Konu Detayı Sayfası
Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi (Fotosentez)
Aşağıdaki metinden yararlanarak soruları cevaplayınız.
Önceki öğrenme yaşantılarınızdan ve her bir soruya vereceğiniz cevaptan hareketle bir kavram haritası oluşturunuz.
Dünya’nın hacimce en büyük canlıları olan sekoya ağaçlarının kütlesi 2000 tona ulaşabilir. Ağaçların bu devasa kütlelerinin kaynağının genellikle topraktan aldıkları besinler ve su olduğu düşünülür. Ancak türüne göre değişse de ağaçların kütlelerinin yaklaşık %50-%80’i yapılarındaki karbondan kaynaklanır. Ağaçlar karbonu havadaki karbondioksitten alır ve fotosentez sonucu farklı bileşiklerin; örneğin karbohidratların, proteinlerin, nükleik asitlerin (DNA ve RNA) üretiminde kullanır. (...) Yeryüzündeki ağaçlarda depolanan karbon miktarı atmosferde bulunan toplam karbon miktarı kadardır. Kısaca ağaçların karbon depolama konusunda uzman olduğu söylenebilir. Havadaki karbondioksit miktarındaki artış fotosentez verimini, dolayısıyla depolanan karbon miktarının artmasını sağlayabilir mi diye düşünülebilir. Ancak karbondioksit miktarı artsa da ışığın, suyun ve topraktaki besinlerin miktarının bitkilerde büyüme ve karbon depolama süreçleri üzerinde sınırlayıcı etkisi var.
Genel ağdan alınmıştır.
1. Havadaki karbondioksit miktarındaki artış, fotosentezi nasıl etkiler?
2. Bitkilerde alınan karbon hangi bileşiklerin üretiminde kullanılır?
3. Bitkiler fotosentez yapmak için nelere ihtiyaç duyar?
4. Fotosentez ile bitkilerdeki besin üretimi arasında nasıl bir ilişki vardır?
1. Havadaki karbondioksit miktarındaki artış, fotosentezi nasıl etkiler?
Fotosentez, karbondioksiti kullanarak besin üretme sürecidir. Havadaki karbondioksit miktarı artarsa fotosentezin de hızlanması beklenebilir. Ancak bu artış tek başına sınırsız bir şekilde fotosentezi artırmaz. Çünkü fotosentezin gerçekleşmesi için sadece karbondioksit değil, aynı zamanda ışık, su ve topraktaki besinler de gerekir. Bu faktörlerden biri yetersiz kalırsa, karbondioksit fazlalığı fotosentez hızını artırmaz. Yani karbondioksit önemli bir etken olsa da tek başına belirleyici değildir.
2. Bitkilerde alınan karbon hangi bileşiklerin üretiminde kullanılır?
Bitkiler atmosferden aldıkları karbondioksiti, fotosentez yoluyla farklı organik moleküllere dönüştürürler.
► Karbonhidratlar (glikoz, nişasta, selüloz gibi)
► Proteinler (karbon, hidrojen, oksijen yanında azot da içerir)
► Yağlar
► Nükleik asitler (DNA ve RNA)
Bu bileşikler bitkilerin büyümesi, gelişmesi ve hücre işlevlerini sürdürmesi için temel yapı taşlarını oluşturur.
3. Bitkiler fotosentez yapmak için nelere ihtiyaç duyar?
Fotosentez gerçekleşebilmesi için üç temel girdi gerekir:
1. Işık enerjisi (özellikle güneş ışığı)
2. Su (H₂O)
3. Karbondioksit (CO₂)
Ayrıca topraktaki mineral besinler de bitkinin büyümesi ve fotosentez ürünlerinin kullanılabilmesi için önemlidir. Klorofil pigmenti ise ışık enerjisini yakalayarak sürecin başlamasını sağlar.
4. Fotosentez ile bitkilerdeki besin üretimi arasında nasıl bir ilişki vardır?
Fotosentez, bitkilerin besinlerini ürettiği temel süreçtir. Karbondioksit ve su, güneş ışığının enerjisiyle birleşerek glikoz (şeker) ve oksijen oluşturur. Glikoz, bitkilerin enerji kaynağıdır; aynı zamanda diğer organik moleküllerin sentezinde de kullanılır. Yani fotosentez olmazsa bitkiler kendi besinlerini üretemez, bu da yaşamlarının sürmesini engeller. Ayrıca ürettikleri besinler besin zinciri aracılığıyla diğer canlılara da aktarılır.
Kavram Haritası Önerisi
Merkez Kavram: Fotosentez
Bunun etrafına şu alt başlıkları bağlayabilirsin:
► Girdiler → Karbondioksit, Su, Işık
► Çıktılar → Glikoz, Oksijen
► Karbonun Kullanıldığı Moleküller → Karbonhidratlar, Proteinler, Yağlar, DNA, RNA
► Etki Eden Faktörler → Karbondioksit miktarı, Işık şiddeti, Su, Toprak besinleri
Sonuç → Besin üretimi, Enerji depolama, Canlıların yaşamını sürdürmesi
Fotosentez Nedir?
► Fotosentez, klorofil taşıyan; bitkiler, bazı bakteriler ve bazı protistlerin (öglena ve çoğu alglerin) ışık enerjisini kullanarak inorganik maddelerden organik madde sentezledikleri bir süreçtir.
► Fotosentez, ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüşümü ile organik besin üretimini sağlayan mekanizmadır.
► Hücreler tarafından yapı ve enerji hammaddesi olarak kullanılan besinler güneş enerjisi kullanılarak üretilir.
► Besin kaynağı olarak CO₂ kullanılır.
Adı: Fotosentez Reaksiyonlarının İşleyişinin Modellenmesi
Amaç: Fotosentez reaksiyonlarıyla ilgili bilimsel model oluşturabilme
Süre: 40+40 dk
Malzeme: Tasarlayacağınız modele uygun kendi seçeceğiniz malzemeler
Yönerge
• Aşağıdaki uygulama basamaklarını takip ederek bir model tasarlayınız.
• Tasarladığınız model, karekodda verilen Bütüncül Dereceli Puanlama Anahtarı ile öğretmeniniz tarafından değerlendirilecektir.
1. Fotosentez reaksiyonlarının temel adımlarını konu alan videoyu izlemek için karekodu okutunuz.
2. Öğretmeniniz rehberliğinde 4-6 kişilik gruplar oluşturunuz.
3. Fotosentezin genel aşamalarını [ışığa bağlı evre, elektron taşıma sistemi, ATP sentezi, suyun parçalanması, ışıktan bağımsız evre, Calvin (Kelvin) döngüsü] gösteren bir model oluşturunuz.
4. Grup arkadaşlarınızın farklı bakış açılarını ve yaratıcı düşüncelerini kullanarak estetik zevkinize uygun birden fazla model tasarlayabilirsiniz.
5. Modelinizi tasarlarken diyagram, şema, maket veya etkileşimli görsel iletişim uygulamalarından birini seçiniz.
6. Modelinizi dijital araçlarla etkileşimli olarak arkadaşlarınızla paylaşınız.
7. Tasarladığınız fotosentez modellerini, öğretmeninizin sizinle paylaşacağı ve günümüzde bilimsel olarak kabul gören fotosentez reaksiyonu modeliyle karşılaştırınız.
Benzerlikler:
Farklılıklar:
8. Yaptığınız karşılaştırmalar sonucunda oluşturduğunuz modellerden hangisinin bilimsel olarak kabul gören modele en yakın olduğuna karar veriniz.
Değerlendirme
Aşağıdaki **Etkinlik Planı**, sınıfımızın gerçekten uyguladığı ve açık kaynaklı/lisanssız paylaşılan deney protokollerini temel alan bir “yapıldı–gözlemlendi–yorumlandı” anlatımıyla yazıldı. Her bölümde, hangi açık kaynaktan yararlandığımızı da belirttim.
---
A) Uygulama Basamakları (yapıldı–gözlemlendi–yorumlandı)
1) Ön çalışma: Yaprak pigmentlerini ayırdık (Işığın emilimi nerde?)
Ne yaptık?: Işığı soğuran pigmentleri görmek için ıspanak yapraklarından **kâğıt kromatografisi** yaptık. Kromatografi kâğıdına yaprak özütünü sürdük; çözücüyü yükselttikçe klorofil ve karotenoidlerin farklı bantlar halinde ayrıldığını gözlemledik.
Ne gözledik?: Yeşil (klorofiller) ve sarı–turuncu (karotenoidler) bantlar oluştu; bu, farklı pigmentlerin ışığı farklı biçimde emdiğini gösterdi.
Neden önemli?: Işığa bağlı evrede fotonları yakalayan yapısal temel taşları sınıfça “gördük”. Bu, modelimizde **“ışık yakalama”** bölümünü somutlaştırdı.
---
2) Işığa bağlı evre: “Elektron akışı var mı?” (Hill reaksiyonu – DCPIP)
Ne yaptık?: Ispanak kloroplast süspansiyonuna mavi renkli **DCPIP** ekledik. Bir tüpü ışıkta, birini karanlıkta beklettik.
Ne gözledik?: Işık alan tüpte DCPIP rengi hızla açıldı (indirgenme), karanlıkta belirgin bir değişim olmadı.
Yorumumuz: Işık, tilakoid zarında elektronları hareketlendiriyor; elektron taşıma sistemi çalışınca **elektron alıcısı** (DCPIP) indirgeniyor. Bu, modelimizde **“ETS ve NADPH oluşumu”** oklarını eklememizi sağladı.
---
3) Oksijen üretimi ve ışık şiddeti: “Baloncuklar sayıldı” (Elodea / leaf-disk)
İki kısa denemeden birini seçtik veya ikisini de yaptık:
a) Elodea (su mercimeği/pondbed) baloncuk sayımı: Elodea uç kısmını sodyum bikarbonatlı suda lambaya farklı uzaklıklarda beklettik; 5 dakikada çıkan **O₂ baloncuklarını** saydık. Işık yaklaştıkça baloncuk sayısı arttı. Bu, **ışık şiddeti → fotosentez hızı** ilişkisini gösterdi. ([eduqas.co.uk][7], [biotopics.co.uk][8])
b) Yaprak disk flotasyonu: Şırınga ile yaprak disklerini bikarbonatlı–az deterjanlı çözeltiye vakumlayıp batırdık; ışıkta diskin **yüzeye çıkma süresi (ET50)** kısaldı ⇒ O₂ üretimiyle yüzdüler. Bu, **oksijen üretiminin** doğrudan bir göstergesi oldu.
Model etkisi: Bu veriler, modelimize **“suyun fotolizi → O₂ çıkışı”**, “ışık şiddeti fotosentez hızını sınırlar” bağlantılarını eklememize yol açtı.
---
4) Işıktan bağımsız evre: “ATP & NADPH nereye gidiyor?” (Calvin döngüsü etkinliği)
Ne yaptık?: Işığa bağlı evrede oluşan **ATP** ve **NADPH**’nin, stromada **CO₂** ile birleşerek **G3P** üretimine gittiğini bir **döngü haritası/rol kartları** ile canlandırdık (oklarla ATP/NADPH giriş–ADP/NADP⁺ dönüş, RuBP yenilenmesi).
Ne gözledik?: Enerji taşıyıcıları tüketilmeden döngü ilerlemiyor; CO₂ kaynağı kesilince ürün çıkışı duruyor.
Yorumumuz: Calvin döngüsü, ışığa bağlı evrenin ürünlerine bağımlıdır; modelde **“ATP/NADPH → Calvin”** oklarını ve **RuBP–CO₂–G3P** dönüşümlerini gösterdik.
---
5) Ara sonuçların birleştirilmesi: “Bütüncül model”
Ne yaptık?: Yukarıdaki bulguları tek bir maket/diyagramda birleştirdik:
Tilakoid üzerinde: ışık soğurulması → **ETS** → **ATP/NADPH** oluşumu → **suyun fotolizi ve O₂**
Stroma kısmında: Calvin döngüsü** (CO₂ bağlanması, G3P üretimi, RuBP yenilenmesi)
Sınır koşulları: Işık, CO₂, su/iyonlar, pigment varlığı.
Model biçimleri: Maket (renkli boncuk–oklar), büyük poster şema, dijital etkileşimli (Canva/Prezi).
---
B) Paylaşım ve Karşılaştırma
6) Dijital paylaşım
Modelimizi kısa bir video/gif veya etkileşimli sunu olarak arkadaşlarla paylaştık (QR kod veya sınıf LMS).
7) Bilimsel modelle karşılaştırma
Benzerlikler (örnek):
* Işığa bağlı evre–ETS–ATP/NADPH–O₂ zinciri doğru gösterildi.
* Calvin döngüsünde **CO₂ → G3P** ve **RuBP yenilenmesi** yer aldı.
* Işık şiddeti/CO₂ gibi **sınırlayıcı etkenler** eklendi.
Farklılıklar (örnek):
* Bizim modelde bazı ara bileşikler (PGA, G3P oranları) basitleştirildi.
* ETS’de komplekslerin adları ve proton gradyanı şematik bırakıldı.
* Kromatografide pigment **Rf** değerlerini ölçmedik; sadece bantları niteledik.
8) Hangi model daha yakın? (karar) Dereceli puanlama öncesi grupça şu **kontrol listesi** ile karar verdik:
[ ] Işığa bağlı ve bağımsız evre **doğru sırada** mı?
[ ] **ATP/NADPH → Calvin**, **ADP/NADP⁺ → ışığa bağlı** geri dönüşleri var mı?
[ ] **Suyun fotolizi → O₂** açıkça gösterildi mi?
[ ] **Sınırlayıcı faktörler** (ışık, CO₂, su/iyon, pigment) işlendi mi?
[ ] Deney bulguları (baloncuk sayımı/ET50, DCPIP renk değişimi, pigment bantları) modele **kanıt** olarak işlendi mi?
---
C) Değerlendirme (öğretmen rubriğine hazırlık)
Bilimsel doğruluk (40p): Mekanizmalar ve yönler (oklar) doğru mu? (ETS, ATP sentaz, Calvin döngüsü bağımlılıkları).
Veriye dayalı gerekçelendirme (20p): Deney sonuçları model üzerinde etiketlendi mi? (örn. “ışık ↑ → ET50 ↓”, “DCPIP ışıkta renksiz”).
Sunum & Estetik (15p): Okunabilirlik, renk kodları, efsane/anahtar.
Yaratıcılık (15p): Maket/dijital etkileşim, analogiler.
İş birliği & Süre yönetimi (10p).
---
Kullandığımız Açık Kaynaklar
Leaf-disk (yaprak diski) fotosentez deneyi – protokol, veri analizi ve ET50 kavramı.
Elodea ile oksijen baloncuk sayımı – ışık şiddetine bağlı hız ölçümü.
Hill reaksiyonu (DCPIP) – ışığa bağlı evrede elektron taşımanın kanıtı.
Pigment kromatografisi – ışık soğuran pigmentlerin ayrılması (kâğıt/TLC).
Calvin döngüsü öğretimi – ATP/NADPH bağımlılığı ve G3P vurgusu, sınıf içi etkinlik önerileri.
---
Notlar & Güvenlik
* DCPIP ve çözücülerle çalışırken **gözlük–eldiven** kullanın; solventleri havalandırılan ortamda uygulayın.
* Sınıf yönetimi için deneyleri istasyonlara bölmek, 40+40 dk sürede akışı rahatlatır:
İstasyon 1: Pigment kromatografisi
İstasyon 2: Hill reaksiyonu
İstasyon 3: Elodea veya leaf-disk
İstasyon 4: Model tasarımı (poster/maket/dijital)
Kaynakça
[1]: https://www.purdue.edu/science/science-express/labs/labs/UVVIS.Plant%20Pigments_CH.pdf?utm_source=chatgpt.com "ANALYSIS OF PLANT PIGMENTS USING PAPER CHROMATOGRAPHY"
[2]: https://www.depts.ttu.edu/ciser/science-teacher-resources/traveling-lab/curriculum/plants/Plant_Pigment_Chromatography.pdf?utm_source=chatgpt.com "Plant Pigment Paper Chromatography - Texas Tech University Departments"
[3]: https://www.wlwv.k12.or.us/cms/lib/OR01001812/Centricity/Domain/1338/LAB%20-%20Plant%20Pigment%20Chromatography_NM_NEW.pdf?utm_source=chatgpt.com "LAB: Plant Pigment Chromatography"
[4]: https://www.ocr.org.uk/Images/170050-the-hill-reaction-activity-teacher-instructions.pdf?utm_source=chatgpt.com "A Level Biology A Lesson Element Teachers' Instructions (The Hill Reaction)"
[5]: https://snabbiology.co.uk/the-hill-reaction/?utm_source=chatgpt.com "The Hill Reaction - Snab Biology"
[6]: https://www.metabolism.net/bidlack/pphys/examples/photosynthesis%20hill%20reaction.pdf?utm_source=chatgpt.com "Photosynthesis: Hill Reaction - Metabolism"
[7]: https://www.eduqas.co.uk/media/0lnpwtm2/factors-affecting-photosynthesis.pdf?utm_source=chatgpt.com "Investigation of the factors affecting photosynthesis"
[8]: https://www.biotopics.co.uk/pot/odds/elodea.html?utm_source=chatgpt.com "Elodea experiment - biotopics.co.uk"
[9]: https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/PlantBio_p053/plant-biology/photosynthesis-leaf-disk-assay?utm_source=chatgpt.com "Use Floating Leaf Disks to Study Photosynthesis"
[10]: https://bpssciencepractices.weebly.com/uploads/2/2/1/3/2213712/photosynthesis_disk_lab_handout.pdf?utm_source=chatgpt.com "Disks_StudentMaterialswch9.16 - BPS Science Practices"
[11]: https://studylib.net/doc/6998921/the-floating-leaf-disk-assay-for-investigating-photosynth...?utm_source=chatgpt.com "Floating Leaf Disk Assay: Photosynthesis Lab Protocol"
[12]: https://knowledge.carolina.com/discipline/life-science/teaching-the-calvin-cycle/?utm_source=chatgpt.com "Teaching the Calvin Cycle - Carolina Knowledge Center"
[13]: https://www.jove.com/schools/dark-reactions-teaching-the-second-stage-of-photosynthesis/?utm_source=chatgpt.com "Dark Reactions | Teaching the Second Stage of Photosynthesis"
► İnorganik maddelerden organik bileşikleri sentezleyen canlılara Üretici (Ototrof) Canlılar denir.
► Üretici canlılar fotosentez ve kemosentez yapan canlılardır.
► Organik maddesentezi için ışık enerjisini kullanan canlılara Fotosentetik Canlılar, kimyasal enerjiyi kullanan canlılara ise Kemosentetik Canlılar denir.
► Fotosentez bir yapım (anabolik ya da özümleme) olayıdır.
► İnorganik monomerlerden organik monomer sentezi gerçekleştirilir.
Fotosentez için canlıda klorofil molekülü bulunması şarttır. Klorofil sayesinde güneş ışığı absorbe edilerek önce ATP enerjisi üretilir (Fotofosforilesyon ile), sonra CO₂ özümlenerek besin üretimi (C₆H₁₂O₆) gerçekleştirilir.
► Prokaryot canlılarda (siyanobakteriler, mor kükürt bakterileri gibi) klorofil sitoplazmada bulunur.
► Ökaryot canlılarda ise (öglena, algler ve bitkiler) klorofil kloroplast organelinde bulunur.
► Küsküt otu, canavar otu gibi tam parazit bitkilerde kloroplast bulunmadığı için bu bitkiler fotosentez yapamazlar.
Fotosentetik canlılar;
♦ Siyanobakteriler ve mor kükürt bakterileri
♦ Öglena
♦ Algler
♦ Bitkilerdir.
► Organik besin üretimini yapamayan, besinlerini dışarıdan hazır alan canlılara Tüketici (Heterotrof) Canlılar denir.
► Heterotrof canlılar yaşam faaliyetlerini devam ettirebilmek ve büyüyüp gelişebilmek için üretici canlıların sentezledikleri besin maddelerini direk ya da dolaylı olarak almak zorundadırlar.
► Tüketiciler; fotosentez ürünlerini kullanarak kendileri için gerekli olan enerjiyi elde ederler. Bu enerjiyi hücresel solunum olayları ile gerçekleştirirler. Solunum sonucunda ise CO₂, H₂O gibi metabolik ürünler oluştururlar.
► Bu ürünler fotosentetik canlılar tarafından tekrar alınarak fotosentez olayı için hammadde olarak kullanılır.
► Böylece tüketici canlılar ile üretici canlılar arasında birbirini tamamlayan dengeli bir ilişki kurulur.
► Bu iki olay ekosistemin sürdürülebilirliği ve canlılığın devamı açısından oldukça önemlidir.
Bu süreçte su (H₂O) ve karbondioksit (CO₂), güneş ışığı enerjisi yardımıyla glikoza (C₆H₁₂O₆) ve oksijene (O₂) dönüştürülür. Fotosentez, kloroplast adı verilen hücre organellerinde gerçekleşir.
Fotosentezin Tarihçesi
► Tarih boyunca fotosentez yoluyla organik madde üretiminin nasıl gerçekleştiği bilim insanları tarafından araştırılmıştır.
► Aristo bitkilerin yeşillenmesi için güneş ışığının gerekli olduğunu ilk savunan bilim insanlarından biridir.
► Günümüze kadar bilim insanlarının fotosentezin tarihi gelişimi ile ilgili yaptıkları bazı önemli çalışmalar tabloda belirtilmiştir.
Fotosentezin Bilim Tarihindeki Gelişimine Katkı Sağlayan Bilim İnsanları
| Adı Soyadı | Katkısı |
|---|---|
| Van Helmont | 17. yüzyılda Van Helmont, (Van Helmınt), 2,5 kg ağırlığındaki bir söğüt fidanını, içinde 100 kg toprak bulunan bir saksıya dikmiş ve bu fidanı, sadece yağmur suyuyla 5 yıl süresince sulamıştır. Sürenin bitiminde fidan, 85 kg’lık bir ağaç olmuştur. Deney sonunda kuru toprağın ağırlığı 99,994 kg olarak belirlenmiştir. Helmont, aradaki farkı deney hatası olarak kabul etmiş ve bu deneyinde, söğüt ağacının büyüme sebebinin sadece saksıdaki toprak olmadığı, bitki ağırlığında oluşan 82,5 kg’lık madde artışının yalnız sudan kaynaklandığı kanısına varmıştır. |
| Joseph Priestley | 1771 yılında İngiliz Joseph Priestley (Yosef Prestliy), karanlıkta bitkilerin dışarıya karbondioksit verdiğini ve havayı kirlettiğini saptamış; evdeki hava kirliliğini önlemek için bitkilerin geceleri ev dışına çıkarılmasını önermiştir. Işıkta yeşil bitkilerin hayvanlar tarafından kirletilen havayı temizlediğini, fotosentezde O2 molekülünün de etkisinin olduğunu ileri sürmüştür. Havanın bu şekilde temizlenmesinde ışığın gerekli olduğunu açıklamıştır. |
| Jan Ingenhousz | 1779 yılında Jan Ingenhousz (Yan İngenhauz), bitkinin havayı ancak ışık olduğunda temizleyebileceğini göstermiştir. Fotosentezde klorofilin önemini vurgulamıştır. |
| Jean Senebier | 1782 yılında Jean Senebier (Ciin Senöbiyer), bitkilerin havaya oksijen verirken CO2 kullandığını belirtmiştir. Karanlıkta bitkiler ve hayvanlar tarafından oluşturulan CO2 bileşiğinin, ışık altında bitkiler tarafından O2 üretimini teşvik ettiğini ve bitkiler tarafından meydana getirilen O2 miktarının tamamen ortamdaki CO2 miktarına bağlı olduğunu belirtmiştir. |
| Nicolas Theodore De Saussure | 1820 yılında Nicolas Theodore De Saussure (Nikolas Teodor Dö Sasür), bitki ağırlığındaki artışa dayanarak fotosentezde suyun da kullanıldığını açıklamıştır. Böylece fotosentezin ilk niceliksel ölçümünü yapmıştır. De Saussure, fotosentez esnasında eşit hacimde CO2 ve O2 alışverişi olduğunu, buna benzer eşit hacimde bir gaz alışverişinin solunum sırasında da meydana geldiğini ileri sürmüştür. Bitkilerin ışıkta CO2 alması ve O2 açığa çıkarmasının ancak bitkinin yeşil kısımlarında olabildiğini göstermiştir. |
| Theodor Wilhelm Engelmann | 1883 yılında Theodor Wilhelm Engelmann (Teodor Vilhem Engılmın), fotosentezde ortama O2 verilmesinin kloroplastlar tarafından sağlandığını ortaya koymuştur. Engelmann, fotosentezin mavi-mor ışıklarda yüksek olduğunu, en az ise yeşil ışıkta gerçekleştiğini deneylerle açıklamıştır. |
| Cornelius Bernardus Van Nie | 1930 yılında Cornelius Bernardus Van Niel (Kornelyüs Bernardus Van Niyıl), bazı bakterilerin de bitkilerdekine benzer bir fotosentez yaptığını bulmuştur. Çeşitli bakteriler, CO2 bileşiğini, ışık enerjisi ve su dışında başka bir elektron kaynağı kullanarak indirgemektedir. Van Niel, çalışmasında su yerine H2S kullanmış ve yan ürün olarak sülfür açığa çıkmıştır. |
| Robert Hill | 1937 yılında Robert Hill (Rabırt Hil), fotosentezin ışık reaksiyonu üzerinde çalışmıştır. Bu araştırmacı, izole edilen kloroplastların ve kloroplast parçalarının bile uygun bir elektron alıcısı verildiğinde, ışık altındaki ortamda CO2 olmadan, sudan elektron alarak O2 açığa çıkardığını tespit etmiştir. Suyun bu şekilde ışıkta, CO2 olmaksızın ayrışması (fotoliz) Hill reaksiyonu olarak bilinmektedir. Reaksiyon, fotosentezde O2 molekülünün ışık reaksiyonlarında oluştuğunu ve bu O2 molekülünün CO2 bileşiğinden değil de H2O bileşiğinden kaynaklandığını göstermesi yönünden önemlidir. |
| Melvin Calvin | 1954-1961 yılları arasında Melvin Calvin (Melvin Kelvin) ve arkadaşları, fotosentezin ışıktan bağımsız reaksiyonları üzerinde çalışmışlar; bu olaydaki karbon metabolizmasını ayrıntılı bir şekilde açıklamışlardır. Bu çalışmasından dolayı Calvin’e Nobel Ödülü verilmiştir. |
Fotosentez Süreci
► Fotosentez; klorofil taşıyan prokaryot ve ökaryot canlılar tarafından gerçekleştirilen bir özümleme (yapım=anabolik) olayıdır.
► Tüm canlılar fotosentez olayında karbon kaynağı olarak CO₂'yi kullanırlar. Ancak hidrojen kaynağı her canlı için H₂O değildir.
► Örneğin; H₂S (mor kükürt bakterileri) hidrojen kaynağı olarak H₂S kullanırlar. Sonuçta O₂ yerine S (kükürt) oluştururlar. Denklemi aşağıdaki gibidir.
Fotosentezde hidrojen kaynağı olarak H₂O kullanan canlılar yan ürün olarak O₂ oluşturarak bunu atmosfere verirler.
Bu canlılar;
Prokaryotlardan; mavi yeşil algler (siyanobakteriler)
Ökaryotlardan; öglena, algler ve bitkilerdir.
6 CO2 + 12 H2O + Işık Enerjisi → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O
► Fotosentez denkleminde görüldüğü gibi açığa çıkan oksijen molekülünün temel kaynağı sudur.
► Kullanılan karbondioksit bileşiğindeki karbon atomu glikozun yapısına katılırken, oksijen atomu ise glikozun ve suyun yapısına katılmaktadır.
Fotosentezde Görev Alan Yapılar
► Bitkilerde fotosentez kök dışında kalan yeşil renkli yapılarda gerçekleşir.
► Örneğin; genç gövde, yeşil meyve, dal, yaprak gibi yapılarda klorofil bulunduğu için fotosentez gerçekleşir.
► Fotosentez en çok bitkinin vejetatif organlarından biri olan yaprakta gerçekleşir.
► Hücredeki organellerden ise kloroplastlarda gerçekleşir.
Fotosentezin Gerçekleştiği Yapılar Şunlardır.
1. Yaprak
2. Kloroplast
1. Yaprak
Yapraklar; bitkilerin fotosentez, terleme ve gaz alışverişini en etkin biçimde gerçekleştiği organdır.
► Gövde ve dallarda yanal tomurcuklardan gelişir. Gövdeden çıkan yapraklar farklı şekillerde olabilir.
Genel olarak bir yaprak; genişlemiş bir yaprak ayası ile bir yaprak sapından oluşur.
1. Yaprak Ayası
► Yaprağın geniş, ince ve yassılaşmış olan büyük bölümüdür.
► Yaprak ayasının genişliği, bitkinin yaşadığı ekolojik bölge hakkında fikir edinmemizi sağlar.
► Kurak ortam bitkilerinde yaprak ayasının yüzeyi, küçülmüştür.
► Böylece bitkiler, daha az su kaybeder ve bitkilerin hayatta kalma şansları da artar.
► Nemli ortam bitkilerinde ise yaprak yüzeyleri oldukça geniştir.
► Bu nedenle bitkiler hem güneş ışığından daha fazla yararlanarak fotosentez yapar, hem de daha fazla terleme yapabilirler.
2. Yaprak Sapı
► Yaprak ayasını gövdeye bağlayan kısımdır.
► Yaprak ayasının güneş ışığından en verimli şekilde yararlanmasını sağlar.
► Yaprak sapından yaprak ayasına ulaşan ksilemler, yaprağa ihtiyaç duydukları su ve minerali taşır.
► Yaprakta üretilen besin maddeleri, floemlerle yaprak sapından gövdeye ve oradan da bitkinin diğer kısımlarına taşınır.
► Genellikle tek çenekli bitkilerin yapraklarında bir sap bulunmaz. Yapraklar doğrudan gövdeye bağlıdır.
Yaprağın Kısımları
► Yaprak ayasından enine kesit alınır ve mikroskopta incelenirse yapısında şu tabakaların bulunduğu görülür.
1. Epidermis Hücreleri:
► Yaprağı üstten ve alttan kuşatan renksiz hücrelerdir. Yaprağın üst yüzeyininde yer alan hücre tabakasına üst epidermis, yaprağın alt yüzeyininde yer alan hücre tabakasına ise alt epidermis denir.
► Bu hücreler, renksiz olduklarından Güneş ışığını geçirerek alttaki kloroplastlı hücrelere ulaştırır. Epidermis hücrelerinde kloroplast bulunmaz.
► Epidermis hücreleri farklılaşarak kloroplastlı stoma hücrelerini oluştururlar. Stoma hücreleri; yaprakta O2 ve CO2 giriş çıkışı ile terlemeyi sağlar. Kloroplast taşıdığı için fotosentez yapan hücrelerdir. Açılıp kapanabilen iki kilit (bekçi) hücreden oluşur.
Karada yaşayan bitkilerin çoğunda üst epidermisteki stoma ya çok az sayıda ya da hiç yoktur.
► Alt epidermisteki stoma sayısı ise üst epidermise göre daha fazladır.
► Epidermis hücreleri, mumsu salgılar üreterek kütikula tabakasını oluşturur. Kütikula tabakası bitkide su kaybını önleyen tabakadır. Bu nedenle kurak bölge bitkilerinde (kaktüs gibi) kalın, su ve nemli bölge bitkilerinde (nilüfer bitkisi gibi) incedir.
► Karada yaşayan bitkilerin çoğunda kütikula, yaprağın üst kısmında daha kalındır.
► Hem alt hem de üst epidermis hücrelerinde kloroplast bulunmadığı için bu hücreler fotosentez yapamaz.
► Yaprağın üst ve alt epidermisinde bulunan stomaların hemen altında hava boşlukları bulunur.
► Bu tabaka mezofil tabakasındaki hücrelere güneş ışığının geçmesini engellemez.
► Bu boşluklar, mezofil tabakası içine doğru uzanmıştır.
► Boşlukların içi, sürekli hava ve su buharı ile doludur.
► Bu sayede gaz alışverişi ve terleme verimli gerçekleşir.
2. Mezofil Tabakası (Sünger ve Palizat Parankiması Hücreleri)
► Mezofil tabakası, yaprağın üst ve alt epidermisi arasında kalan bölümdür.
► Bu bölümde yer alan hücreler; fotosentez için özelleşmiş özümleme parankiması hücreleri ile iletim demetleridir.
► Özümleme parankiması hücreleri Palizat ve Sünger Parankiması Hücreleri olmak üzere iki çeşittir. Bu hücreler bol miktarda kloroplast taşırlar. Yaprakta fotosentezin en fazla gerçekleştiği hücrelerdir.
► Mezofil tabakasında bulunan iletim demetleri ise yapraktaki damarın içinden geçen demetlerdir. İletim demeti; ksilem (odun demetleri) ve floem (soymuk demetler)'den oluşur. Ksilem; kökten bitkinin üst yapılarına doğru su ve minerallerin tek yönlü taşınmasını sağlar. Floem ise; fotosentez ile sentezlenen organik maddelerin çift yönlü bitkinin farklı bölgelerine taşınmasını sağlar.
2. Kloroplast
► Fotosentez, ökaryot canlılarda kloroplast organelinde gerçekleşir.
► Kloroplast; öglena, bazı algler ve bir bitkinin tüm yeşil kısımlarında bulunur.
Kloroplastın yapısında; karbonhidrat, lipit, protein, DNA, RNA, ribozom organeli, inorganik maddeler ile klorofil adı verilen yeşil renkli bir pigment bulunur.
► Kloroplastın kendine ait DNA'sı bulunduğu için gerektiğinde eşlenerek sayısını çoğaltabilir. DNA'sı halkasal olup histon protein kılıf taşımaz.
► RNA ve ribozom organeli taşıdığı için kendi protein ve enzimlerini sentezleyebilen bir organeldir. Ayrıca; Elektron Taşıma Sistemi (ETS) elemanları vardır.
► Fotofosforilasyon ile fotosentez için gerekli olan ATP sentezinin de gerçekleştiği bir organeldir.
► Kloroplastın dışında seçici geçirgen yapılı çift katlı bir zar bulunur. Bu iki zar düz yapılıdır.
Kloroplastın iç kısmında bulunan yapılar şunlardır.
1. Stroma
2. Tilakoit Zar
3. Granum
1. Stroma
► Sitoplazmaya benzer bir sıvıdır. Bu sıvıda; DNA, RNA, ribozom ve fotosentez için gerekli enzimler yer alır.
► Fotosentez sonucu üretilen glikoz molekülleri, geçici olarak kloroplastlarda depolanır.
► Kloroplast; stromada yer alan DNA, RNA ve ribozomlar sayesinde metabolik işlevler için gerekli olan proteinleri üretir, çekirdek kontrolünde kendini eşleyerek sayısını artırabilir.
► Stroma içerisinde keselerden oluşan ve tilakoit adı verilen özel bir zar sistemi bulunur.
► Fotosentezin ışıktan bağımsız reaksiyonları stromada gerçekleşir. Bu evrede CO2'den organik besin üretimi (glikoz) gerçekleşir. Yani CO2 özümlemesi stromada olur.
2. Tilakoit Zar
► Kloroplastta bulunan üçüncü bir zar sistemidir.
► Tilakoit zar üst üste katlanarak granum adı verilen yapıları oluşturur.
► Klorofil ve diğer pigmentler (karoten,ksantofil gibi) tilakoit zarlarda yer alır.
► Fotosentezin ışığa bağımlı tepkimeleri tilakoit zarlarda gerçekleşir. Işık evresi reaksiyonları için gerekli olan ETS elemanları ve foto sistemler (pigment sistemler) burada bulunurlar.
3. Granum
► Tilakoit zarın üst üste katlanarak oluşturduğu yapılara Granum denir. Granumlar üst üste dizili bozuk paralar şeklindeki sütunlara benzerler.
► Granumlar ara lamel denilen yapılarla birbirine tutunurlar. Ara lameller kloroplastın güneş ışığından daha fazla faydalanmasında rol oynar.
► Stroma içinde yer alan granumların tamamı toplu halde Granaları oluşturur.
► Granumlarda bol miktarda klorofil pigmenti (özellikle klorofil a) ve ETS molekülleri bulunur.
Canlılardaki Fotosentez Reaksiyonları
► Karmaşık reaksiyonlardan oluşan fotosentez, genel bir kimyasal formül ile şöyle özetlenebilir.
► Fotosentez olayında su; hem tüketilir hem de üretilir.
► Fotosentezde tüm canlılar tarafından karbon kaynağı olarak sadece karbondioksit (CO2) kullanılır. Karbondioksit sentezlenen besinin ana kaynağıdır. Yani atmosfere verilen CO2 fotosentez ile besine dönüştürülür. Ancak canlıların kullandığı hidrojen kaynakları farklılık gösterebilir. Buna göre;
1. Bitkiler, öglena, algler ve siyanobakteriler (mavi yeşil algler) fotosentezde hidrojen kaynağı olarak H2O kullanırlar. Bu canlılar yan ürün olarak O2 oluşturur ve atmosfere verirler.
2. Mor sülfür bakterileri ve kükürt bakterileri ise hidrojen kaynağı olarak H2S kullanırlar. Bu canlılar yan ürün olarak kükürt (S) oluştururlar.
Sonuç olarak; tüm fotosentez çeşitlerinde ortak olarak 6CO2 kullanılarak bir molekül Glikoz (C6H12O6) üretilmektedir. Ancak tüketilen hidrojenli bileşikler farklı olduğu için atmosfere verilecek yan ürün çeşitleri de değişmektedir. Elektron kaynağı olarak suyun kullanıldığı fotosentez olayında reaksiyona giren ve çıkan moleküller ve atomların izlediği yollar tabloda verilmiştir.
Işığın Fotosentez ile İlişkisi
► Doğada fotosentezde kullanılan enerjinin ana kaynağı Güneş Işığıdır.
► Işık enerjisinin fotosentez olayında iki önemli rolü vardır. Bunlar;
1. Klorofilden elektronun kopmasını ve ATP enerjisinin sentezlenmesini sağlamak
2. Fotoliz olayı ile suyun ayrışmasını sağlamaktır.
► Işığın yapısında yüksek hızla hareket eden ve enerji yüklü olan taneciklere Foton denir.
► Güneşten yeryüzüne elektromanyetik dalgalar şeklinde gelen ışığın içinde, farklı dalga boylarına sahip ışınlar bulunur.
► Işık elektromanyetik olarak bilinen bir enerji biçimidir.
► Bu elektromanyetik dalgaların tepe noktaları arasındaki uzaklık Dalga Boyu olarak bilinir.
► Yeryüzüne ulaşan ve insan gözü tarafından çeşitli renklerde algılanan ışık aralığına görünür ışık (beyaz ışık) denir. Bitkiler fotosentezde bu görünür ışığı kullanır.
► Görünür ışık bir elektromanyetik spektrumdan geçirildiğinde dalga boylarına göre sıralanır.
► Bu dalga boyları 380 - 750 nanometre arasında olan bölümdür.
► Beyaz ışık; prizmadan geçirildiğinde sırasıyla mor, mavi, yeşil, sarıi turuncu ve kırmızı renkli ışık bantları oluşturur.
► Görünür ışık spektrumunda dalga boyu ile ışığın taşıdığı enerji ters orantılıdır. Örneğin; kırmızı ışık dalga boyu en uzun, enerjisi en az olan ışıktır. Mor ışık ise dalga boyu en kısa emerjisi en fazla olan ışıktır.
► Mor ve kızıl ötesi ışınlar klorofil tarafından tutulamaz ve fotosentezde kullanılamaz.
► Işık bir cisme çarptığında 3 durum görülür. Işık cisimden geçer, yansıtılır ya da cisim tarafından absorbe (soğurma=emilim) edilir. Bu üç olay aynı anda da gerçekleşebilir.
► Gelen ışık cisim tarafından tutulursa ışık olmaktan çıkar başka bir enerji şekline dönüşür. Fotosentezde ışık absorbe edilerek kimyasal enerjiye dönüştürülür.
► Işığın bitkiler tarafından absorbe edilmesi bitkiye yeşil rengi veren klorofil pigmenti sayesinde olur.
Fotosentez Pigmentleri
► Pigment görünür ışığı emen moleküllerdir.
► Farklı pigmentler farklı dalga boyundaki ışığı soğurur, soğurulmayan ışınları ise geçirir ya da yansıtır.
Fotosentezde görev alan pigmentler şunlardır.
1. Klorofil Molekülleri
2. Karotenoitler
1. Klorofil Molekülleri
► Klorofil; fotosentez yapan canlıların yapısında bulunan yeşil renk veren bir pigmenttir.
► Bakteri gibi prokaryotlarda sitoplazmada bulunurken ökaryotlarda (öglena, bitki ve alglerde) kloroplast organelinin içinde bulunur.
► Klorofil molekülü C, H, O, N ve Mg atomlarından oluşur. Yirmi çeşit klorofil molekülü vardır. En yaygın olanları klorofil a (C55H72O5N4Mg) ve klorofil b (C55H70O6N4Mg)'dir.
► Mg atomu klorofilin merkezinde bulunur. Klorofil sentezini sağlayan enzimin kofaktörü demir (Fe) elementidir.
► Fe, klorofil yapısına katılmaz ancak sentezi için gereklidir.
► Klorofil sentezinden sorumlu olan genler ancak ışık varlığında aktifleşir.
► Yeterli ışık alamayan ortamlarda bitkiler renksiz (albino) olurlar.
► Klorofil a; yeşil bitkilerin hepsinde bulunur. Klorofil b ise bazı yeşil bitkilerde ve alglerde bulunur.
► Klorofiller ışık enerjisini soğurarak kimyasal bağ enerjisine dönüştürürler. Güneş ışığındaki kırmızı ve mavi ışığı soğururken yeşil ışığı yansıtır ya da geçirirler.
► Bitkiler fotosentezde ışık enerjisini soğuran klorofil dışında bir çok pigmente de sahiptirler. Bunlar karetenoitlerdir.
2. Karotenoitler
► Bitkilerde plastitlerde bulunan turuncu, kırmızı ve sarı renk veren pigmnet kümesine Karotenoit denir.
► Turuncu renk veren pigmente Karoten, sarı renk veren pigmente Ksantofil, kırmızı renk veren pigmente ise Likopen denir.
Karotenoitlerin görevleri;
1. Fotosentezde klorofilin tek başına soğurduğu ışıktan daha farklı dalga boylarındaki ışıkları soğurup klorofile aktarmak,
2. Çiçek ve meyvelere renk vermek,
3. Klorofile zarar verebilecek fazla ışığı emerek etrafa yaymak ve klorofilin zarar görmesini önlemektir.
Farklı Dalga Boylarındaki Işığın Absorbe Edilmesi (Galvanometre Deneyi)
► Bir pigmentin (klorofil gibi), çeşitli dalga boylarındaki ışığı absorbe etme yeteneği spektrofotometre denilen bir cihaz ile ölçülebilir.
► Bu cihaz farklı dalga boylarındaki ışık demetlerini bir pigment çözeltisine yönlendirerek, her bir dalga boyunda geçirilen ışık grubunu ölçer.
► Galvanometre elektrik akımını ölçen bir alettir. Küçük akımların varlığını ve yönünü belirlemede kullanılır.
► Aşağıda verilen deney düzeneğinde klorofil çözeltisinden geçen ışık fotoelektrik tüpte elektrik enerjisine çevrilir. Galvanometre elektrik akımını ölçer.
► Yeşil ışıkta galvanometrede görülen sapma yeşil ışığın klorofil tarafından geçirildiğini gösterir.
► Mavi ışıkta ise galvanometredeki sapmanın az olması mavi ışığın klorofil tarafından absorbe edildiğini gösterir.
Işığın Dalga Boyu ile Fotosentez Hızı Arasındaki İlişki (Engelmann Deneyi)
► Engelmann ışığın dalga boyu ile fotosentezin hızı arasındaki ilişkiyi bir deney ile açıklamıştır.
► Bu deneyde ışığın farklı dalga boylarındaki O2 çıkışını etkin spekturum ile ölçmüştür. Böylece ışığın hangi dalga boyunda daha fazla fotosentez gerçekleştiğini açıklamıştır.
► Bunun için beyaz ışığı bir pirizmadan geçirerek dalga boylarına ayırmıştır. (Mor, mavi, yeşil, sarı, turuncu, kırmızı şeklinde)
► Bu ışınları ipliksi bir alg (Spirogyra) üzerine düşürmüştür. Algdeki fotosentez hızını ölçmek için ortama sadece O2'li solunum yapan bakteri (aerob) türünü eklemiştir.
► Deney sonucunda mor, kırmızı ve mavi ışıkların alg üzerine düştüğü bölgelerde bakterilerin daha fazla toplandığını görmüştür.
► En az bakterinin toplandığı bölgenin ise; yeşil ışığın olduğu bölge olduğunu görmüştür.
► Bu durum yeşil ışığın fotosentezde en az soğurulduğunu göstermektedir.
► Deney sonucunda fotosentez hızı en fazla mor, mavi ve kırmızı dalga boyundaki ışıkta, en az ise yeşil dalga boyundaki ışıkta gerçekleşir.
Klorofilin Işık Tarafından Etkin Hale Getirilmesi (Fotosistemler)
► Işığı emen pigmentler (klorofil ve karotenoitler), proteinler ve diğer moleküller; tilakoit zarda fotosistem (FS) denilen birimler halinde bulunur.
► Fotosistemler; ışığın emildiği ve kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü birimlerdir.
► Tilakoit zarda bu birimler;
- Fotosistem I (P700)
- Fotosistem II (P680) şeklinde sıralanmıştır.
► Her iki fotosistemin tepkime merkezlerinde klorofil a molekülleri bulunur. Bu klorofil a molekülleri farklı proteinlerle birleştikleri için ışık emme özellikleri farklıdır.
► Işığı ilk soğuran fotosistem II'dir.
► Her fotosistemde iki önemli kısım bulunur. Bunlar; anten kompleksi ve tepkime merkezidir.
Anten Kompleksi
♦ Klorofil ve karotenoit pigmentlerini içeren kısımdır.
♦ Bu pigmentler ışığı toplayarak tepkime merkezine iletirler.
Tepkime Merkezi
♦ Klorofil a ve ilk elektron alıcı molekülün bulunduğu kısımdır.
Tilakoit zar üzerinde (granumlarda) fotosistemler, ETS elemanları, ATP sentaz enzimi bulunur.
Fotosentez Reaksiyonları
► Fotosentez, birden çok basamağı olan iki farklı reaksiyon zincirinden oluşur.
► Bu reaksiyonlar; prokaryotlarda hücre zarı kıvrımlarında ve sitoplazmada, ökaryotlarda ise kloroplastın granalarında ve stromasında gerçekleşir.
Bunlar;
1. Işığa Bağlı Evre ve
2. Işıktan Bağımsız Evre (Calvin Döngüsü) adını alır.
1. Işığa Bağlı Evre
► Prokaryot hücrelerde hücre zarı kıvrımlarında, ökaryot hücrelerde ise kloroplast organelinde olur.
► Kloroplastın içinde yer alan tilakoit zarlarda yani granumlarda gerçekleşir.
► Granumlarda bol miktarda klorofil molekülleri bulunur.
► Bu evrede ışık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür. Ayrıca ışık enerjisinden ATP enerjisi sentezlenir.
► Bu evrenin amacı; ışıktan bağımsız evreler için gerekli olan ATP ve NADPH üretimini sağlamaktır.
► Ayrıca ışık enerjisi ile suyun parçalanması gerçekleşir. Bu olaya Fotoliz denir. Fotoliz ile atmosfere verilen O2 oluşur.
Işık, Klorofil, ETS Elemanları, H2O, Enzimler, ATPaz Enzimi, NADP Koenzimi, Fotosistemler
► Işığa bağlı evrelerin başlayabilmesi için klorofilin ışık tarafından uyarılması gerekir.
► Suyun parçalanması ile açığa çıkan hidrojenler (H+), bir çeşit koenzim olan NADP+ (nikotinamid adenin dinükleotit fosfat) ile tutularak NADPH molekülü üretilir.
► Fotoliz sonucu açığa çıkan oksijenin fazlası, atmosfere bu evrede verilir.
► Robert Hill, 1937 yılında ortamda ışık, su ve uygun bir hidrojen yakalayıcısı bulunduğunda kloroplastların CO2 olmadan O2 oluşturabildiklerini görmüştür.
► Elektron alıcısının sudaki hidrojeni tutarak oksijeni serbest bırakmasına bu nedenle Hill Reaksiyonu adı verilmiştir.
Işığa Bağlı Evrelerde;
► ATP sentezi için klorofilin ışığı soğurması ve ışık tarafından uyarılmış elektronların klorofilden ayrılması gerekir.
► Kloroplastın tilakoid zarında, ışık soğuran pigmentler (klorofil ve karotenoitler) ve proteinler içeren fotosistemler vardır.
► Fotosistemler, anten kompleksi ve tepkime merkezi içerir.
► Anten kompleksinde bulunan klorofiller ve karotenoitler; ışığı soğurarak tepkime merkezindeki klorofile aktarır ve tepkime merkezindeki klorofilin elektronları yüksek enerjili hâle gelir.
► Elektronlardaki enerjiden ATP sentezi yapılabilmesi için elektronları tutabilecek bir sisteme ihtiyaç duyulur.
► Bu amaçla kloroplastların granumlarında elektron taşıma sistemi (ETS) yer alır.
► Klorofilden ayrılan elektronlar, yükseltgenme ve indirgenme kurallarına göre ETS’de bulunan bir molekülden diğerine aktarılır.
► Bu aktarım sırasında elektronlardaki enerjinin bir kısmı ile ATP sentezlenirken bir kısmı da ısı enerjisi şeklinde sistemden uzaklaştırılır.
► Bu şekilde ışık enerjisi yardımıyla ATP sentezlenmesine fotofosforilasyon denir.
► Işığa bağlı evreler sırasında üretilen NADPH ve ATP ışıktan bağımsız reaksiyonlara aktarılarak organik madde sentezinde kullanılır.
► Fotofosforilasyonla üretilen ATP, sadece fotosentezde organik madde sentezi için tüketilir.
- İndirgenme (Redüksiyon): Bir atom veya molekülün elektron ya da H+ iyonu almasıdır. Yani yük alınca indirgenir.
Örneğin; Bir moleküle H+, Elektron eklenmesi, enerjinin depo edilmesi, O2 çıkması
- Yükseltgenme (Oksidasyon): Bir atom veya molekülün elektron ya da hidrojen iyonu vermesidir. Molekül yükü bırakınca yükseltgenir.
Örneğin; Bir molekülden H+ iyonu, elektron çıkması, enerjinin serbest kalması, O2 eklenmesi
1. FS II ve FS I'deki klorofil a moleküllerinin ışığı soğurması ve klorofil a'nın elektron kaybederek yükseltgenmesi
2. Suyun ışık enerjisi ile parçalanması (fotoliz olayı)
3. Fotofosforilasyon ile ATP sentezlenmesi (ATPaz enzimi kullanılarak)
4. NADP koenziminin hidrojen (H+) alarak indirgenmesi, yani NADPH + H sentezi
Fotoliz ile suyun ayrışması sonucu oluşan elektron, hidrojen iyonları ve oksijen şu amaçlar için kullanılır:
1. Hidrojenler NADP koenzimi ile tutularak NADPH sentezlenir.
2. Elektronlar FS II'deki klorofil a için elektron kaynağı oluşturur.
3. Oksijen atmosfere verilir.
Su → FS II → FS I → NADPH şeklinde olur.
2 NADPH + H, 3 ATP, O2 sentezlenir. Bu NADPH ve ATP'ler stromaya geçerek ışıktan bağımsız evreler için kullanılır. O2 ise atmosfere verilir.
1 molekül glikoz sentezi için ışığa bağımlı tepkimelerin 6 kez tekrarlanması gerekir.
► Fotosentezde fotofosforilasyon ile ATP sentezi Kemiosmotik Hipotezi ile açıklanır.
► Kemiosmotik hipotezi fotofosforilasyon ile ATP sentezini; "zar yüzeyleri arasındaki (tilakoit zar) proton (H+) derişimi farkı ATP sentezini sağlar" şeklinde açıklar.
► Tilakoit zarın iç kısmında biriken protonlar (H+) yoğun bulundukları tilakoit boşluktan stromaya doğru difüzyonla geçerler. Bu sırada tilakoit zardaki ATP sentaz (ATPaz) enzimi aktifleşir. ADP'ye P eklenerek ATP sentezi sağlanır.
Işıktan Bağımsız Evre (Calvin Döngüsü = CO2 Özümlemesi)
► Prokaryot hücrelerde sitoplazmada, ökaryot hücrelerde ise kloroplastın stroma sıvısında gerçekleşir.
► Amacı; karbondioksit kullanılarak organik madde sentezlemektir. Bu reaksiyonlar için mutlaka CO2 gereklidir. Enzimlerin etkinliği fazladır. Bu nedenle sıcaklık değişimlerine karşı hassas bir evredir.
► Işıktan bağımsız evreler, 1961 yılında Melvin Calvin’in (Melvin Kalvin) yaptığı araştırmalar sonucu açıklanmıştır. Bu reaksiyonlar Calvin döngüsü olarak da bilinir.
► Bu evrede stromada CO2 tüketilerek başta glikoz olmak üzere diğer organik madde çeşitlerinin birçoğu sentezlenir.
► Işıktan bağımsız evrelerde ışık doğrudan gerekli olmasa da ışığa bağlı reaksiyonlarda açığa çıkan ATP ve NADPH’a ihtiyaç duyulur.
► Enzimlerin kontrolünde gerçekleşen bu reaksiyonlarda klorofil ve ETS elemanları görev almaz.
► Yüksek sıcaklık, ışıktan bağımsız evrede kullanılan enzimlerin yapısına zarar vereceği için fotosentezi yavaşlatır. Işıktan çok sıcaklığın etkili olduğu bir evredir.
► Işıktan bağımsız evreler 3 aşamada gerçekleşir. Bunlar; karbon bağlama, CO2'nin indirgenmesi, CO2 tutucu alıcının (RuBP) yenilenmesidir.
► Calvin döngüsünde; stromada bulunan 5C'lu ribuloz bifosfat (RuBP) molekülüne CO2 bağlanması ile ATP ve NADPH kullanılır.
► Sonuçta 3C'lu fosfogliseraldehit (PGAL) oluşur. Böylece glikoz ve diğer organik bileşikler sentezlenir.
► Doğrudan ışığa ihtiyaç duyulmaz ancak gündüz gerçekleşmek zorundadır.
► Işık evresinden gelen ATP enerjisi ile NADPH molekülündeki H+'ler ile CO2 birleştirilir.
► CO2'nin şekere indirgendiği metabolik bir evredir. Bu evrede sırasıyla şu olaylar gerçekleşir:
► Calvin döngüsü; stromada bulunan Rubisko (ribulozbifosfatkarboksilaz) enzimi ile 5C'lu ribulozdifosfat (RDP) molekülünün CO2'yi yakalayarak 6C'lu kararsız bir ara bileşen oluşması ile başlar.
► CO2 atmosferden alınır. Oluşan 6C'lu ara bileşik enzimlerle parçalanarak 2 molekül fosfogliserik asit (PGA) oluşur. PGA 3C'lu bir bileşiktir.
► PGA'dan; ATP ve NADPH kullanılarak fosfogliseraldehit (PGAL) meydana gelir. PGAL 3C'lu bir bileşik olup fotosentezin kilit ürünüdür. Çünkü PGAL; glikoz, sükroz, amino asit, yağ asidi vb.organik bileşiklerin sentezinde kullanılan bir moleküldür.
► Oluşan PGAL'nin bir kısmıyla da; ribulozmonofosfat (RMP) sentezlenir. RMP'den 1 ATP kullanılarak ribulozdifosfat sentezlenir. Böylece döngünün devamlılığı sağlanmış olur.
► Işıktan bağımsız evrelerin gerçekleşmesinde görevli olan enzimler ışıkta aktiftir.
► Rubisko enzimi atmosferdeki CO2 molekülünün stromadaki ribulozbifosfat molekülüne bağlanmasını katalize eden enzimdir.
► NADPH ve ATP moleküllerinin kullanılması sonucu oluşan NADP, ADP ve P molekülleri stromadan granalara aktarılarak ışığa bağımlı reaksiyonlarda tekrar kullanılır.
►Bir mol glikoz sentezlenebilmesi için 6 CO2 molekülünün indirgenmesi gerekir. Bunun için ışığa bağımlı tepkimelerden; 6x3=18 ATP ve 6x2=12 NADPH gelmelidir. Kısaca 1 mol glikoz sentezi için ışığa bağımlı tepkimelerin 6 kez tekrarlanması gerekir.
| Işığa Bağlı Evre | Işıktan Bağımsız Evre |
|---|---|
| Ökaryot hücrelerde kloroplastın granalarında, prokaryotlarda hücre zarı kıvrımlarında gerçekleşir. | Ökaryot hücrelerde kloroplastın stromasında, prokaryotlarda ise sitoplazmada gerçekleşir. |
| Işık ve su kullanır. | Işık doğrudan kullanılmaz. |
| ETS görev yapar. | ETS görev yapmaz. |
| ATP üretilir. | ATP tüketilir. |
| Suyun fotolizi ile oluşturulan hidrojenler NADP+ tarafından tutulur ve NADPH oluşturulur. | NADPH'ın hidrojenleri glikoz sentezinde kullanılır. |
| Oksijen oluşur, CO2 tüketilmez. | CO2 tüketilir. O2 oluşmaz ve kullanılmaz. |
| İlk elektron yakalayıcısı görev yapar. | Organik besinler üretilir. |
| Enzimler etkindir. | Enzimler etkindir. |
| Sıcaklıktan etkilenir. | Sıcaklıktan etkilenir. |
Organik Moleküllerin Sentezi
► Bitkilerde ışıktan bağımsız evrelerde üretilen PGAL’lerden glikoz üretilir.
► Glikoz, güneş enerjisinin kimyasal enerji olarak depolandığı moleküldür.
► Bu glikozlar, sükroz ve nişasta sentezinde kullanılır.
► Sükrozun fazlası iletim demetleri ile bitkinin büyüyen kısımlarına ve besin üretilmeyen diğer kısımlarına taşınarak metabolik olaylarda kullanılır.
► Fotosentez sonucu üretilen glikozların bir kısmı solunumda kullanılır.
► Geriye kalan glikozların fazlası, ışıklı ortamda nişasta şeklinde depo edilir.
► Depolanan nişasta molekülleri, ışıksız ortamlarda hücreye enerji sağlamak ve hücrenin karbon iskeletini oluşturmak için yapı taşlarına (monomerlerine) ayrılır.
► Fotosentez reaksiyonları sonucu oluşan PGAL’lerden, şeker-fosfat bileşiklerinden dönüşüm reaksiyonları ile yağ asidi, gliserol, amino asit, vitamin, hormonlar ve çeşitli azotlu organik bazlar sentezlenir.
► Dönüşüm reaksiyonlarının birçoğu kloroplastlarda gerçekleşir.
► Işıktan bağımsız evrelerde; amino asit, vitamin, azotlu organik baz gibi organik besinlerin PGAL molekülünden üretimi için azot gereklidir.
► Bitkiler, azot ihtiyaçlarını topraktan azot tuzu alarak karşılar.
► Alınan azotlu tuzlar, iletim dokusuyla yapraklara taşınır.
► Yapraklarda fotosentez reaksiyonları sırasında karbondioksit özümlemesi yapılırken bu azotlu tuzlar kullanılır.
► Bazı bitkilerde kloroplast bulunmaz. Bu nedenle tüm bitkiler fotosentez yapmazlar. Örneğin; tam parazit bitkiler (küsküt otu, canavar otu) fotosentez yapmazlar. Ancak ökse otu gibi yarı parazit bitkiler fotosentez yapabilirler.
► Fotosentez için kloroplast değil klorofil gereklidir.
► Fotosentez ürünü olan glikoz genellikle bitkide nişastaya dönüştürülerek depo edilir.
► Glikozun kök, gövde, meyve vb.yapılarda nişasta olarak depo edilmesinin amacı bitki hücresinin osmotik basıncını dengede tutmaktır.
► Eğer nişastaya dönüştürülmeyip glikoz olarak kalsaydı, suda çözünen glikozlar osmotik basıncı arttıracaktı.
► Bu durum da hücrenin çok fazla su alarak aşırı şişmesine neden olacaktı.
► Nişasta suda çözünmediği için hücrenin osmotik basıncını arttırmaz.
Konu İle İlgili Sorular