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.

► 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.

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

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.

► 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.

► 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.

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.