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 bağımlı reaksiyonlar ve
2. Işıktan bağımsız reaksiyonlar (Calvin Döngüsü) adını alır.
1. Işığa Bağımlı Reaksiyonlar
► 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 reaksiyonlar 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 bağımlı reaksiyonların 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 Bağımlı Reaksiyonlarda;
► 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 bağımlı reaksiyonlar 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 reaksiyonlar 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 Reaksiyonlar (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 reaksiyonlar, 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 reaksiyonlarda 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 reaksiyonlar 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 tepkimelerein 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.
Organik Moleküllerin Sentezi
► Bitkilerde ışıktan bağımsız reaksiyonlarda 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 reaksiyonlarda; 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.
Mars ve Venüs gezegenlerinin atmosferlerindeki CO2, N2, O2 ve H2O oranlarını araştırınız. Farklılıkların nedenini arkadaşlarınızla tartışınız.
► Mars ve Venüs'ün atmosferlerindeki karbondioksit (CO₂), azot (N₂), oksijen (O₂) ve su buharı (H₂O) oranları şu şekildedir:
Venüs: CO₂: %96,5, N₂: %3,5'ten az, H₂O: Yaklaşık 0,002% (20 ppm), O₂: Yaklaşık 0,001%
► Venüs'ün atmosferi, büyük ölçüde karbondioksitten oluşur ve bu da gezegende aşırı sera etkisine neden olur. Azot, atmosferin küçük bir kısmını oluştururken, su buharı ve oksijen gibi diğer gazlar çok düşük oranlarda bulunur.
Mars: CO₂: %95,3, N₂: %2,7, Diğer Gazlar (Ar, O₂, CO, H₂O): %2
► Mars'ın atmosferi de büyük oranda karbondioksitten oluşur, ancak atmosferi çok incedir ve düşük basınca sahiptir. Azot ve diğer gazlar (argon, oksijen, karbon monoksit, su buharı) düşük oranlarda mevcuttur.
Farklılıkların Nedenleri:
Atmosferik Yoğunluk ve Basınç:
Venüs: Yoğun ve kalın bir atmosfere sahiptir; yüzey basıncı Dünya'nın yaklaşık 92 katıdır. Bu yoğun atmosfer, güçlü bir sera etkisi yaratarak yüzey sıcaklıklarının aşırı derecede yükselmesine neden olur.
Mars: İnce ve seyrek bir atmosfere sahiptir; yüzey basıncı Dünya'nın yaklaşık %0,6'sı kadardır. Bu ince atmosfer, ısıyı tutmada yetersizdir, bu nedenle Mars soğuk bir gezegendir.
Sera Etkisi:
Venüs: Yüksek oranda CO₂ içeren kalın atmosferi nedeniyle aşırı bir sera etkisi yaşar, bu da yüzey sıcaklıklarının yaklaşık 470°C'ye kadar çıkmasına neden olur.
Mars: Atmosferindeki yüksek CO₂ oranına rağmen, atmosferinin ince olması nedeniyle sera etkisi sınırlıdır ve bu da düşük yüzey sıcaklıklarına yol açar.
Su Varlığı:
Venüs: Atmosferinde çok az miktarda su buharı bulunur, bu da gezegenin aşırı sıcak ve kuru olmasına katkıda bulunur.
Mars: Atmosferinde çok düşük oranda su buharı vardır, ancak yüzeyinde su buzulları ve donmuş su bulunur.
Oksijen Seviyeleri:
Her iki gezegenin atmosferinde de serbest oksijen (O₂) çok düşük oranlarda bulunur. Bu durum, her iki gezegende de fotosentetik yaşam formlarının bulunmadığını ve suyun serbest oksijen üretmek için yeterince bol olmadığını gösterir.
► Bu farklılıklar, her iki gezegenin oluşum süreçleri, volkanik aktiviteleri, manyetik alanlarının varlığı veya yokluğu ve Güneş'ten aldıkları enerji miktarı gibi çeşitli faktörlerden kaynaklanmaktadır.
Kaynaklar:
Venüs'ün Atmosferi: Royal Belgian Institute for Space Aeronomy (aeronomie.be)
Mars'ın Atmosferi: Ankara Üniversitesi Açık Ders Malzemeleri
Mars ve Venüs Atmosfer Karşılaştırmaları: NASA Science Solar System Exploration
Genel Atmosferik Bilgiler: European Space Agency (ESA)
Konu İle İlgili Sorular
Soru 1.
Fotosentezin ışıktan bağımsız gerçekleşen reaksiyonları ile ilgili,
I. Fotosentezin enzimatik tepkimeleridir.
II. Hücresel solunum sonucu üretilen ATP, CO2 özümlemesi için gerekli enerji kaynağını oluşturur.
III. Üretilen PGAL'ler sadece glikoz sentezi için kullanılır.
İfadelerinden hangileri doğrudur?
A. Yalnız IB. Yalnız II
C. Yalnız III
D. I ve III
E. II ve III
Doğru Cevap İçin Tıklayınız...
Soru 2.
Fotosentezin ışığa bağımlı tepkimeleri sırasında,
Grafiklerindeki değişimlerden hangilerinin meydana gelmesi beklenir?
A. Yalnız IB. Yalnız II
C. II ve III
D. I ve III
E. I, II ve III
Doğru Cevap İçin Tıklayınız...
Soru 3.
Ökaryot ototrof bir canlıda fotosentezinin ışığa bağımlı evre reaksiyonları ile ilgili aşağıdaki ifadelerden hangisi doğru değildir?
A. Klorofilin yükseltgenmesi gerçekleşir.B. NADP+ molekülü hidrojen ve elektron alarak indirgenir.
C. ADP molekülüne inorganik fosfat bağlanması ile ATP sentezi gerçekleşir.
D. Tilakoit boşlukta, suyun fotolizi ile oksijen açığa çıkartılır.
E. ETS elemanları kloroplastın iç zarına yerleşmiş olup dış zar ve iç zar arasındaki boşlukta H+ birikmesini sağlar.
Doğru Cevap İçin Tıklayınız...