Güneşten Besinlere

Hayatın devam etmesi için enerji şarttır! Bir insan gün içinde yürümekten düşünmeye, kan dolaşımını sağlamaktan yazı yazmaya kadar tüm faaliyetleri için enerjiye ihtiyaç duyar. Peki bu enerjinin kaynağı nedir?

Doğadaki enerjinin temel kaynağı güneştir. Canlılar arasındaki yaşam döngüsü, güneşten gelen enerjinin aktarımıyla sürdürülür. Bu aktarım fotosentez ile başlar ve güneş enerjisi besine dönüştürülür.

Besinlerdeki kimyasal bağ enerjisi, canlılar tarafından hücresel solunum yoluyla ATP'ye dönüştürülür ve yaşamsal faaliyetlerde kullanılır.

Bilgi Kutusu: ATP, tüm canlıların metabolik faaliyetlerinde kullanabildiği ortak, evrensel enerji molekülüdür. Her canlı türü kendi ATP'sini üretmek zorundadır.

Güneşten Besinlere (Devam)

Hız rekortmeni Usain Bolt'un 100 metreyi 9,59 saniyede koşabilmesi için kas hücrelerinde depoladığı besinlere ihtiyacı vardır. Bu müthiş hız için sadece kasların çalışması yeterli değil; kalp atışının hızlanması, kan dolaşımının artması ve gerekli moleküllerin üretimi için de enerji gerekir.

Enerji, iş yapabilme yeteneğidir. Canlı ya da cansız, birçok varlığın işlevini yerine getirebilmesi için enerjiye ihtiyacı vardır. Canlılar besinlerden enerji üretirken, telefonumuz, bilgisayarımız ve elektrikli arabalar gibi cihazlar bataryalarda depolanan elektrik enerjisini kullanır.

İlginç Bilgi: Güneşin ulaşamadığı derin okyanus diplerine hiç ışık ulaşmaz. Burada yaşayan bazı canlılar kemosentez yaparak besin üretirler. Bu süreçte inorganik maddeleri oksitleyerek enerji elde eder ve besin üretirler.

Enerjinin Önemi

İş yapabilme yeteneği olarak tanımlanan enerji, yaşamın her anında karşımıza çıkar. İnsanın yürümesi, köpeğin havlaması veya çekirgenin zıplaması gibi tüm canlılık faaliyetleri enerji gerektirir.

Doğada enerji farklı şekillerde bulunabilir: ısı, ışık, elektrik, hareket, kimyasal ve nükleer enerji. Canlılar bu enerji çeşitlerini birbirine dönüştürebilir. Örneğin:

• Fotosentez yapan bitkiler ışık enerjisini besinlerdeki kimyasal bağ enerjisine dönüştürür
• Kemosentez yapan bakteri ve arkeler inorganik madde oksidasyonuyla ürettikleri kimyasal enerji ile besin üretir
• Tüketici canlılar kimyasal bağ enerjisini besin zinciri ile birbirine aktarır

Besinlerdeki kimyasal bağ enerjisi ATP'ye dönüştürülerek canlılık faaliyetlerinde kullanılır.

Dikkat: Enerji yaratılamaz veya yok edilemez, sadece bir formdan diğerine dönüştürülebilir. Doğadaki tüm yaşam, bu enerji dönüşümlerine bağlıdır.

ATP (Adenozin Trifosfat)

ATP, tüm canlı hücrelerin kullandığı temel enerji para birimidir. Yapısında adenin, riboz ve üç fosfat grubu bulunur. Fosfat grupları arasında yüksek enerjili bağlar vardır ve bu bağların kırılması ile açığa çıkan enerji (7300 cal), yaşamsal faaliyetlerde kullanılır.

ATP'nin özellikleri:

• Tüm canlılarda sentezlenen organik yapılı moleküldür
• Bir hücreden diğerine aktarılmaz
• Hücre zarından geçemez (ancak çekirdek zarından geçebilir)
• Hücrede depolanmaz, gerektiğinde üretilip kullanılır
• Canlı yaşadığı sürece ATP üretip tüketmek zorundadır

Fosforilasyon: ATP sentezi $ADP + Pi → ATP$ Defosforilasyon: ATP hidrolizi $ATP + su → ADP + Pi + enerji$

ATP'nin kullanıldığı alanlar:

• Biyosentez (protein, DNA, RNA sentezi)
• Aktif taşıma
• İmpuls iletimi
• Kas kasılması
• Vücut ısısının korunması

Dikkat: Hidroliz ve pasif taşıma olaylarında ATP tüketilmez. Fotosentez ve kemosentezde üretilen ATP'ler sadece besin üretiminde kullanılır, metabolik olaylarda kullanılmazlar.

Fotosentez

Dünyanın en geniş çevresine sahip ağaç, Meksika'da bulunan ve 40 metrelik çapı olan bir selvi ağacıdır. Yaklaşık 600 ton ağırlığa sahip bu devasa ağacın büyümesi nasıl mümkün olabilir?

Fotosentez, inorganik maddelerden organik madde üretilmesini sağlayan bir yapım olayıdır. Güneş ışığı kullanılarak su ve karbondioksitten karbonhidrat üretilir:

CO₂ + H₂O + Işık enerjisi → C₆H₁₂O₆ + O₂

Fotosentezin özellikleri:

• Işık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür
• İnorganik maddelerden (CO₂ ve H₂O) organik besinler üretilir
• Besin üretiminde en önemli katkıyı yapan element karbondur
• Atmosferdeki CO₂ miktarı fotosentezi etkiler

Bitkilerin devasa boyutlara ulaşabilmesinin nedeni, ağırlıklarının büyük kısmının topraktan aldıkları su ve havadan aldıkları karbondioksitten gelmesidir. Bu elementler fotosentezle organik besinlere dönüşür.

İlginç Bilgi: Hindistan'da yetişen bir kauçuk ağacı 5,4 dönümlük bir araziyi kaplar ve dünyanın en büyük gölgeliğini oluşturur. Bu ağacın köklerinin gelişimi için özel bir yeraltı boru sistemi tasarlanmıştır.

Fotosentez (Devam)

Fotosentez, yaşam için hayati öneme sahiptir çünkü neredeyse tüm canlılar enerji ihtiyacını fotosenteze bağlı olarak karşılar. Fotosentez yapan canlılar ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürerek besin üretir.

Bitkilerde fotosentezle üretilen organik besinler:

• Hücrenin enerji ihtiyacını karşılar
• Karbonhidrat, yağ ve protein sentezinde kullanılır
• Kök, gövde, tohum ve meyvede depolanır

Kendi besinini üreten canlılara ototrof (üretici) canlılar denir. Besin üretmek için ışık enerjisi kullanan canlılara ise fotoototrof canlılar denir. Fotosentez, ekosistemde besin ve enerji akışını sağlayan en temel olaydır.

Fotosentez yapan canlılar:

• Ökaryotik: Bitkiler, su yosunları (algler), öglena
• Prokaryotik: Siyanobakteriler, mor kükürt bakterileri

Bitkiler, fotosentez için gerekli suyu ve mineralleri topraktan, karbondioksiti ise atmosferden veya solunumdan karşılar.

Not: Tam parazit bitkiler (canavar otu, verem otu gibi) fotosentez yapamaz. Besinlerini konakladıkları bitkilerden hazır olarak alırlar.

Fotosentez - Pigmentler

Fotosentez yapan canlılar ışık enerjisini soğurarak kimyasal enerjiye dönüştürür. Yeşil bir bitki yaprağının rengi, içindeki klorofil pigmentinin yeşil ışığı yansıtıp diğer renkleri soğurmasından kaynaklanır.

Pigmentler:

• Görünür ışığı soğuran moleküllerdir
• Kloroplastlarda bulunurlar
• Farklı pigmentler farklı dalga boyundaki ışınları soğurur

Klorofilin özellikleri:

• Fotosentezde görev yapan temel pigmenttir
• Yapısında C, H, O, N ve Mg atomları bulunur
• Sentezi için ortamda Fe mineralinin bulunması gerekir
• En çok mor-mavi ve kırmızı ışığı soğurur, yeşil ışığı yansıtır

Kloroplastta klorofil dışında karotenoitler gibi yardımcı pigmentler de bulunur. Bu pigmentler:

• Farklı dalga boylarındaki ışığı soğurarak klorofile aktarırlar
• Yüksek şiddetli ışıktan klorofili korurlar

Fotosentez, 380-750 nm arasındaki görünür ışıkta gerçekleşir ve ışığın dalga boyu ile enerjisi ters orantılıdır.

Bilimsel Bilgi: Işık bir enerji türüdür ve dalgalar halinde yayılır. Elektromanyetik spektrum, ışığın dalga boylarının sınıflandırıldığı şemadır. Bir cismin rengi, gelen ışığın hangi dalga boyunu yansıtıp hangilerini soğurduğuna bağlıdır.

Fotosentez Tepkimeleri

Fotosentez, iki temel aşamada gerçekleşir:

1. Işığa Bağlı Evre:

• Kloroplastın tilakoitlerinde gerçekleşir
• Klorofil ışığı soğurup Elektron Taşıma Sistemi'ne (ETS) aktarır
• ATP üretilir
• NADP⁺ indirgenir (NADPH oluşur)
• Su fotolize uğrar $H₂O → H⁺ + O₂ + e⁻$
• O₂ gazı açığa çıkar

2. Işıktan Bağımsız Evre (Calvin Döngüsü):

• Kloroplastın stromasında gerçekleşir
• CO₂ besinin yapısına katılır
• NADPH'nin taşıdığı H'ler besin yapısına katılır
• NADPH yükseltgenir (NADPH → NADP⁺)
• ATP tüketilir
• Besin $PGAL = fosfogliseraldehit$ üretilir

Fotosentezin genel denklemi:

6CO₂ + 6H₂O --ışık,klorofil--> C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Kloroplast, fotosentezin gerçekleştiği organeldir. Prokaryotlarda ise fotosentez hücre zar kıvrımları ve sitoplazmada gerçekleşir.

Önemli Not: Işıktan bağımsız evre adı verilmesine rağmen, bu evre de sadece aydınlık ortamda gerçekleşir. Çünkü kullanılan ATP ve NADPH, ışığa bağımlı evrede üretilir.

Işığa Bağımlı Evre

Fotosentezde ışığın doğrudan kullanıldığı evre olan ışığa bağımlı evrede, güneş ışığındaki enerji geçici olarak ATP'de depolanır.

Bu evrenin aşamaları:

1. Klorofil, ışığı soğurur ve elektron (e⁻) seviyesi yükselir
2. Enerji seviyesi yükselen elektronlar, Elektron Taşıma Sistemi'ne (ETS) aktarılır
3. ETS elemanları arasında indirgenme-yükseltgenme reaksiyonları gerçekleşir
4. Bu reaksiyonlardan açığa çıkan enerji ATP sentezinde kullanılır
5. Işık etkisiyle su molekülleri fotolize uğrar $H₂O → 2e⁻ + 2H⁺ + ½O₂$
6. Fotolizle oluşan:
   • H⁺ iyonları NADP⁺ ile birleşerek NADPH oluşturur
   • Elektronlar klorofile aktarılır
   • O₂ atmosfere verilir

Bu süreçte ışık enerjisi, kimyasal enerji olarak ATP ve NADPH'de depolanır. ATP ve NADPH, Calvin döngüsünde besin üretimi için kullanılır.

Bilgi Kutusu: NADP⁺, suyun fotoliziyle oluşan H⁺ iyonlarını, ışıktan bağımsız evreye taşıyan bir koenzimdir. Fotosentez reaksiyonlarında O₂, bir yan üründür. İhtiyaç kadarı hücresel solunumda kullanılır, fazlası atmosfere verilir.

Işıktan Bağımsız Evre (Calvin Döngüsü)

Işıktan bağımsız evre, ökaryotlarda kloroplastın stromasında, prokaryotlarda sitoplazmada gerçekleşir. Bu evrede ışık doğrudan kullanılmasa da ATP ve NADPH gibi ışığa bağımlı evrede üretilen moleküller kullanıldığı için bu evre de aydınlık ortamda gerçekleşir.

Calvin döngüsünde:

• Atmosferden alınan CO₂ ile NADPH'nin taşıdığı hidrojen atomları birleştirilir
• Bunun için gereken enerji, ATP'lerden sağlanır
• Döngü sonucunda üç karbonlu PGAL (fosfogliseraldehit) oluşur
• PGAL, glikoz ve diğer organik bileşiklerin sentezinde kullanılır

PGAL'den üretilen organik bileşikler:

• Karbonhidratlar: Metabolik faaliyetlerde ve enerji eldesinde kullanılır. Fazla glikoz nişasta olarak depolanır
• Lipitler: Hücre zarı yapısında ve enerji deposu olarak kullanılır
• Proteinler: Büyüme-gelişmede rol oynar
• Vitaminler, hormonlar ve azotlu organik bazlar: Düzenleyici ve yönetici olarak işlev görür

Dikkat: Işıktan bağımsız evre enzim kontrolünde gerçekleşir. Yüksek sıcaklık enzimin yapısına zarar vereceği için fotosentez hızını olumsuz etkiler.