL (Fosfogliseraldehit) molekülü meydana gelir. Oluşturulan PGAL moleküllerinden bazıları farklı organik besin monomerlerinin sentezi için kullanılır.
• ATP ve NADPH+H moleküllerinin kullanılması sonucu oluşan ADP ve NADP, kloroplastın stroma sıvısından granalara geçiş yapar ve ışığa bağımlı tepkimelerde tekrar kullanılır.

Organik moleküllerin sentezi

• Işıktan bağımsız tepkimelerin birincil ürünü PGAL’tir. PGAL en çok glikoz elde etmek için kullanılır.
• Bitkilerde üretilen glikozun fazlası nişasta şeklinde depolanır.
• Bitkilerin fotosentez yapamayan bölümlerinin ihtiyaç duyduğu organik besin, glikoz ve fruktoz moleküllerinin birleşimi ile oluşan sükrozun, soymuk (Floem) borularında bu bölümlere taşınması ile karşılanır.

• Fotosentezin ışıktan bağımsız tepkimelerinde glikoz dışında, aminoasit, yağ asiti, gliserol, vitamin, hormon ve azotlu organik baz üretimi de gerçekleşir.
• Azotlu organik baz, aminoasit gibi azot elementi içeren moleküller üretilirken bitki, dışarıdan hazır aldığı azot tuzlarını (Nitrat, amonyum) kullanır.
• Işıktan bağımsız tepkimeler sırasında su kullanılır.

Fotosentez hızını etkileyen faktörler

• Fotosentez tepkimelerinde CO₂ tüketilirken, O₂ üretilir. Işıklı ortamlarda fotosentez tepkimeleri gerçekleşirken, aynı zamanda oksijenli solunum tepkimeleri de gerçekleşir. Karanlık ortamda ise yalnızca oksijenli solunum tepkimeleri gerçekleşir.
• Fotosentez hızı hesaplanırken aydınlık ortamda birim zamanda açığa çıkan O₂ ile, kullanılan CO₂ miktarı oranlanır. Yalnızca bu orana bakılarak fotosentezin hızı tam olarak doğru ölçülemez.
• Fotosentez hızı ölçülürken fotosentez hızını etkileyen faktörler de dikkate alınmalıdır.
• Fotosentez hızını etkileyen faktörlerden en düşük seviyede seyredeninin fotosentez hızını belirlemesine minimum kuralı denir.

1- Işık şiddeti

Işık, fotosentezin olmazsa olmazıdır. Işığın şiddeti arttıkça fotosentezin hızı da artar fakat bu artış fotosentez hızını etkileyen diğer faktörler tarafından sınırlanır.

2- CO2 yoğunluğu

Belli bir orana kadar, ortamdaki CO2 yoğunluğunun artması fotosentez hızını da arttırır. Belli bir orandan sonra fotosentez hızı sabitlenir. KOH, NaOH, Ba (OH)₂, Ca (OH)₂, gibi CO₂ tutucu moleküllerin bulunduğu ortamda fotosentez hızı istenildiği kadar hızlanamaz.

3- Işık dalga boyu

Klorofil, kırmızı ve mor ışık dalga boyunu çok soğurduğundan, fotosentez en hızlı kırmızı ve mor ışık altında gerçekleşir. Yeşil ışık klorofil tarafından en az soğurulan ışık dalga boyu olduğundan, fotosentez hızı en yavaş yeşil ışık altında gerçekleşir.

4- Sıcaklık

Fotosentez, enzim kontrolünde gerçekleşen bir tepkime olduğundan sıcaklık değişimlerinden etkilenir. Fotosentezin en verimli gerçekleştiği sıcaklığa optimum sıcaklık denir. Optimum değerden uzaklaşan her sıcaklık değişimi fotosentez hızının düşmesine neden olur.

5- Kloroplast sayısı

Kloroplast sayısı ile fotosentez yapma kapasitesi doğru orantılıdır. Kloroplast sayısının artması fotosentetik canlının birim zamanda üreteceği organik besin miktarını arttırır.

• Tarımsal üretim faaliyetleri mevsimsel değişimlerden etkilenir. Sonbahar ve kış mevsimlerinde kısalan gün uzunluğu nedeni ile bitkiler ihtiyaç duydukları ışığı yeterince alamaz.
• Gelişmiş tarımsal teknikler sayesinde bitki gelişimi için gerekli olan ışık yapay ışıklandırma yöntemi ile oluşturularak tarımsal verim arttırılır.

Kemosentez

Bazı bakteri veya arke türleri (Tüm kemoototrof canlılar prokaryotiktir), inorganik maddeleri oksitlemeleri sonucu açığa çıkan enerjiyi kullanarak organik besin üretir. Bu tepkimelere kemosentez, kemosentez reaksiyonlarını gerçekleştirebilen canlılara da kemoototrof (Kemolitotrof) denir.

• Kemoototrof canlılar fotoototrof canlılardan farklı olarak inorganik maddelerden organik besin üretirken ışık yerine oksitleme (Oksidasyon) tepkimeleri sonucu açığa çıkan enerjiyi kullanır. Bundan dolayı kemosentez tepkimeleri gece veya gündüz gerçekleştirilir.
• Kemosentez tepkimelerini gerçekleştirebilen demir, azot, kükürt, hidrojen bakterileri ve arkeler türüne göre, NH₃ (Amonyak), NO₂ (Nitrit), Fe, S, H2, H₂S (Sülfür) gibi molekül veya elementlerinden herhangi birini oksitler.
• Kemoototrof canlılar oksitleme sonucu açığa çıkardıkları enerji ile CO₂ ve H₂O’yu birleştirir. Böylece bu türe canlılar kendi besinini (Ototrof canlı) üretmiş olur.
• Kemosentez tepkimeleri sırasında O₂ gazı açığa çıkar.
• Kemoototrof canlıların büyük bir bölümü toprağın birkaç metre altında yaşar. Bundan dolayı, toprağa zarar verecek faaliyetlerden mümkün olduğu kadar uzak durulmalıdır.
• Doğada gerçekleşen nitrifikasyon olaylarında, kemoototrof olan nitrit ve nitrat bakterileri büyük rol oynar. (Ayrıntılı bilgi için “azot döngüsü” başlığını inceleyiniz) (2022 AYT).

• Kemoototrof canlı türleri çevre kirliliğinin önlenmesinde, biyolojik mücadelede, metal cevherlerinin zenginleştirilmesinde, zor koşullara dayanıklı enzimlerin üretilmesinde, boya endüstrisi ve su arıtma işlemlerinde kullanılır.

Fotosentez ve kemosentez farkı

Fotosentez yapan sülfür bakterileri H₂S molekülünü elektron ve hidrojen kaynağı olarak kullanırken, kemoototrof canlılar aynı molekülü oksitleyerek enerji üretmekte kullanır.