Fotosentez – Enerjinin Bağlanması

Bir yaprağın enine kesiti incelendiğinde epidermis, iletim dokusu ve mezofil tabakasından oluştuğu görülür. Epidermis alt ve üst epidermis olmak üzere iki bölüme ayrılır. Epidermis hücre arasında gaz alış verişini sağlayan stomalar bulunur. Su içindeki yapraklarda stoma bulunmaz. İletim dokusu su, mineral ve besin maddelerini taşır. Mezofil tabakası, kloroplast içeren parankima hücrelerinde oluşur. Esas görevi fotosentez yapmaktır. Parankima hücreleri palizat ve sünger parankiması olmak üzere ikiye ayrılır.

1. Kloroplastın Yapısı

Bitkilerin en fazla yaprakların mezofil tabakasında, genç gövdesinde ve yeşil meyvelerde bulunur. Kloroplast taşıyan diğer bir yapı da stomalardır.

Kloroplast genellikle disk şeklinde görünümü olan ve en dışında seçici geçirgen yapıda çift zar bulunduran bir organeldir. Zarlar madde giriş çıkışını kontrol eder. Kloroplastta tilakoit zar denilen 3. bir zar sistemi bulunur. Diske benzeyen tilakoitler granum adı verilen üst üste dizilmiş kümelerden meydana gelir. Granumlar ara lamellerle birbirlerine bağlanarak güneş ışından daha fazla yararlanmayı sağlar. Tilakoitlerde en fazla klorofil pigmenti bulunur. Ancak klorofil dışında ksantofil (sarı), karoten (turuncu) gibi pigmentlerde bulunur.

Kloroplastta granumların gömülü olduğu ara maddeye stroma denir. Stromada DNA, RNA, ribozom ve fotosentez için gerekli enzimler bulunur. Stromada çift lipit damlacıkları ve nişasta tanecikleri de bulunur. Kloroplast organeli prokaryotik ototroflarda bulunmazken öglena, bitki gibi ökaryotik ototroflarda bulunur.

Karmaşık bir olay olan fotosentezin kimyasal denklemi aşağıda verilmiştir.

Bir grup bakteri fotosentezde H2O yerine H2S kullanılır. Bu bakteriler atmosfere O2 yerine S verirler. Bir grup bakteri ise H2O yerine hidrojen kaynağı olarak H2 kullanılır, atmosfere gaz çıkışı gözlenmez.

Fotosentezde atmosfere verilen O2’nin kaynağı H2O’dur.

2. Güneş Işığı

Işık foton adı verilen enerji yüklü taneciklerden oluşur. Dalgalar halinde yayılan fotonun oluşturduğu 2 ardışık tepe noktası arasındaki mesafeye ışığın dalga boyu denir.

Işığın dalga boylarına göre sıralanmasıyla elektromanyetik spektrum elde edilir. Elektromanyetik spektrumun yaşam için olan kısmı, görünür ışık, 380nm ile 750 nm arasında dalga boyudur.

Beyaz ışık, plazmadan geçirildiğinde farklı dalga boylarında mor, mavi, yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı renkli ışık bantları oluşur. Enerji miktarı ışığın dalga boyu ile ters orantılıdır. Mor renkli ışığın enerjisi kırmızı ışığın sahip olduğu enerjinin iki katıdır.

Bitkiler fotosentez yaparken görünür dalga boyunda olan fotonlardaki enerjiyi kullanır. Görünmeyen dalga boylarındaki ışınların önemli bir bölümü atmosfer tarafından süzülür. Canlılara zararlı olan ışınları ( X-ışınları, UV ışınları ) süzdüğünden atmosfer bu yönüyle seçici bir pencere görevi yapar.

3. Fotosentez Pigmentleri

Işık bir cisme çarptığında cisim tarafından yansıtılabilir, emilebilir ve cismin içinden geçebilir.

Klorofil çeşitli dalga boylarındaki ışığı emerek bitkide fotosentez olayını gerçekleştirmesini sağlayan yeşil renkli pigmenttir. Çözünürlük ve ışığı soğurma yönüyle farklılık gösteren iki çeşit klorofilden klorofil-a tüm yeşil bitkilerde; klorofil-b bazı yeşil bitkilerde ve bazı alglerde bulunur. Her iki krolofil molekülü de mavi ve kırmızı dalga boylu ışınları büyük oranda emerek, yeşil ışığı büyük oranda yansıtır ve geçirir.

Klorofil C, H, O, N ve Mg atomlarından oluşur. Klorofil molekülü merkezinde Mg atomu ve buna bağlı 4 pirol halkası bulunur.

Klorofil molekülü prokaryot canlılarda hücre zarı kıvrımlarında bulunurken, ökaryotlardan kloroplastın granasında bulunur.

Bitkilerde yeşil rengi veren pigmentlerinden başka bir pigmentlerden oluşur. Bitkilerde plastitlerde bulunan sarı, turuncu, kırmızı renk veren pigment grubuna karotenoitler denir. Fotosentezde karotenoitler 2 yönden önemlidir.

• Karotenoitler ışık ve oksijen klorofilin parçalanmasını önler
• Fotosentetik sistem içerisinde belli dalgalar boylarındaki ışık enerjisini absorbe klorofile aktararak fotosenteze katkıda bulunur.

Kloroplastlardaki farklı renk pigmentlerinin ışığı soğurma spektrumu

Alman botanikçi Theodor Engelman, ipliksi bir algde fotosentez hızını ölçmek için aerob bakterileri kullanılmıştır. Engelman beyaz ışığı plazmadan geçirerek elde ettiği ışıkla ipliksi alg üzerine düşürmüştür. Aerob bakterilerine en çok mavi-mor ve kırmızı ışınların alg üzerine düştüğü bölgelerde çoğaldığını görmüştür. Bakterilerin toplanması fotosentezin bu bölgelerde daha gerçekleştiğini dolayısıyla daha fazla oksijen ürettiğini göstermektedir.

4. KLOROFİLİN IŞIK TARAFINDAN ETKİNLEŞTİRİLMESİ

Fotosentetik pigmentler, proteinler ve diğer moleküller kloroplast organelinin tilakoyit zarında fotosistem adı verilen birimler halinde düzenlenmiştir. Her fotositemde anten kompleksi ve tepkime merkezi bulunur. Anten kompleksi çok sayıda klorofil ve karotenoit pigmentleri içerir. Pigmenler ışığı toplayıp tepkime merkezine iletir. Tepkime merkezinde klorofil a ve ilk elektron alıcı molekül vardır.

İki tip fotosistem bulunur.

Bunlar fotosistem I (FSI) ve fotosistem II (FSII) dir.

FSI ve FSII de aynı klorofil a bulunur. Klorofil a farklı proteinlerde birleştiğinden farklı özellik gösterirler. FS-I in merkezindeki klorofil 700 nm dalga boyundaki ışığı en iyi soğurduğundan P700, FS-II de 680 nm dalga boylu ışığı iyi soğurduğu için P680 olarak adlandırılır.

Bir foton pigment molekülüne çarptığında klorofilden ayrılan uyarılmış bir elektron, ilk elektron alıcısı tarafından yakalanır. Elektron aktarımı enerji dönüşümlerinin başlangıcıdır.

C.Fotosentez Tepkimeleri

Fotosentez basit inorganik moleküllerden ışık enerjisi yardımıyla karbonhidratların sentezlediği olaylar dizisidir. Fotosentez ışığa bağımlı ve ışıktan bağımsız olarak iki ana basamakta gerçekleşir.

1.Fotosentez Işığa Bağımlı Tepkimeleri

Işığın kullanıldığı, ATP, hidrojen ve oksijenin elde edildiği reaksiyonlardır. Kloroplastın granalarında gerçekleşir.

Klorofilin ışığı emmesi ile serbest kalan elektronu tutabilen elektron taşıma sistemleri (ETS) vardır. Bu ETS elemanları; ferrodoksin(fd), sitokrom b ve sitokrom c’den oluşan sitokrom kompleksi (stk), plastokinon, (pq)ve plastosiyan (pc)’dir. Bu sistemde klorofilden ayrılan elektronlar, yükseltgenme–indirgenme kurallarına göre hareket ederek bir molekülden diğerine aktarılır.

Klorofile sahip canlıların ışık enerjisine kullanarak ADP ve inorganik fosfattan (Pi) ATP sentezlemesi olayına fotofosforilasyon denir. Fotofosforilasyon tepkimeleri devirsiz fotofosforisyon ve devirli fotofosforisyon olmak üzere iki yolla gerçekleşir.

a. Devirsiz Fotofosforilasyon

Devirsiz fotofosforilasyonda iki ayrı fotosistem (FS-I VE FS-II ) görev alır.

Fotosistem II’den ışık etkisiyle kopan elektron, ilk alıcı tarafından tutulur. Enerjisi yüksek elektronlar ETS (pq, stk ve pc) aracılığıyla FSI’ e aktarılır. Bu sırada açığa çıkan elektron enerjisi tilakoit zarda bulunan ATP sentaz enziminin yardımıyla ATP’nin üretilmesinde kullanılır. FSII, FSI’e elektron verdiği için yükseltgenmiştir.