Canlılık ve Enerji

Enerji, canlıların iş yapabilme yeteneğidir. Doğada enerji; ısı, ışık, hareket ve kimyasal bağ enerjisi şekillerinde bulunur. Cisimlerin durumuna göre kinetik enerji (hareket halindeki penguenlerde olduğu gibi) ve potansiyel enerji (organik besinlerin yapısında depolanmış kimyasal bağ enerjisi gibi) olmak üzere iki türdedir.

Kemosentez yapanlar dışında tüm canlılar için temel enerji kaynağı güneştir. Canlılar, organik besinlerdeki kimyasal bağ enerjisini ATP'ye dönüştürerek kullanır.

ATP (Adenozin trifosfat) tüm canlılarda kullanılan enerji molekülüdür. ATP; adenin bazı, riboz şekeri ve üç fosfat grubundan oluşur. Adenin ile riboz arasında glikozit bağı, riboz ile ilk fosfat arasında fosfoester bağı bulunur. Fosfat grupları arasındaki bağlar yüksek enerjilidir.

Dikkat! ATP molekülü başka hücreye aktarılamaz veya uzun süre depolanamaz. Bu nedenle ihtiyaç olduğunda sentezlenir ve kullanılır.

Hücrede Enerji Dönüşümleri

Canlılarda iki tür tepkime gerçekleşir: Enerji açığa çıkaran ekzergonik tepkimeler (oksijenli solunum, oksijensiz solunum, fermantasyon) ve enerji gerektiren endergonik tepkimeler (biyosentez, aktif taşıma, sinirsel iletim, kas faaliyetleri).

Organik maddelere fosfat grubu eklenmesine fosforilasyon, fosfat grubu koparılmasına ise defosforilasyon denir. Bu iki süreç birbirine zıt yönde çalışır:

Fosforilasyon: ADP + P₁ + Enerji → ATP
Defosforilasyon: ATP + H₂O → ADP + P₁ + Enerji

Canlı organizmalarda ATP üretimi üç farklı şekilde gerçekleşir:

1. Substrat Düzeyinde Fosforilasyon: Fosfat içeren bir substrattan enzimatik olarak fosfatın ADP'ye aktarılmasıyla gerçekleşir. Tüm canlı hücrelerde ortak enzimlerle gerçekleşir.

2. Oksidatif Fosforilasyon: Moleküllerin yıkımı veya oksitlenmesiyle açığa çıkan elektronların, elektron taşıma sisteminde taşınması sırasında oluşan enerjiyle ATP üretilir. Solunum yapan ve kemosentetik canlılarda ATP üretiminin çoğu bu yolla sağlanır.

3. Fotofosforilasyon: Klorofilin ışık enerjisini kullanarak ADP'ye inorganik fosfat eklenmesiyle ATP sentezlenmesidir. Bu yolla üretilen ATP sadece fotosentezde kullanılır.

Dikkat! Kemosentetik canlılar oksidatif fosforilasyonla enerji üretir ve kimyasal enerji kullanır. Bu nedenle kemosentez gece-gündüz gerçekleşebilirken, fotosentez sadece ışık varlığında gerçekleşir.

Fotosentez Temelleri

Fotosentez, klorofil taşıyan canlıların ışık enerjisini kullanarak inorganik maddelerden organik madde sentezlemesidir. Bu canlılara fotoototrof veya fotosentetik canlılar denir. Bitkiler (tam parazit olanlar hariç), bazı bakteriler, öglena ve algler fotoototrof canlılardandır.

Fotosentetik canlılar, CO₂ kullanarak kendileri ve diğer canlılar için besin ile O₂ üretir. O₂'li solunum yapan canlılar da bu besini ve O₂'i kullanarak atmosfere CO₂ verir. Böylece doğadaki CO₂ ve O₂ döngüsü sağlanır. Fotosentez, ekosistemlerdeki besin ve enerji akışının temel biyolojik olayıdır.

Fotosentez ökaryotlarda kloroplast organelinde gerçekleşir. Kloroplast; bitkilerin yeşil yapraklarında, olgunlaşmamış meyvelerinde, genç dallarında, bazı köklerde ve çiçek kısımlarında bulunur.

Kloroplast çift zarlı bir yapıya sahiptir ve içinde tilakoitler denilen yassı kesecikler bulunur. Tilakoitlerin üzerinde ışığı emen pigmentler vardır. Tilakoitler üst üste dizilerek granum yapılarını oluşturur. Granumlar ara lamellerle birbirlerine bağlıdır ve hepsine birden grana denir. Tilakoitler, stroma adlı sıvı içine gömülüdür.

Dikkat! Kloroplast kendi DNA'sına sahiptir, bu nedenle kendini eşleyerek çoğalabilir. Kloroplast içindeki ribozomlar, fotosentezde görevli enzimleri üretir.

Fotosentezde Işık Enerjisi

Engelmann, ipliksi alg kullanarak yaptığı deneyde, algin farklı kısımlarını farklı dalga boyunda ışığa maruz bırakmış ve oksijenli solunum yapan bakterilerle hangi bölgelerde daha çok fotosentez gerçekleştiğini saptamıştır. Bakterilerin mor, mavi ve kırmızı dalga boylu ışığın düştüğü bölgelerde daha çok kümeleştiğini gözlemiştir. Bu deney, klorofilin en çok mor, mavi ve kırmızı dalga boylu ışığı soğurduğunu ve fotosentezin bu ışıkların düştüğü kısımlarda daha hızlı gerçekleştiğini ispatlamıştır.

Görünür ışığı emen maddelere pigment denir. Bitkilerde klorofil dışında karoten (turuncu), ksantofil (sarı), likopen (kırmızı) gibi farklı pigmentler de bulunur.

Fotosentez reaksiyonları iki evrede gerçekleşir:

1. Işığa bağımlı reaksiyonlar (granumda gerçekleşir)
2. Işıktan bağımsız reaksiyonlar (stromada gerçekleşir)

Işığa bağımlı reaksiyonlarda:

• Su molekülü parçalanır (fotoliz)
• Işık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür
• ATP ve NADPH üretilir
• Yan ürün olarak O₂ açığa çıkar

Işıktan bağımsız reaksiyonlarda:

• CO₂ kullanılır
• Işığa bağımlı reaksiyonlarda üretilen ATP ve NADPH harcanır
• Glikoz ve diğer organik maddeler üretilir

Dikkat! Fotosentez, ışık enerjisinin önce ATP ve NADPH'ta depolanması, sonra bu moleküllerdeki enerjinin kullanılarak CO₂'den şeker sentezlenmesi şeklinde ilerler.

Fotosentez Reaksiyonları

Işığa Bağımlı Reaksiyonlar:

• Kloroplastların granalarında gerçekleşir
• Klorofil ışığı soğurarak enerji kazanır ve ATP sentezi gerçekleşir
• Işığı soğuran ve kimyasal enerjiye dönüştüren birimlere fotosistem denir
• Klorofilden ayrılan elektronlar, ETS'de (elektron taşıma sistemi) taşınır ve bu sırada ATP üretilir (fotofosforilasyon)
• Suyun fotolizi sonucu açığa çıkan hidrojenler ve elektronlar NADP molekülüne aktarılarak NADPH oluşturulur
• Yan ürün olarak oksijen açığa çıkar

Işıktan Bağımsız Reaksiyonlar:

• Kloroplastların stromasında gerçekleşir
• Enzimatik tepkimeler olduğu için sıcaklık değişimlerine karşı hassastır
• CO₂ kullanılarak başta glikoz olmak üzere tüm organik maddeler üretilir
• Işığa bağımlı reaksiyonlardan gelen ATP ve NADPH kullanılır
• Üç karbonlu molekül olan fosfogliseldehit (PGAL) sentezlenir
• PGAL'lerin bir kısmı glikoza dönüştürülür, diğer kısmı farklı organik bileşiklerin sentezinde kullanılır

Fotosentez sonucu üretilen glikozun fazlası, ışıklı ortamda nişasta şeklinde depo edilir. Bu nişasta, ışıksız ortamlarda enerji kaynağı olarak kullanılır.

Biliyor musunuz? Kloroplast içinde gerçekleşecek tepkimelerde görevli enzimlerin üretim yeri kloroplast stromasındaki ribozomlardır. Bu enzimler hücre sitoplazmasındaki ribozomlarda üretilmez.

Fotosentez Hızını Etkileyen Faktörler

Fotosentez hızını etkileyen faktörler arasında ışık şiddeti, ışığın dalga boyu, sıcaklık, klorofil miktarı ve CO₂ yoğunluğu bulunur. Bu faktörlerden birinin yetersiz olması fotosentezin yavaşlamasına ya da durmasına neden olur. Fotosentez hızını, miktarı en düşük olan faktörün belirlemesine minimum kuralı denir.

Işık Şiddeti: Fotosentez, ışık olmadan gerçekleşemez. Işık şiddeti arttıkça fotosentez hızı da artar. Ancak diğer faktörler sınırlı olduğundan bir süre sonra ışık şiddetindeki artış fotosentez hızını etkilemez.

Işığın Dalga Boyu: Fotosentez hızı kırmızı ve mor ışıkta en yüksekken, yeşil ışıkta en düşüktür. Çünkü klorofil molekülü en çok kırmızı ve mor dalga boylarındaki ışığı soğurur, yeşil ışığın çoğunu yansıtır.

CO₂ Yoğunluğu: CO₂, fotosentezin ışıktan bağımsız tepkimelerinin başlaması için gereklidir. CO₂ yoğunluğu arttıkça fotosentez hızı belirli bir değere kadar artar, sonra sabit kalır. Havadaki CO₂ yoğunluğu belirli bir sınırın altına düşerse bitki CO₂ bağlayamaz ve fotosentez durur.

Sıcaklık: Sıcaklık artışı, fotosentez hızını belirli bir değere kadar artırır. Bu değerden sonra ışıktan bağımsız reaksiyonlarda görev yapan enzimlerin yapısı bozulduğundan fotosentez hızı düşer. Sıcaklığın 35°C üzerine çıkması, genellikle birçok bitkide fotosentez hızının düşmesine neden olur.

Klorofil Miktarı: Fotosentez yapan bütün canlılarda klorofil pigmenti bulunur. Klorofil, ışığı soğuran moleküldür. Bitkide klorofil miktarının fazla olması fotosentez hızını artırır.

Kemosentez

Kemosentez, bazı prokaryot canlılar tarafından inorganik maddelerin oksidasyonu sonucu açığa çıkan kimyasal enerji ile inorganik maddelerden organik madde sentezlenmesidir. Metan, hidrojen, demir, kükürt, nitrit ve nitrat bakterileri kemosentetik canlılardır.

Besinlerini kemosentezle üreten bu canlılara kemoototrof denir. Kemoototrof canlılar klorofil pigmenti bulundurmadıkları için besin sentezi sırasında ışık enerjisi kullanmaz. Bu nedenle hem gündüz hem de gece besin üretebilirler.

Kemosentezde, inorganik maddeler oksijen ile tepkimeye girerek başka inorganik maddelere dönüşür (oksidasyon). Bu süreçte açığa çıkan enerji ile ATP sentezlenir ve CO₂ ile H₂O'dan besin üretilir.

İnorganik madde + O₂ → Yeni inorganik madde + Enerji
CO₂ + H₂O → Besin + O₂

Kemosentezin madde döngülerinde önemli katkıları vardır. Özellikle nitrit ve nitrat bakterileri, doğadaki azot döngüsünün gerçekleşmesinde kritik rol oynar. Kemosentezde su ve CO₂ ham madde olarak kullanılır ancak gerekli enerji kimyasal tepkimelerden elde edilir.

Fotosentezden farklı olarak, kemosentezde açığa çıkan oksijen atmosfere verilmez, aynı canlı tarafından kullanılır. Bu nedenle kemosentez olayı atmosfer için oksijen kaynağı değildir.

Dikkat! Kemosentetik bakterilerin H₂S'yi kullanma amacı fotosentetik bakterilerden farklıdır. Kemosentetikler H₂S'yi oksitleyerek enerji açığa çıkarırken, fotosentetikler hidrojen ve elektron kaynağı olarak kullanır.

Kemosentez ve Fotosentez Karşılaştırması

Kemosentetik arkelerin büyük bir kısmı yüksek tuzluluk, düşük oksijen yoğunluğu, yüksek sıcaklık, ekstrem pH gibi zor koşullarda yaşar. Bu canlılardan elde edilen enzimler biyolojik ve ekonomik açıdan oldukça önemlidir. Bu enzimler:

• Kirlenmiş suların temizlenmesinde
• Boya endüstrisinde
• Arıtma tesislerinde
• Düşük kaliteli metal cevherlerin zenginleştirilmesinde kullanılır

Fotosentez ve kemosentezin ortak yönleri:

• İnorganik maddelerden organik madde üretilir
• Karbon kaynağı olarak CO₂ kullanılır
• Oksijen üretilir
• ATP sentezlenir
• Enzimatik tepkimelerdir
• Elektron taşıma sistemi (ETS) görev yapar
• Oksijensiz ortamda gerçekleşebilir

Ancak önemli farkları da vardır. Fotosentezde enerji kaynağı güneş ışığı iken, kemosentezde inorganik maddelerin oksidasyonu ile açığa çıkan kimyasal enerjidir. Fotosentez kloroplastlarda gerçekleşirken, kemosentez bakterilerin sitoplazmalarında gerçekleşir.

Fotosentez ekosistemdeki besin zincirinin temelini oluştururken, kemosentez özellikle madde döngülerinde (özellikle azot döngüsü) kritik rol oynar.

Biliyor musunuz? Kemosentetik bakteriler, derin deniz termik bacalarında ışıksız ortamlarda yaşayan ekosistemler için birincil üretici görevi görür. Bu bakteriler, hidrojen sülfür veya metan gibi inorganik bileşikleri oksitleyerek enerji üretir ve çevredeki diğer canlılar için besin kaynağı oluşturur.