Fotosentezin Canlılar İçin Önemi

Fotosentez, klorofil taşıyan canlıların ışık enerjisini kullanarak inorganik maddelerden organik bileşikler üretme sürecidir. Bitkiler, siyanobakteriler, mor kükürt bakterileri ve öglena gibi protistler fotosentez yapabilirken, mantarlar ve hayvanlar yapamaz.

İnorganik maddelerden organik madde sentezleyen canlılara ototrof canlılar denir. Işık enerjisini kullanarak bu sentezi yapanlara ise fotoototroflar adı verilir. Heterotroflar ise organik besinlerini dışarıdan hazır olarak alır ve besin ihtiyaçlarını ototroflardan veya diğer heterotroflardan karşılarlar.

Işık enerjisi, dalgalar halinde yayılan elektromanyetik bir enerji biçimidir. İki ardışık tepe noktası arasındaki mesafeye dalga boyu denir. Işık, saydam cisimlerden geçebilir, parlak yüzeylerden yansıyabilir veya siyah cisimler tarafından emilebilir.

Dikkat! Bitkiler fotosentezi kloroplast organelinde gerçekleştirir. Bu süreçte ışığın emilmesi, yansıtılması ve geçmesi olayları aynı anda gerçekleşir.

Fotosentez Mekanizması ve Denklemleri

Fotosentez sırasında görünür ışığı emen ve renk veren maddelere pigment denir. Kloroplasttaki pigmentler en çok mor ve kırmızı dalga boylu ışığı soğurur, yeşil ışığı ise yansıtır. Bu nedenle bitkiler yeşil görünür. En önemli fotosentez pigmenti, ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren klorofildir.

Genel fotosentez denklemi şöyledir: $6CO_2 + 12H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6H_2O + 6O_2$

Farklı fotosentetik organizmalar farklı hidrojen kaynakları kullanabilir. Bitkiler ve bazı bakteriler su $H_2O$ kullanırken, bazı fotosentetik bakteriler hidrojen sülfür $H_2S$ veya hidrojen $H_2$ kullanabilir:

• Bitki, siyanobakteriler, algler: $6CO_2 + 12H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 6H_2O$
• Kükürt bakterileri: $6CO_2 + 12H_2S \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 12S + 6H_2O$
• Hidrojen bakterileri: $6CO_2 + 12H_2 \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6H_2O$

İlginç Bilgi: Fotosentezde karbon kaynağı her zaman karbondioksit $CO_2$ olmasına rağmen, hidrojen kaynakları organizmaya göre değişiklik gösterebilir.

Işığa Bağımlı Reaksiyonlar

Işığa bağımlı reaksiyonlar, kloroplastların granalarında gerçekleşir. Bu süreçte klorofil ışığı soğurarak enerji kazanır ve bu enerji ATP üretiminde kullanılır. Işığı soğuran ve kimyasal enerjiye dönüştüren birimlere fotosistem denir.

Fotosistemler tilakoit zarda bulunur. Klorofil molekülünün ışık enerjisini soğurmasıyla elektronlar serbest kalır ve bu elektronları tutabilecek elektron taşıma sistemi (ETS) devreye girer. Elektronlar ETS boyunca taşınırken enerji açığa çıkar ve bu enerji ATP üretimine (fotofosforilasyon) harcanır.

Işık enerjisi yardımıyla su moleküllerinin elektron, proton ve oksijene ayrılması olayına fotoliz denir. Açığa çıkan hidrojenler ve elektronlar NADP+ molekülüne aktarılarak NADPH üretilir. Bu sırada yan ürün olarak oksijen atmosfere verilir.

Önemli Bilgi: 1937'de Robert Hill'in keşfettiği "Hill reaksiyonu", ışık varlığında kloroplastların su ve uygun bir hidrojen yakalayıcısıyla oksijen serbest bırakabileceğini göstermiştir.

Işıktan Bağımsız Reaksiyonlar

Işıktan bağımsız reaksiyonlar, kloroplastların stromasında gerçekleşir. Bu reaksiyonlar enzimatik tepkimeler olduğu için sıcaklık değişimlerine karşı hassastır. Melvin Calvin'in 1961'de açıkladığı bu tepkimeler dizisine Calvin Döngüsü adı verilmiştir.

Bu evrede karbondioksit $CO_2$ kullanılarak başta glikoz olmak üzere tüm organik maddeler üretilebilir. İsmi "ışıktan bağımsız" olsa da, bu tepkimeler için ışığa bağlı tepkimelerde üretilen ATP ve NADPH moleküllerine ihtiyaç duyulur. Bu nedenle dolaylı olarak ışığa bağımlıdır.

Calvin döngüsünde enzimler kullanılır, ancak klorofil ve ETS kullanılmaz. Döngünün altı kez tekrarlanmasıyla 6 karbonlu karbonhidratlar veya diğer organik bileşikler üretilir. Elde edilen 3 karbonlu bileşiklerin bir kısmı glikoza dönüşürken, bir kısmı da yağ asidi, gliserol, amino asit, vitamin, nükleotit ve hormon gibi diğer organik bileşiklere dönüşür.

Unutma: Işıktan bağımsız reaksiyonlarda ATP ve NADPH kullanıldığı için, bu reaksiyonlar da dolaylı olarak ışık gerektiren süreçlerdir.

Fotosentez Ürünleri ve Depolanmaları

Fotosentez sonucunda üretilen 3 karbonlu bileşikler bir dizi aşamadan geçerek farklı organik bileşiklere dönüşür. Bu bileşikler arasında:

• Glikoz ve diğer şekerler
• Yağ asidi ve gliserol
• Amino asitler
• Vitaminler
• Nükleotitler
• Hormonlar

bulunur. Bu çeşitlilik, tüm canlıların ihtiyaç duyduğu organik bileşiklerin temelini oluşturur.

Bitkiler fotosentez ürünü olan glikozu genellikle nişastaya dönüştürerek depolarlar. Bunun en önemli nedeni, bitki hücresinin ozmotik basıncını dengelemektir. Eğer glikoz olarak kalsaydı, suda çözünen bu moleküller ozmotik basıncı artırarak hücrenin aşırı su almasına ve şişmesine neden olabilirdi.

Nişastanın sudaki çözünürlüğü düşük olduğundan, ozmotik basıncı artırmaz ve bitkiye güvenli bir depolama imkanı sağlar. Bu sayede bitkiler ürettikleri enerjiyi uzun süre saklayabilir ve ihtiyaç duyduklarında kullanabilirler.

İpucu: Fotosentez ürünleri sadece bitkinin kendisi için değil, tüm ekosistem için enerji kaynağıdır. Besin zincirindeki tüm canlılar doğrudan veya dolaylı olarak fotosentez ürünlerine bağlıdır.