Fotosentez Nedir?

Fotosentez, inorganik maddelerden (CO₂, H₂O veya H₂S) ışık enerjisi kullanılarak organik besinlerin (glikoz, yağ asidi, gliserol, aminoasit, vitamin) sentezlenmesi sürecidir. Temel fotosentez denklemi şöyledir: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Fotosentez yapabilen canlılar arasında prokaryot (klorofilli bakteriler) ve ökaryot (algler, bitkiler, öglena gibi) canlılar bulunur. Ökaryot canlılar fotosentezde her zaman su (H₂O) kullanırken, bazı prokaryot canlılar hidrojen kaynağı olarak hidrojen sülfür (H₂S) kullanabilir.

Hidrojen kaynağı olarak su kullanıldığında oksijen gazı açığa çıkarken, hidrojen sülfür kullanıldığında kükürt açığa çıkar. Bu nedenle fotosentezde CO₂, ışık ve klorofil kullanımı ortak olsa da, su kullanımı ve O₂ üretimi tüm canlılarda ortak değildir.

Not: Eğer bir canlı hidrojen kaynağı olarak H₂S kullanıyorsa, bu canlı kesinlikle prokaryottur. Ancak H₂O kullanan bir canlı, hem prokaryot hem de ökaryot olabilir.

Klorofil ve Işık Spektrumu

Fotosentez, prokaryotlarda hücre zarının içe doğru yaptığı kıvrımlardaki klorofillerde, ökaryotlarda ise kloroplast organelinde gerçekleşir. Klorofil, C, H, O, N ve Mg elementlerinden oluşur ve sentezlenmesi için yapısında bulunmamasına rağmen demir (Fe) minerali gereklidir.

Klorofil pigmentleri ışığın farklı dalga boylarını soğurabilir. Klorofil-a, kırmızı ışıkta klorofil-b'den daha verimli çalışırken, klorofil-b mor ışıkta klorofil-a'dan daha verimli çalışır. Ancak her ikisi de düşük dalga boylu (mor) ışığı, yüksek dalga boylu (kırmızı) ışıktan daha iyi soğurur.

Karotenoitler, klorofillerin soğuramadığı dalga boylarındaki ışığı soğurup klorofile aktarırken, aynı zamanda klorofillere zarar verebilecek fazla ışık enerjisini yayarak koruyucu görev yaparlar. Bu pigmentler çiçek ve meyvelere sarı-kırmızı-turuncu renkleri verir.

Önemli: Bitkiler fotosentezi sadece görünür ışık tayfında yapabilir $400-700 nm$. Yeşil ışık klorofil tarafından az soğurulduğu için fotosentez hızı düşükken, mor ve kırmızı ışıkta soğurma yüksek olduğundan fotosentez daha hızlıdır.

Fotosentez Reaksiyonları

Fotosentez, iki ana aşamada gerçekleşir: Işığa bağımlı reaksiyonlar ve ışıktan bağımsız reaksiyonlar (Calvin çemberi).

Işığa bağımlı evre (ışıklı evre) kloroplastin granasında gerçekleşir. Bu evrede:

• Su (H₂O) ve ışık enerjisi kullanılır
• Elektron taşıma sistemi (ETS) elemanları görev yapar
• Fotofosforilasyon ile ATP sentezlenir ve NADPH üretilir
• Oksijen gazı açığa çıkar

Işıktan bağımsız evre $karanlık evre/Calvin çemberi$ kloroplastın stromasında gerçekleşir. Bu evrede:

• Işık doğrudan kullanılmamakla birlikte reaksiyonlar yine ışıklı ortamda gerçekleşir
• Enzimler katalizör olarak kullanıldığı için sıcaklık değişimlerine daha hassastır
• CO₂, ATP ve NADPH kullanılarak organik besinler (glikoz, yağ asidi, gliserol, aminoasit, vitamin, azotlu organik baz) sentezlenir

Dikkat: Işıktan bağımsız evrede gerçekleşen reaksiyonlar, ışığa bağımlı evreden sağlanan ATP ve NADPH'a ihtiyaç duyduğundan, bu evre de ışıklı ortamda gerçekleşir.

Işığa Bağımlı Reaksiyonlar

Işığa bağımlı reaksiyonlarda elektron (e⁻) akışı karmaşık bir süreç içerir:

1. Fotosistem II'deki $FS-II$ klorofiller ışığı soğurur ve elektronları uyarır. Bu esnada suyun fotolizi ile elektron, hidrojen iyonları ve oksijen açığa çıkar.

2. Elektronlar tilakoit zar üzerindeki elektron taşıma sistemi (ETS) elemanlarından Fotosistem I'e $FS-I$ taşınır. Bu taşınma sırasında açığa çıkan enerji, stromadan tilakoit boşluğuna H⁺ iyonlarının pompalanmasında kullanılır.

3. Tilakoit zardaki ATP sentaz enzimi aracılığıyla, H⁺ iyonları konsantrasyonun fazla olduğu tilakoit boşluktan stromaya geçerken açığa çıkan enerji ile ATP sentezlenir.

4. FS-I'deki klorofiller ışığı soğurup elektronları uyarır. Bu elektronlar ETS üzerinden NADP redüktaz enzimine gelir. Burada elektronlar ve H⁺ iyonları NADP⁺ ile birleşerek NADPH oluşturur.

Hatırlatma: ATP ve NADPH molekülleri, ışıktan bağımsız reaksiyonlarda (Calvin döngüsü) kullanılmak üzere tilakoit zarın stromaya bakan yüzeyinde sentezlenir. Oksijen ise kloroplasttan dışarı difüzyon olur.

Işıktan Bağımsız Tepkimeler (Calvin Döngüsü)

Calvin döngüsünde, ışığa bağımlı reaksiyonlarda üretilen ATP ve NADPH molekülleri kullanılarak CO₂'den organik besinler sentezlenir. Bu süreçte:

1. CO₂ molekülleri, RuBisCo enzimi yardımıyla ribuloz difosfat ile birleşir ve kararsız ara bileşikler oluşturur.

2. Işığa bağımlı evreden gelen ATP'lerin enerjisi ve NADPH'ların hidrojenlerini kullanarak PGAL (fosfogliseraldehit) molekülleri sentezlenir.

3. PGAL molekülleri, diğer organik bileşiklerin sentezi için temel hammaddedir. PGAL'den dönüşüm reaksiyonları ile glikoz, aminoasit, yağ asidi, gliserol, vitamin ve azotlu organik bazlar sentezlenir.

Önemli bilgiler:

• 1 glikoz molekülünün sentezlenmesi için 18 ATP, 12 NADPH ve 6 CO₂ gereklidir
• PGAL'den aminoasit, vitamin ve azotlu organik baz üretilebilmesi için azot gereklidir

Dikkat: Calvin döngüsü aslında ışıklı ortamda gerçekleşir, çünkü ışığa bağımlı reaksiyonlardan gelen ATP ve NADPH moleküllerine ihtiyaç duyar. "Karanlık reaksiyonlar" terimi yanıltıcı olabilir - bu reaksiyonların sadece ışığı doğrudan kullanmadıkları anlamına gelir.

Calvin Döngüsü Detayları

Calvin döngüsü, aşağıdaki temel adımları içerir:

1. Karboksilasyon aşaması: 6 CO₂ molekülü, ribuloz difosfat (RDP) ile birleşerek kararsız 6C ara bileşiğini oluşturur. Bu reaksiyonu Rubisco enzimi katalizler. Kararsız ara bileşik hızla parçalanarak 12 tane 3C'lu fosfogliserik asit (PGA) molekülüne dönüşür.

2. İndirgeme aşaması: PGA molekülleri, ışığa bağımlı reaksiyonlardan gelen ATP ve NADPH kullanılarak difosfogliserik asit (diPGA) ve sonra difosfogliseraldehit (diPGAL) moleküllerine dönüştürülür.

3. Yenilenme aşaması: Oluşan PGAL moleküllerinin bir kısmı (2 molekül) glikoz sentezi için kullanılırken, geri kalanı RDP'nin yeniden oluşturulmasında kullanılır.

Bir glikoz molekülünün sentezlenmesi için:

• 18 ATP
• 12 NADPH
• 6 CO₂ gereklidir

Unutmayın: Calvin döngüsü, fotosentezin enerji depolama aşamasıdır. Işıktan elde edilen enerji, burada kimyasal bağlar halinde depolanır.

Fotosentez Hızına Etki Eden Faktörler

Fotosentezin hızı, birim zamanda kullanılan CO₂ miktarına veya üretilen O₂ miktarına göre belirlenir.

A. Çevresel Faktörler:

1. Işık şiddeti: Düşük ışık şiddetinde fotosentez yavaş gerçekleşirken, ışık şiddeti arttıkça fotosentez hızı da artar. Ancak belirli bir noktadan sonra ışık şiddetinin artması fotosentez hızını etkilemez (ışık doygunluğu).

2. Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça enzimlerin çalışma hızı da arttığından fotosentez hızı önce artar. Optimum sıcaklık civarında en hızlıdır $genellikle 25-35°C$. Bu değerden yüksek sıcaklıklarda enzimler denatüre olur ve fotosentez hızı düşer.

3. Su miktarı: Bitki hücresinde %15'in altındaki su miktarında enzimler çalışamayacağından fotosentez gerçekleşmez. Su miktarı arttıkça fotosentez hızı artar, ancak belirli bir seviyeden sonra sabit kalır.

Hatırlatma: Fotosentezin hızı, minimum faktör kuralına göre belirlenir - fotosenteze etki eden faktörlerden miktarı en az olana göre sınırlanır.

Fotosentezi Etkileyen Diğer Faktörler

4. Işığın dalga boyu: Ökaryotlarda fotosentez görünür ışık spektrumunda $380-750 nm$ gerçekleşir. Mor ve kırmızı ışık klorofil tarafından iyi soğurulduğu için fotosentez hızı yüksektir. Yeşil ışık ise az soğurulur ve fotosentez hızı düşüktür.

Engelmann deneyi, farklı dalga boylarındaki ışıkların fotosentez hızına etkisini gösteren klasik bir deneydir. Engelmann, ipliksi yeşil alg üzerine farklı renklerdeki ışıkları düşürmüş ve oksijene ihtiyaç duyan bakterilerin hangi bölgelerde toplandığını gözlemlemiştir. Bakteriler en çok mor ve kırmızı ışığın düştüğü bölgelerde toplanmış, bu da bu bölgelerde fotosentez hızının daha yüksek olduğunu kanıtlamıştır.

5. pH derecesi: Fotosentez reaksiyonlarında görev alan enzimlerin çalışma hızı pH değerinden etkilenir. Optimum pH değerinde (genellikle nötr veya hafif bazik) fotosentez hızı en yüksektir.

Pratik Bilgi: Engelmann deneyindeki bakterilerin dağılımı, bizlere hangi ışık dalga boylarında fotosentezin daha verimli olduğunu gösterir - bu bilgi yapay aydınlatma kullanılan seralarda bitki yetiştiriciliği için önemlidir.

CO₂ Miktarı ve Deneyler

6. CO₂ miktarı: Atmosferde yaklaşık %0,034 oranında bulunan CO₂ miktarı arttıkça fotosentez hızı artar. Ancak belirli bir seviyeden sonra CO₂ artışı fotosentez hızını etkilemez.

CO₂ Deneyleri:

1. CO₂'nin fotosentez için gerekliliğini ispatlayan deney: Hava geçirmez kavanozun içerisine CO₂ tutucu olarak KOH (potasyum hidroksit) yerleştirilir. Bir süre sonra kavanozun içindeki yaprakların sarardığı, dışarıda kalan yaprakların yeşil kaldığı gözlemlenir. Bu, CO₂ olmadan fotosentezin gerçekleşemediğini gösterir.

2. CO₂ artışının fotosentez hızını arttırdığını ispatlayan deney: Düzeneğe gazoz ya da soda gibi çözünmüş CO₂'i fazla olan sıvılar eklendiğinde, tüpte biriken O₂ miktarının arttığı gözlemlenir. Bu, CO₂ artışının fotosentezi hızlandırdığını gösterir.

3. Işık şiddeti artışının fotosentez hızını arttırdığını ispatlayan deney: Aynı düzenekte ışık şiddeti arttırıldığında tüpte biriken O₂ miktarının arttığı gözlemlenir.

4. Mineral maddeler: Mg, Ca, K, Fe, P, N, S gibi mineraller fotosentez için gereklidir. Bu minerallerden herhangi birinin eksikliği, fotosentezi ve dolayısıyla bitkinin büyümesini olumsuz etkiler.

Minimum Kuralı: Bir olaya etki eden faktörlerden miktarı en az olana göre sonucun sınırlanmasıdır. Örneğin, fotosentezin hızı, fotosenteze etki eden faktörlerin en az olanına göre belirlenir.

Genetik Faktörler ve Bitki Yapısı

B. Genetik Faktörler

1. Kloroplast sayısı: Yaprak hücrelerindeki kloroplast sayısı arttıkça bitkinin fotosentez hızı artar. Bu, ışığın soğurulması için daha fazla yüzey alanı sağlar.

2. Yaprak ayasının genişliği: Yaprak yüzeyinin geniş olması tutulan ışık miktarını artırır, bu da fotosentez hızını artırır. Geniş yapraklı bitkiler, dar yapraklı bitkilere göre genellikle daha fazla fotosentez yapar.

3. Stoma sayısı: Stoma (gözenek) sayısı arttıkça atmosferden alınan CO₂ miktarı artar, bu da fotosentez hızını artırır. Ancak stomalar aynı zamanda su kaybına da neden olur.

4. Enzim miktarı: Fotosentez reaksiyonlarında görev alan enzimlerin miktarı arttıkça fotosentez hızı da artar. Enzimler, reaksiyonların daha hızlı gerçekleşmesini sağlar.

5. Kütikula kalınlığı: Yaprak yüzeyini örten mumsu tabaka olan kütikula kalınlaştıkça bitki hücrelerine ulaşan ışık miktarı azalır, bu da fotosentez hızını yavaşlatır. Ancak kalın kütikula su kaybını azaltır.

Dikkat: Bitkiler fotosentez ve su kaybı arasında bir denge kurmak zorundadır. Daha fazla stoma daha fazla CO₂ alımı sağlar ancak aynı zamanda daha fazla su kaybına neden olur. Bu nedenle bitkiler yaşadıkları çevreye göre adaptasyon geliştirmişlerdir.