Biyoloji Ders Notları, Fotosentez
Basit inorganik moleküllerden, gereksinim duydukları bütün organik maddeleri sentezleyebilen ve dışarıdan hazır organik madde almadan yaşayabilen canlılara ototrof (üretici) canlılar denir. Ototrof canlılar, fotoototrof ve kemoototrof olmak üzere iki grupta incelenir.
İnorganik maddelerden organik bileşikleri üretemeyen ve bu nedenle organik bileşikleri ortamdan hazır alan canlılara heterotrof (tüketici) canlılar denir.
Böcekçil bitkiler gibi bazı canlılar ise hem ototrof hem heterotrof beslenir.
Heterotrof canlılar hem besin hem de oksijen için fotosentez olayına bağımlıdırlar. Fotosentez, ototrofların klorofil pigmenti ve ışık enerjisi ile organik madde sentezlemesidir.
Fotosentez sonucu açığa çıkan oksijenin kaynağı sudur. Karbondioksitteki oksijen atomu hem sentezlenen glikoz hem de açığa çıkan suyun yapısına katılır.
Fotosentezde net su tüketimini göstermek için eşitlik sadeleştirilebilir.
Kükürt bakterileri gibi bazı fotoototrof bakteriler H2O yerine H2S (hidrojen sülfür) kullanılır. Bu durumda oksijen yerine kükürt oluştururlar.
Kloroplast
Bitkilerde fotosentez kloroplast adı verilen organellerde gerçekleşir. Bir çok bitkide kloroplastın en yoğun bulunduğu organ yapraklardır.
Kloroplastlar çift katlı zarla çevrilidir. Kloroplast içindeki sıvıya stroma, zar katmanlarından oluşan yassı keselere tilakoit denir. Tilakoitlerin bir araya gelmesiyle oluşan kümeler granum adını alır. Klorofil ve diğer pigmentler tilakoit zar sistemine yerleşmiştir. Fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonları tilakoit zarlarda, ışıktan bağımsız reaksiyonları stromada gerçekleşir.
Fotosentez Pigmentleri
Görünür ışığı emen maddelere pigment adı verilir. Farklı pigmentler, farklı dalga boyundaki ışığı soğurur. Işığın yapısında foton adı verilen enerji yüklü parçacıklar vardır. Enerji miktarı ışığın dalga boyu ile ters orantılıdır. Işığın dalga boyu azaldıkça o ışıktaki her bir fotonun enerjisi artar. Fotosentezde, spektrumun gözle görülebilen kısmı(görünür ışık) kullanılır.
Yaprakların kloroplastlarında bulunan klorofil pigmenti kırmızı ve mavi ışığı soğururken, yeşil ışığı geçirir ve yansıtır. Yapraklar bu nedenle yeşil gözükür. Klorofilin soğurduğu ışıklar fotosentezde kullanılarak hücrelerin yararlanabileceği kimyasal bağ enerjisine dönüştürülür.
Bitkiye yeşil rengini veren klorofil pigmenti kloroplastların tilakoit zarlarında bulunur. Yapısında C, H, O, N, Mg atomları yer alan bu molekülün birbirine benzeyen bazı çeşitleri vardır. Bunlardan en yaygın olanı klorofil a ve klorofil b’dir. Bitkilerde klorofilin yanı sıra sarı ve turunca rengi veren bazı renk maddelerine de rastlanır. Bunlara karotenoit adı verilir. Karotenoitler klorofilinkinden farklı dalga boylarındaki ışınları soğururlar ve bunların klorofile aktarılmasında rol oynarlar.
Kloroplastın tilakoit zarı üzerinde ışığı emen pigmentler, diğer bazı moleküllerle birlikte fotosistem adı verilen birimler şeklinde düzenlenmiştir.
Fotosentezin ışığa bağımlı tepkimelerinde fotosistem I(FS I) ve fotosistem II(FS II) adını alan iki çeşit fotosistem vardır. Her iki sistemin tepkime merkezlerinde birbirinin aynı olan klorofil a molekülleri bulunur.
Fotosentez Reaksiyonları
Fotosentez olayı iki evreler gerçekleşir. Işığa bağımlı reaksiyonlar adını alan ilk evrede güneş enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür. Işıktan bağımsız reaksiyonlar adını alan ikinci evrede ise CO2 kullanılarak organik madde sentezlenir.
1- Işığa Bağlı Reaksiyonlar
Fotosentez tepkimeleri klorofilin ışık tarafından uyarılmasıyla başlar. Tilakoit zarlarda: ferrodoksin(fd), sitokrom kompleksi (stk), plastokinon (pq) ve plastosiyanin (pc) den oluşan elektron taşıma sistemi (ETS) bulunur. Klorofilden ayrılan elektronlar ETS’de yükseltgenme – indirgenme kurallarıyla bir molekülden diğerine aktarılır.
Işığa bağımlı reaksiyonlarda güneş enerjisi kullanılarak su parçalanır (Fotoliz). Böylece elektronlar, protonlar ve oksijen serbest kalır. Elektron ve protonlar ATP ve NADPH oluşturmak için kullanılırken oksijen atmosfere verilir. Işık enerjisi kullanılarak ADP’ye bir fosfat grubunun katılmasıyla ATP sentezlenmesine fotofosforilasyon denir. Işık reaksiyonları; devirsiz ve devirli fotofosforilasyon olmak üzere iki yolla gerçekleşir.
a. Devirsiz fotofosforilasyon
Bu reaksiyonlarda gerçekleşen olaylar şu şekilde özetlenebilir:
*FS II’nin ışığı soğurmasıyla klorofilden ayrılan elektronlar ilk alıcı tarafından tutulur ve ETS’ye aktarılır.
* FS II’den ayrılan elektronların yerini suyun parçalanmasıyla oluşan elektronlar alır. Bu arada açığa çıkan oksijen atmosfere verilir.
* ETS ‘ye geçen elektronların taşınması sırasında açığa çıkan enerji ile ATP sentezlenir. Bu elektronlar FS I’in elektron açığını kapatır. Çünkü FS I’deki klorofil molekülü daha önce uyarılmış ve elektron kaybetmiştir.
* FS I’den ayrılan elektronlar ferrodoksinden NADP’ye taşınır ve NADP protonlarla birleşerek NADPH’ı oluşturur.
b. Devirli fotofosforilasyon
Bu reaksiyonlarda gerçekleşen olaylar şu şekilde özetlenebilir:
*FS I’in ışığı soğurmasıyla klorofilden ayrılan elektronlar ilk alıcı tarafından tutulur ve ETS’ye aktarılır.
* Elektronların ETS’de taşınması sırasında açığa çıkan enerji ile ATP sentezlenir.
* Bu elektronlar tekrar FS I’deki klorofil molekülüne geri döner.
2- Işıktan Bağımsız Reaksiyonlar
Kloroplastın stromasında gerçekleşen bu evrede ışığa doğrudan gerek duyulmaz. Ancak ışık reaksiyonlarında oluşan ATP ve NADPH gereklidir. Işıktan bağımsız reaksiyonlarda gerçekleşen kimyasal olaylarda enzimler görev alır. Bu nedenle fotosentezin bu evresi sıcaklıktan etkilenir.
Calvin döngüsü olarak da adlandırılan bu reaksiyonlarda CO2 beş karbonlu bir şekerle(ribuloz difosfat) birleşir. Daha sonra NADPH’dan gelen elektronlar ve ATP enerjisi kullanılarak üç karbonlu bir şeker olan fosfogliser aldehit (PGAL) oluşur. PGAL’in bir kısmı ribuloz difosfatın yeniden üretiminde kullanılırken bir kısmı da glikoz gibi organik moleküllerin sentezinde kullanılır.
Fotosentezin ışıktan bağımsız reaksiyonlarına bir molekül CO2’nin katılması için 3 ATP ve 2 NADPH gereklidir. Bir molekül glikozun üretimi için 6 CO2 molekülüne ihtiyaç duyulduğuna göre ışığa bağımlı reaksiyonlardan 18 ATP ve 12 NADPH’ın gelmesi gereklidir.
Işıktan bağımsız reaksiyonlarda oluşan PGAL’in bir bölümü glikoz oluşumuna katılırken bir bölümü de yağ asidi, gliserol, amino asit, vitamin ve nükleotitlerin yapımında kullanılır.