Fotosentez Temelleri

Fotosentez, ışık enerjisini kullanarak inorganik maddelerden organik madde sentezleme işlemidir. Temel formül olarak CO₂+H₂O, ışık ve klorofil yardımıyla C₆H₁₂O₆ (glikoz) ve O₂'ye dönüşür. Bu sürecin ana denklemi şöyledir: 6CO₂+12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O.

Fotosentezi gerçekleştirebilen canlılar arasında bitkiler, algler, öglena ve bazı bakteriler (siyanobakteriler) bulunur. Ayrıca mor-sülfür bakterileri gibi bazı bakteriler oksijensiz fotosentez yapabilirler. Bunlar su yerine H₂S kullanarak CO₂+H₂S → C₆H₁₂O₆ + S + H₂O reaksiyonunu gerçekleştirirler.

Fotosentez süreci, ökaryotlarda (bitkiler, algler, öglena) kloroplastlarda gerçekleşirken, prokaryotlarda (bakteriler) hücre zarının içe kıvrıldığı kısımlarda ya da sitoplazmada meydana gelir.

💡 Dikkat! Fotosentezde açığa çıkan oksijen kaynağı su (H₂O) molekülüdür, karbondioksit değildir!

Kloroplast ve ATP Sentezi

Kloroplast, ökaryotik hücrelerde fotosentezin gerçekleştiği organeldir. Dış zar, iç zar ve tilakoid adı verilen düzlemsel yapılardan oluşur. Tilakoidler üst üste dizilerek granumu oluştururlar. Klorofiller, karotenoidler ve elektron taşıma sistemi (ETS) gibi fotosentez için gerekli bileşenler tilakoid zarda bulunur. Stroma ise kloroplastın sıvı kısmını oluşturur ve DNA, RNA, ribozom ve enzimler içerir.

ATP, canlılarda enerji kaynağı olarak kullanılan bir moleküldür ve üç farklı fosforilesyon (fosfor ekleme) yoluyla üretilir:

1. Substrat Düzeyinde Fosforilesyon: Organik bileşiklerdeki kimyasal bağ enerjisiyle ADP'ye fosfor eklenmesidir. Tüm canlılarda görülen bu süreç, oksijensiz ve oksijenli solunumda sitoplazmada gerçekleşir.

2. Oksidatif Fosforilesyon: Elektronların ETS'den geçişi sırasında açığa çıkan enerjiyle ADP'ye fosfor eklenmesidir. Oksijenli solunum yapan canlılarda ve kemosentez yapanlarda görülür. Ökaryotlarda mitokondride, prokaryotlarda hücre zarında gerçekleşir.

💡 Unutma: ATP, canlıların temel enerji para birimidir ve hücrelerdeki biyokimyasal reaksiyonların çoğunda kullanılır!

Foto-Fosforilesyon ve Fotosistemler

Foto-Fosforilesyon, ışık enerjisinin ATP'ye dönüştürülmesi sürecidir. Bu süreçte klorofil pigmenti ve ETS (Elektron Taşıma Sistemi) kullanılır. Fotosentez sırasında gerçekleşir ve elde edilen ATP yalnızca fotosentez olayında kullanılır. Ökaryotlarda kloroplast içinde, prokaryotlarda ise hücre zarında gerçekleşir.

Fotosistem, ışık enerjisini soğurarak ATP sentezlenmesini sağlayan sistemdir. Klorofiller, karotenoidler ve protein elektron alıcılarından oluşur. İki çeşit fotosistem vardır: FSI ve FSII. Fotosistemler tilakoid zarda bulunur ve ışık enerjisini yakalayarak elektron aktarımını başlatır.

Karotenoidler, klorofilin anten kompleksi olarak görev yapar ve fotosenteze yardımcı olur. Fotosistemler ışık enerjisini yakalayıp kimyasal enerjiye dönüştürür. Bu süreçte fotonda bulunan enerji, klorofil tarafından emilir ve tepkime merkezine aktarılır.

💡 Bilgi Notu: Fotosentez yapan organizmalarda, foto-fosforilesyon dışında substrat düzeyinde fosforilesyon da gerçekleşebilir, ancak oksidatif fosforilesyon gerçekleşmez!

Fotosentez Reaksiyonları

Fotosentez iki ana evrede gerçekleşir: Işığa Bağımlı Evre (Işık reaksiyonları) ve Işıktan Bağımsız Evre (Calvin Döngüsü). Temel reaksiyon şöyledir: 6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O.

Işığa Bağımlı Evre, granumda (tilakoid zarlarında) gerçekleşir. Bu evrede suyun fotolizi sonucu elektronlar, oksijen ve hidrojen iyonları açığa çıkar: H₂O → e⁻ + O₂ + H⁺. Elde edilen elektronlar, NADP⁺ tarafından alınır ve NADPH oluşur: NADP⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ → NADPH + H⁺. Ayrıca ATP sentez enzimi yardımıyla ADP'ye fosfor grubu eklenerek ATP oluşturulur.

Işıktan Bağımsız Evre (Calvin Döngüsü), stromada gerçekleşir. Bu evrede, ışığa bağımlı evrede üretilen ATP ve NADPH kullanılarak CO₂, organik moleküllere dönüştürülür. Süreç sonunda glikoz ve diğer karbonhidratlar sentezlenir.

💡 Önemli! Fotosentez olaylarının gerçekleşme sırası: önce suyun fotolizi, sonra oksijenin çıkması ve en son CO₂'nin kullanılması şeklindedir.

Kemiosmotik Hipotez ve Calvin Döngüsü

Kemiosmotik Hipotez, fotosentez sırasında ATP sentezinin nasıl gerçekleştiğini açıklar. Tilakoid zarı boyunca proton (H⁺) derişim farkı yaratılarak ATP sentezlenmesi sağlanır. Işık enerjisi kullanılarak su fotoliz edilir ve elektronlar serbest kalır. Bu elektronlar ETS boyunca ilerlerken enerji açığa çıkar ve bu enerji ile protonlar tilakoid lümenine pompalanır.

Protonların tilakoid lümeni ile stroma arasındaki derişim farkı, protonların ATP sentaz enziminden stromayla geçmesini sağlar. Bu geçiş sırasında açığa çıkan enerji, ADP'nin ATP'ye dönüşmesinde kullanılır. Aynı zamanda elektronlar NADP⁺'ye aktarılarak NADPH oluşturulur.

Calvin Döngüsü (Işıktan bağımsız evre), stromada gerçekleşir ve CO₂'nin organik moleküllere dönüştürülmesini sağlar. Bu süreçte, ışığa bağımlı evrede üretilen ATP ve NADPH kullanılır. CO₂, RuBP (Ribüloz bifosfat) ile birleşerek PGA (Fosfogliserik asit) oluşturur. PGA daha sonra PGAL'e (Fosfogliseraldehit) indirgenir ve bu molekülden glikoz sentezlenir.

💡 Bilgi Notu: Calvin döngüsünde, bir glikoz molekülü oluşturabilmek için 6 CO₂, 18 ATP ve 12 NADPH molekülü kullanılır!

Fotosentezi Etkileyen Faktörler

Fotosentez oranı, bir bitkinin birim zamanda tükettiği CO₂, ürettiği O₂ veya besin miktarı ile ölçülebilir. Ayrıca kuru ağırlık artışı da fotosentez hızını gösterir. Fotosentez oranını etkileyen faktörler iki ana gruba ayrılır:

A. Çevresel Faktörler:

• CO₂ miktarı: Belirli bir noktaya kadar CO₂ artışı, fotosentezi hızlandırır.
• Işık şiddeti: Artan ışık şiddeti fotosentez hızını artırır ancak belirli bir noktadan sonra sabitleşir.
• Sıcaklık: 0-35°C arasında sıcaklık artışı fotosentezi hızlandırır, daha yüksek sıcaklıklarda enzimler zarar görür.
• Işığın dalga boyu: Mor ve kırmızı ışık, fotosentez için en verimli dalga boylarıdır.
• Su miktarı: Su azlığı stomaların kapanmasına neden olur ve fotosentezi yavaşlatır.
• Mineraller: Özellikle Mg (klorofil yapısı için) ve Fe (enzim kofaktörü) eksikliği fotosentezi olumsuz etkiler.

B. Kalıtsal Faktörler:

• Kloroplast sayısı
• Klorofil miktarı
• Yaprak sayısı ve genişliği
• Stoma (gözenek) sayısı
• Kütikula (mumsu tabaka) kalınlığı

💡 İpucu: Yeşil ışık, bitkiler tarafından yansıtıldığı için fotosentezde en az kullanılan dalga boyudur!

Klorofil ve Fotosentez Verimliliği

Klorofil, fotosentezin gerçekleşmesinde temel rol oynayan yeşil pigmenttir. C₅₅H₇₂O₅N₄Mg formülüne sahiptir ve yapısında karbon, hidrojen, oksijen, azot ve magnezyum elementleri bulunur. Magnezyum eksikliğinde klorofil sentezi aksar, bu nedenle fotosentez verimliliği düşer.

Klorofil sentezinde görevli enzimlerin kofaktörü demir (Fe) elementidir. Demir ayrıca elektron taşıma sistemi elemanlarının yapısına da katılır. Bu nedenle demir eksikliği hem klorofil sentezini hem de fotosentezi olumsuz etkiler.

Fotosentez, görünür ışıkta gerçekleşir ancak ışığın farklı dalga boylarının fotosentez üzerindeki etkisi farklıdır. Mor-mavi ve kırmızı-turuncu dalga boyları fotosentez için en verimli olanlardır. Yeşil ışık klorofil tarafından yansıtıldığı için fotosentezde çok az kullanılır.

💡 Pratik Bilgi: Optimum koşullarda bile bitkiler, aldıkları ışık enerjisinin sadece yaklaşık %1-3'ünü fotosentezde kullanabilirler; geri kalan enerji ısı olarak yayılır!