FOTOSENTEZ

CANLILIK VE ENERJİ 

1. ENERJİ VE YAŞAM

Enerjinin Temel Molekülü ATP (Adenozin trifosfat)

Fosforilasyon Çeşitleri

2. FOTOSENTEZ

FOTOSENTEZİN CANLILAR İÇİN ÖNEMİ

Fotosentez Sürecinin Anlaşılmasına Katkı

Sağlayan Bilim İnsanları ve Çalışmaları

Fotosentez ve Fotosentezin Gerçekleştiği Yapılar

FOTOSENTEZ REAKSİYONLARI 

1. Işığa Bağımlı Reaksiyonlar

2. Işıktan Bağımsız Reaksiyonlar

Organik Moleküllerin Sentezi

FOTOSENTEZ HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER

Klorofil Miktarı

Işık Şiddeti

Işığın Dalga Boyu

CO2 Yoğunluğu

Sıcaklık

Tarımsal Ürün Miktarını Artırmada

Yapay Işıklandırma

2.KEMOSENTEZ

KEMOSENTEZ VE KEMOSENTEZİN

CANLILAR İÇİN ÖNEMİ

KEMOSENTEZİN MADDE DÖNGÜLERİNE KATKISI VE

ENDÜSTRİYEL ALANLARDA KULLANIMI

FOTOSENTEZ:

 

FOTOSENTEZ NEDİR?

Bitkilerin CO₂ ve H₂O gibi inorganik maddelerden güneş enerjisi ve klorofil yardımı ile organik besin üretmeleridir. Bu sırada atmosfere yan ürün olarak O₂ verilir. 

Amaç: İnorganik maddelerden organik maddeler (besin) üretmektir.

Fotosentezin Genel Denklemi: 

FOTOSENTEZİN CANLILAR İÇİN ÖNEMİ

•  Yeryüzündeki enerjilerin kaynağı Güneş’tir.
• Hiçbir canlının güneş enerjisini doğrudan kullanması ya da bu enerjiyi depolaması  mümkün değildir.
• Enerjinin kullanılabilir hâle gelmesi farklı bir enerji türüne dönüşmesi ile gerçekleşebilir.Fotosentez bu dönüşümü gerçekleştiren bir olaydır.
• İnsanlar dâhil hemen hemen tüm heterotroflar besin ve fotosentezin bir yan ürünü olan O₂ için tümüyle üreticilere bağımlıdır
• Fotosentez olayını sadece bitkiler gerçekleştirmez. Bazı bakteriler, öglena ve algler de fotosentez yapabilir. Bu canlılar hem kendi besinlerini fotosentezle üretir hem de diğer canlılara besin kaynağı oluşturur.

 

BİLGİ:

Atmosferdeki oksijenin temel kaynağı alglerdir. Algler yaz kış sürekli fotosentez yapar.

Fitoplanktonlar (çoğunlukla bir hücreli algler) atmosferdeki yaşamın kaynağı olan oksijenin en büyük üreticisi.

Dünya’daki oksijenin yarısı denizdeki ve okyanuslardaki fitoplanktonlarca üretilir.

Fotosentez olayı, canlıların besin ihtiyacını karşılarken aynı zamanda günlük hayatımızda kullanılan pamuk, keten gibi tekstil ürünlerinin oluşmasında; mobilyacılıkta ve kağıt ürünlerinin oluşmasında da katkı sağlamaktadır.

Enerji üretmek için kullanılan kömür, doğal gaz gibi fosil yakıtların da kaynağı aslında fotosentez yapan organizmalardır.

 

BİLGİ:

Yeryüzündeki en önemli enerji dönüşümü fotosentezle gerçekleşmektedir. Işık enerjisi, fotosentezle canlıların kullanabileceği enerji biçimi olan kimyasal enerjiye dönüştürülür. Enerji elde etmek için kullandığımız kömür ve petrol gibi fosil yakıtlar da geçmişte fotosentez yoluyla üretilmiştir.

 

HATIRLATMA

• Kendi besinlerini sentezleyebilen canlılara üreticiler (ototroflar) denir.
• Besinlerini sentezi sırasında ışık enerjisini enerji kaynağı olarak kullanan üreticilere fotoototrof veya fotosentetik canlılar denir. Bu canlılar bitkiler, bazı bakteriler bazı protistler (öglena) ve algler fotosentez ile besinlerini üretirler.
• Bazı ototrof bakteriler ise NH₄+, H₂S ya da NO₂^– gibi inorganik maddelerden sağladıkları kimyasal enerjiyi kullanarak besin sentezlerler.  Bu olaya kemosentez, bu canlılara da kemoototrof canlılar veya kemosentetik canlılar denir.
• Kendi besinlerini sentezleyemeyen, dışarıdan hazır olarak alan canlılara tüketiciler (heterotroflar) denir.  Hayvan ve mantarların tamamı ile bazı protist ve bakteriler bu gruba girmektedir.
• Bazı canlılar ise hem ototrof hem de heterotrof beslenir. 

Böcekçil bitkiler, azotça fakir topraklarda yaşar.  Bu bitkiler azot ihtiyacını  hücre dışı sindirim ile yakaladıkları böceklerin proteininden karşılar. Böcekçil bitkiler aynı zamanda fotosentez yaparak besinlerini üretir. Bu bitkiler, azot ihtiyacını böceklerden karşılarken heterotrof, fotosentezle besin üretirken ototrof olarak  beslenmiş olur. 
Öglena da sahip olduğu kloroplast organeli sayesinde ışık varlığında fotosentez yapabilir. Karanlıkta ise dışardan hazır besin alır. Dolayısı ile öglena da hem ototrof hem de heterotrof beslenir.

ÖZEL BİLGİ:

Güneş Enerjisini Kullanan Hayvanlar da Var mı?

Bazı deniztavşanı türleri deniz algleriyle beslenirken alglerin fotosentezde görevli plastit denen organelleri sindirilmez. Deniztavşanının dokularında kalan bu organeller fotosentez yapmaya devam ederek deniztavşanları için besin sağlar.

Fotosentez Sürecinin Anlaşılmasına Katkı Sağlayan Bilim İnsanlarının  Çalışmaları

Bilim insanları	Fotosentez için  açıklamaları
Jan Baptist Van Helmont	Araştırmacı 2, 5 kg. ağırlığındaki bir söğüt fidanını içinde 100 kg. toprak bulunan bir saksıya dikmiş ve bunu 5 yıl süresince sadece yağmur suyuyla sulamıştır. Süre sonunda fidan 85 kg'lık bir ağaç olmuştur. Deneme sonunda toprak kuru ağırlığı 99, 994 kg. olarak belirlenmiştir. Aradaki 50 gramlık fark deney hatası olarak kabul edilmiş ve bitki ağırlığında oluşan 82, 5 kg'lık madde artışının yalnız sudan kaynaklandığı kanısına varmıştır.
Joseph Priestley,	İlk kez 1771 yılında bitkiler tarafından dışarı verilen oksijenin hayvanlar tarafından kirletilen havayı temizlediği fikrini ortaya atmıştır.
Jan Ingenhousz (1730-1799)	Havanın temizlenmesinin yeşil bitkiler tarafından ışıkta yapıldığını açıklamıştır. Fotosentezde klorofilin önemini vurgulamıştır.
Senebier (1742-1804)	1782 yılında yeşil bitkilerin havaya O2 vermesinin CO2 almalarına ve bitkiler tarafından meydana getirilen O2 miktarının tamamen ortamda varolan CO2 miktarına bağlı olduğunu göstermiştir.
De Saussure	bitkinin besin üretiminde karbondioksit ve su kullandığını göstermiştir. (1767-1843),
Liebig	CO2'in bitkiler için C kaynağı olduğunu vurgulamıştır. (1803-1875)
Robert Mayer,	Işığın enerji içerdiğini, canlılar tarafından kullanılan enerji kaynağının güneş ışığı olduğunu ve fotosentezde bitkinin yakaladığı güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürdüğünü belirtmiştir.
Theodor Wilhelm Engelman (1843-1909)	Iışığın dalga boyunun fotosentez hızına etkisini “Engelman deneyi” olarak ifade edilen basit bir düzenekle açıklamıştır. Deney sonucunda en çok fotosentezin mor-mavi daha sonra da kırmızı ışığın dalga boylarında olduğunu, en az ise yeşil ışığın dalga boyunda gerçekleştiğini açıklamıştır.
F. F. Blackman (1872-1967),	fotosentezin yalnızca fotokimyasal bir olay değil aynı zamanda biyokimyasal bir olay olduğunu ileri sürerek, olayın ışık gerektirmeyen bir karanlık reaksiyon safhası olduğunu da vurgulamıştır. Ayrıca Blackman fotosentezde minimum yasasını bulmuştur.
Richard Martin Willstätter	Alman kimyager. Klorofil de dahil olmak üzere bitki pigmentlerinin yapısı hakkındaki çalışmaları nedeniyle 1915 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü kazanmıştır. (1872 –1942)
C.B. Van Niel (1897-1985),	Fotosentezin, yükseltgenebilir bir maddeden açığa çıkan hidrojen ile karbondioksitin indirgenerek besinin üretildiği ışığa bağımlı bir olay olduğu saptanmıştır. Atmosfere verilen oksijenin sudan kaynakalandığını ileri sürmüştür.
Robert Hill (Rabırt Hiyıl, 1899-1991),	Fotosentezin ışık reaksiyonu üzerinde çalışarak ortamda ışık, su ve uygun bir hidrojen yakalayıcısı bulunduğunda, izole kloroplastların bile ortamda CO2 olmadan O2 oluşturabildiklerini görmüştür. Ayrıca yapraklarda doğal bir hidrojen yakalayıcısı maddenin bulunduğunu ortaya koymuştur. Bugünkü bilgilere göre bu maddeler Fereodoksin ve NADP+'dır. Hill reaksiyonu adını verdiği bir denklemle olayı açıklamıştır. Reaksiyon, fotosentezde O2'nin ışık reaksiyonlarında oluştuğu ve bunun kökeninin CO2 değil de H2O olduğunu göstermesi yönünden önemlidir.
Peter Dennis Mitchell	ATP sentezi (fotofosforilasyonun kemioozmoz) mekanizmasının keşfi ile 1978 yılında Nobel Kimya Ödülüne layık görülmüştür. (1920 - 1992)
Melvin Calvin (1911-1997),	Fotosentezin karanlık reaksiyonları üzerinde çalışan Calvin ve arkadaşları, olaydaki C metabolizmasını (Calvin Döngüsünü) tüm ayrıntılarıyla açıklamışlardır. Bunun üzerine Calvin'e Nobel Ödülü verilmiştir.

 

Fotosentezin Gerçekleştiği Yapılar

Yaprak:

• Bitkilerin çoğunda fotosentez yapraklarda gerçekleşir.
• Yaprak, epidermis, iletim dokusu ve mezofil tabakası olmak üzere üç ana bölümden oluşur.

Üst ve alt epidermis:

Tek sıralı bir hücre katmanı hâlinde koruyucu bir dokudur.

Epidermis hücreleri kloroplast taşımaz, fotosentez yapmaz.

Epidermis hücrelerinin farklılaşması ile oluşan, epidermis hücreleri arasında  terleme ve gaz alış verişini sağlayan stomalar bulunur.

Stomalarda kloroplast bulunur. Dolayısı ile fotosentez gerçekleşir.

 

İletim dokusu:

Bitkilerde su, mineral ve besin maddelerinin taşındığı yapılardır.

Fotosentez gerçekleştirmezler.

 

Mezofil tabakası:

Yapraklarda kloroplast içeren hücreler, yaprağın iç kısmındaki mezofil tabakasında bulunur.

Bu bölüm palizat ve sünger parankiması olmak üzere ikiye ayrılır.

Yapraklarda en fazla kloroplast palizat parankiması hücrelerinde bulunur. Dolayısı ile en fazla fotosentez de burada gerçekleşir.

 

BİLGİ:

Bir bitkinin bütün yeşil kısımları kloroplasta sahip olduğundan fotosentez yapabilir. Yaprakta, mezafil tabakasında (Palizat ve sünger parankiması hücrelerinde) ve epidermis hücreleri arasındaki stomalarda fotosentez gerçekleşir.

Bitkilerde Fotosentezin Gerçekleştiği Organel:
Kloroplast

• Fotosentez, ökaryot canlılarda kloroplast oganelinde gerçekleşir.
• Kloroplast, bir bitkinin tüm yeşil kısımlarında bulunur.
• Kloroplastın kimyasal bileşiminde %50 protein, %30 lipit, %5-10 arasında pigment maddesi ve karbonhidrat, DNA, RNA gibi diğer organik bileşikler vardır.
• Kloroplastın en dışında seçici geçirgen yapıda çift zar bulunur.
• Kloroplast, stroma, granum ve ara lamellerden oluşur.

Stroma içerisinde DNA, RNA, ribozom, enzim, nişasta, lipit bulunan en içteki sıvı kısımdır.
Fotosentezde üretilen şeker molekülleri geçici olarak nişasta halinde depolanır ve daha sonra da sükroza dönüştürülerek bitkinin diğer bölümlerine taşınır.
Fotosentezin ışıktan bağımsız (karbon tutma) tepkimeleri burada gerçekleşir.
 
 
 
Granumlar; Tilakoit zar denilen üçüncü bir zar sisteminin üst üste dizilerek oluşturduğu lamelli yapıdır. Klorofil bu tilakoit zarlarda bulunur. Fotosentezin ışığa bağımlı tepkimeleri burada gerçekleşir. (Grana = Granumlar)
Granumlar ara lamellerle birbirine bağlanarak güneş ışığının daha fazla emilmesini sağlar.
Bu da bitkinin daha fazla ışık alması ve daha fazla fotosentez yapabilmesi demektir.
 

BİLGİ:

Kloroplastların kendilerine ait DNA’sı olduğundan gerektiğinde  DNA’sını eşleyerek çoğlabilir.

Kloroplast içerisinde gerçekleşecek tepkimelerde görevli enzimlerin üretim yeri kloroplast stromasında bulunan ribozomlardır. Hücre sitoplazmasındaki ribozomlar değil.

Kloroplastlarda fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonlarında fotofosforilasyon ile üretilen ATP’ler yine fotosentezin ışıktan bağımsız reaksiyonlarında besin sentezi için harcanır. Kloroplast dışında başka bir metabolik olayda harcanmaz.

 

Güneş Işığının Yapısı

• Bütün canlıların enerji kaynağı güneştir. Yeryüzünde yaşam güneşten gelen enerjiye bağlıdır. Hücrelerimizin kullandığı enerjinin temeli, bitkiler aracılığıyla bize taşınan güneş enerjisidir.
• Fotosentez sırasında güneş ışınları soğurularak besinlerin yapısındaki kimyasal enerjiye dönüştürülür.
• Işık enerjisi dalgalar halinde yayılan bir elektro manyetik enerji biçimidir.
• Dalgalar hâlinde yayılan ışığın oluşturduğu iki ardışık tepe noktası arasındaki mesafeye ışığın dalga boyu denir. Işığın dalga boyu nm (nanometre)'den küçük olabileceği gibi km'den büyük olabilir. Örneğin gama ve X-ışınlarının dalga boyu nm'den küçük radyo dalgalarınınki km'den büyüktür. Işığın dalga boylarına göre sıralanmasıyla elektromanyetik spektrum elde edilir.
• Spektrumda yer alan ışığın yaklaşık 380 nm ile 750 nm arasındaki dalga boyları insan gözüyle görülebildiğinden görünür ışık olarak isimlendirilir.
• Tüm renklerin karışımı olan beyaz ışık, prizmadan geçirildiğinde mor, mavi, yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı renkli ışık bantları oluşur. Görünür ışık spektrumunda dalga boyu en uzun olan kırmızı ışık, en kısa olan ise mor ışıktır.
• Enerji miktarı ışığın dalga boylarıyla ters orantılıdır. Dalga boyu uzun olan ışığın enerjisi düşük, kısa olanın ise enerjisi yüksektir
• Mor renkli ışığın enerjisi kırmızı ışığın sahip olduğu enerjinin iki katıdır.
• Bitkiler fotosentez yaparken spektrumdaki görünür ışığı kullanır. Görünemeyen ışık ise klorofil tarafından tutulmaz ve fotosentezde kullanılmaz.
• Işığın yapısında yüksek hızla hareket eden ve enerji yüklü olan taneciklere foton denir.
• Güneş’in yaydığı elektromanyetik ışınlardan, görünür dalga boyunda olanların fotonlarındaki enerji fotosentezde kullanılır.
• Yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin en fazla %5’i fotosentezde kullanılmaktadır.
  

FOTOSENTEZ PİGMENTLERİ

• Görünür ışığı emen maddeler pigment olarak isimlendirilir.
• Farklı pigmentler, farklı dalga boyundaki ışığı soğurur, soğurulmayan ışınları ise geçirir ya da yansıtır. Eğer bir pigmente beyaz ışık gönderilirse pigment tarafından yansıtılan ya da geçirilen ışık gözümüzün seçebileceği rengi oluşturarak cisimleri farklı renklerde görmemizi sağlar.
• Kloroplastlardaki klorofil ve diğer pigmentler, diğer renkleri soğururken, yeşil ışığı yansıtır veya iletir. Yaprakların yeşil renkli olmasının sebebi budur.

 

Fotosentezde görev alan pigmentler:

a. Klorofil:

• Çeşitli dalga boylarındaki ışınları emerek bitkide fotosentez olayının gerçekleşmesini sağlayan yeşil renkli bir pigmenttir.
• Klorofil, ökaryot hücrelerde kloroplastın tilakoit denilen yapılarında bulunur.
• Prokaryot hücrelerde ise kloroplastlar bulunmaz. Bunlarda fotosentetik pigmentler iç zar sistemlerine kaynaşırlar. Bu sistemler sitoplazmik zarın içeriye doğru girinti yapmasıyla oluşur.
• Yapısında C, H, O, N ve Mg atomları bulunur.

“Klorofil a” ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürülmesinde doğrudan rol oynar. Bu nedenle fotosentez için en önemli pigmenttir. Esas olarak mavi-mor ve kırmızı ışığı soğurur.

“Klorofil b”, ışık reaksiyonlarında doğrudan yer almaz. Bunun yerine soğurduğu enerjisiyi “klorofil a” ya geçirir.

 

b. Karotenoitler:

Turuncu renkli karoten, sarı renkli ksantofil, kırmızı renkli likopin gibi pigmentlerdir.

Esas olarak mavi-yeşil ışığı soğururlar.

 

BİLGİ:

• Karotenoitler çiçek ve meyvelere renklerini verir.
• Ayrıca klorofilin soğuramadığı farklı dalga boylarındaki ışınları soğurabilir.
• Soğurulan ışık ışınları daha sonra klorofile aktarılarak fotosentezde kullanılır.
• Bununla birlikte bazı karotenoitler, klorofile zarar verebilecek aşırı ışığı saçarlar.
• Bazı karotenoitler insan besinini oluşturur: Örneğin beta karoten insan vücudunda A vitaminine dönüştürülür.
• Fotosentezde görev alan kloroplast pigmentlerin tamamı tilakoit zarda bulunur. Bu pigmentler orada fotosistem olarak isimlendirilen ışık toplayan kompleksler şeklinde düzenlenmiştir.

 

BİLGİ:

1. Fotosentezin başlaması için öncelikle pigmentler tarafından ışığın soğurulması (absorbe edilmesi) gerekir.

2. Klorofil sentezinin gerçekleşmesi için ışık mutlaka olmalıdır.

3. Demir (Fe), klorofil yapısına katılmadığı halde klorofil sentezi için ortamda bulunması şarttır. Çünkü demir, klorofil sentezinde görevli enzimin kofaktörüdür.

4. Klorofil b ve karotenoitler yardımcı pigmentlerdir. Bunlar sayesinde fotosentez için kullanılabilir durumda olan dalga boylarının sınırları genişlemiş olur.

5. Fotosentez sadece görülebilen beyaz ışıkta  (380-750 nm dalga boyları arasında) gerçekleşebilir.

FOTOSİSTEMLER

• Işığın soğurularak (emilerek) ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüştürüldüğü, pigmentler, proteinler ve diğer moleküllerle birlikte tilakoit zarda kümelenerek oluşturdukları birime fotosistem denir.

 

Fotosistemler iki kısımdan oluşur.

a. Anten kompleksi:

Anten kompleksi çok sayıda klorofil ve karotenoit pigmentleri içerir.

Bu kompleksteki pigmentler ışığı toplayıp tepkime merkezine iletir.

 

b. Tepkime merkezi:

Klorofil a ve ilk elektron alıcı molekülü içerir.

•  Tilakoit zarda fotosentezin ışığa bağımlı tepkimelerinde iş gören  Fotosistem I (FS I) ve Fotosistem II (FS II) olmak üzere iki tip fotosistem bulunur.

 

 

 

BİLGİ:

• Bu fotosistemlerin tepkime merkezlerinde aslında birbirinin aynı olan klorofil a molekülleri bulunur.
• FS I ve FS II'deki klorofil a molekülleri farklı proteinlerle birleştiğinden ışık emme özelliklerinde farklılık vardır.

 

FS I' in tepkime merkezindeki klorofil, P700 olarak isimlendirilir. Çünkü bu pigment 700 nm dalga boyundaki ışığı en iyi soğurur.

FS II' nin tepkime merkezindeki klorofil ise 680 nm dalga boyundaki ışığı en iyi soğurduğu için P680 olarak isimlendirilir.

 

BİLGİ:

Fotosistemler keşfedilme sırasına göre numaralandırılmıştır. Işık reaksiyonlarında ilk olarak FS II iş görür.

•  Bir foton (Işığın yapısında yüksek hızla hareket eden ve enerji yüklü olan tanecikler), bir pigment molekülüne çarptığında enerji tepkime merkezine ulaşıncaya kadar bir molekülden diğerine geçer. Tepkime merkezindeki klorofilden ayrılan uyarılmış bir elektron, özelleşmiş bir molekül tarafından yakalanır. Bu molekül ilk elektron alıcısı olarak isimlendirilir.
• Elektron aktarımı enerji dönüşümlerinin başlangıcıdır.

Şekil:  Işığın klorofil molekülüne çarpmasıyla oluşan elektron kopması ve enerji dönüşümü

ENGELMAN DENEYİ

• Theodore Engelmann (Teyodor Engılmın, 1843-1909) ışığın farklı dalga boylarının fotosenteze etkisini 1883 yılında alg ve bakterilerle yaptığı deneyle göstermiştir.
• Engelmann, ışığı prizmadan geçirerek elde ettiği kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor ışıkları ipliksi bir alg üzerine düşürmüştür.
• Algdeki fotosentez hızını ölçebilmek için oksijenli ortamda yaşayan bir tür aerobik bakteri kullanmıştır.
• Deney sonucunda mor, mavi ve kırmızı ışıkların alg üzerine düştüğü bölgelerde oksijeni seven (aerob) bakterilerin en fazla toplandığı görülmüştür. Bakterilerin toplanması, fotosentezin bu bölgelerde daha hızlı gerçekleştiğini dolayısıyla daha fazla oksijen üretildiğini göstermiştir.
• Yeşil ışık ise bakterilerin en az bulunduğu yerdir. Çünkü algler klorofilden dolayı yeşil ışığın çok az bölümünü soğurur. Bu nedenle bu bölgede fotosentez hızı daha düşük olur.

 

Şekil: Engelman deneyi düzeneği

Grafik : Işığın dalga boyunun fotosentez hızına etkisi

Engelman Deneyinin Yorum

• Fotosentez hızı, mor -mavi ve daha sonra da kırmızı ışıkta maksimum düzeydedir.
• Fotosentez hızı yeşil ışıkta minimum düzeydedir.
• Fotosentez hızı ışığın dalga boyu ile orantılı olarak artmaz, azalmaz da.
• Fotosentez hızı ışığın dalga boylarının enerji miktarına göre orantılı olarak artmaz, azalmaz da.
• Fotosentez hızını belirleyen durum, ışığın klorofil tarafından emilebilme (absorbe edilebilme) durumudur.
• Klorofil tarafından en çok emilen mor-mavi daha sonra da kırmızı ışık olduğu için fotosentez hızı bu dalga boylarında en yüksektir.
• En az emilen (en çok yansıtılan) yeşil ışık olduğu için fotosentez hızı, bu ışıkta en düşüktür.

FOTOSENTEZ EVRELERİ

• Canlılarda enerji dönüşümü konularını anlayabilmek için yükseltgenme (oksidasyon) ve indirgenme (redüksiyon) olaylarının bilinmesi gerekir.

İndirgenme: Bir atom veya molekülün elektron alması veya hidrojen atomu almasıdır.

Yükseltgenme: Bir atom veya molekülün elektron vermesi veya hidrojen atomu vermesidir.

İndirgenme / Yükseltgenme olaylarına birkaç örnek:

Yükseltgenme (oksidasyon)	İndirgenme (redüksiyon)
Hidrojen çıkması	Hidrojen eklenmesi
Oksijen eklenmesi	Oksijen çıkması
Elektron ayrılması	Elektron eklenmesi
Enerjinin serbest hale geçmesi	Enerjinin depolanması
Glikozun CO2’ye yıkımı	CO2’den glikoz sentezi

 

Fotosentez, iki ana basamakta gerçekleşir.

• Birinci basamakta ışık enerjisi, hücrenin doğrudan kullanabileceği kimyasal enerjiye dönüştürülür. Dönüşüm sırasında mutlaka ışık enerjisi kullanıldığından bu olaya ışığa bağımlı reaksiyonlar denir.
• İkinci basamakta CO₂ kullanılarak birinci basamaktan gelen ATP ve NADPH molekülleri yardımıyla organik madde sentezlenir. Bir dizi kimyasal tepkimelerin gerçekleştiği bu basamağa ışıktan bağımsız reaksiyonlar denir.

Şekil: Fotosenteze genel bir bakış: Işığa bağımlı reaksiyonlar ve ışıktan bağımsız (Kalvin döngüsü) reaksiyonlar arasındaki iş birliği

 

A. Işığa Bağımlı Reaksiyonlar

• Amaç; ışıktan bağımsız tepkimeler için gerekli ATP ve NADPH üretmektir.
• Işık ve klorofil olmadan gerçekleşmez.
• Kloroplastların granumlarnı oluşturan tilakoit zarlarda gerçekleşir.
• Sıcaklıktan çok ışık şiddeti önemlidir. (Kullanılan enzimler koenzim olduğu için)
• İlk gerçekleşen olay FS II ve FS I’in klorofil a moleküllerinin ışığı soğurması ve elektron kaybederek yükseltgenmesidir.
• İkinci sırada gerçekleşen olay, suyun fotolizidir.
• Daha sonra fotofosforilasyon ile ATP üretilir.
• En son gerçekleşen olay NADP’nin indirgenmesidir. Yani NADPH+H⁺ üretimidir.
• FS I ve FS II’nin ortak amacı NADPH üretilmesini sağlamaktır.
• Bu evrede gerçekleşen en önemli olay suyun fotolizidir.
• Suyun fotolizi (suyun oksidasyonu): Işık enerjisi ve enzimlerle su moleküllerinin iyonlarına ayrışması olayıdır.

Fotosentezde kullanılan suyun 3 önemli işlevi vardır:

1. NADP⁺ için hidrojen kaynağıdır.

2.Atmosfer için oksijen  kaynağıdır.          

3.FS II (klorofil) için elektron kaynağıdır.

 

• Klorofil molekülünün ışığı soğurmasıyla serbest kalan elektronları tutabilen elektron taşıma sistemleri (ETS) vardır.
• Bu sistemde klorofilden ayrılan elektronlar, yükseltgenme-indirgenme kurallarına göre hareket ederek bir molekülden diğerine aktarılır.
• Bu sırada açığa çıkan enerji ile stromada var olan protonlar, tilakoit boşluğa pompalanır. Böylece tilakoit  boşlukta protonların yoğunluğu artar.
• FS I'den ayrılan elektron NADP tarafından tutulur.
• FS I kaybettiği elektronunu FS II'den gelen elektronlarla tamamlar.  FS II'nin kaybetmiş olduğu elektronlar ise ortamda bulunan suyun fotolizinden oluşan elektron ile tamamlanır.
• Işığa bağımlı reaksiyonlarındaki elektron akışı;  

           H2O → FS II → FS I →NADPH  şeklindedir.

 

KEMİOZMOTİK HİPOTEZ

• Işığa bağımlı reaksiyonlarda gerçekleşen fotofosforilsyon ile ATP sentezi kemiozmotik hipoteze göre açıklanır.
• Kemiozmotik hipotez,“Zar yüzeyleri arasındaki proton derişimi farkı ATP sentezini sağlar” şeklinde ifade edilebilir.
• Tilakoit zarda biriken protonlar yoğun oldukları tilakoit boşluktan stromaya geçerken tilakoit zardaki ATP sentaz enzimi aktif hale gelir ve ADP’ye fosfat eklenerek ATP üretilmesini sağlar.

Şekil: Işığa bağımlı reaksiyonlar sonucu kloroplastlarda ATP ve NADPH üretilmesi

B. Işıktan bağımsız reaksiyonlar

(Calvin Döngüsü = CO₂ İndirgenmesi = Karbon Tutma Reaksiyonları = Karanlık Evre)

• Amaç; organik besin üretmektir.
• Işıktan bağımsız reaksiyonlar kloroplastın stromasında gerçekleşir.
• Enzimatik yönü yüksek olan tepkimeler olduğu için sıcaklık değişimlerine karşı hassastır.
• CO₂, ATP ve NADPH kullanılarak basit şekerler sentezlenir.
• CO₂ atmosferden alınır.
• NADPH yükseltgenir.
• Işık doğrudan kullanılmadığı için bu aşamaya ”ışıktan bağımsız reaksiyonlar” adı verilir.
• Işıktan bağımsız reaksiyonlar rubisko (ribuloz bifosfat karboksilaz) enzimi sayesinde 5 karbonlu RDP (ribuloz difosfat) molekülüne CO2 eklenerek 6C’lu kararsız bir ara bileşiğin oluşması ile başlar.
• 6C’lu kararsız ara bileşik enzimlerle parçalanır ve iki molekül 3C’lu fosfogliserik asit (PGA) oluşur.
• PGA’dan, ATP ve NADPH harcanarak fosfogliseraldehit (PGAL) oluşur.
• PGAL’in bir kısmından ribuloz mono fosfat (RMP) sonra da RDP sentezlenerek ışıktan bağımsız reaksiyonların sürekliliği sağlanmış olur.

Şekil: Işıktan bağımsız reaksiyonlar

 

• Işıktan bağımsız tepkimelerde üretilen PGAL, deyim yerinde ise her derde deva bir moleküldür diyorum. 

Çünkü; PGAL’in bir kısmından önce ribuloz mono fosdat (RMP) sonra da RDP sentezlenerek ışıktan bağımsız reaksiyonların sürekliliği sağlanmış olur.

• PGAL’in bir kısmından ise glikoz sentezlenir. Glikozun fazlası lökoplastlarda nişastaya dönüştürülerek bitkinin kök tohum, ve meyve gibi yapılarında depo edilir.
• PGAL'in bir bölümü yağ asidi ve gliserol yapımında kullanılır.
• Bir bölümü ile de amino asit, vitamin ve organik bazlar sentezlenir. Bu dönüşümler sırasında topraktan su ile alınan N, S, Fe, Mg gibi mineral maddeler de kullanılabilir.

 

BİLGİ:

Tepkimeye giren her bir CO₂ için 3 ATP ve 2 NADPH+H⁺ harcanır.
1 molekül glikoz sentezi için 6 molekül CO₂ indirgendiğine (harcandığına) göre, basit bir hesapla 1 molekül glikoz için 18 ATP ve 12 NADPH gerektiği anlaşılır.

•  PGAL, glikozun yanı sıra amino asit, yağ asidi, gliserol gibi organik moleküllerin sentezine de katılır.

 PGAL'den organik moleküllerin sentez basamakları

Fotosentezin ışığa bağımlı ve ışıktan bağımsız reaksiyonlarının karşılaştırılması

Işığa bağımlı reaksiyonlar	Işıktan bağımsız reaksiyonlar
Kloroplastın granaları oluşturan tilakoit zarda gerçekleşir.	Kloroplastın stromasında gerçekleşir.
Işık, klorofil (FS I ve FS II), ETS görev yapar.	Işık, klorofil (FS I ve FS II), ETS görev yapmaz.
ADP+Pİ, su harcanır.	CO2, ATP, NADPH harcanır.
ATP, NADPH, O2 üretilir.	Organik monomerler, organik bazlar, vitaminler… üretilir.
Suyun fotolizi gerçekleşir.	Fotoliz görülmez.
ETS görev yapar.	ETS görev yapmaz.
Fotofosforilasyon ile ATP üretilir.	Fotofosforilasyon görülmez, tersine defosforilasyon gerçekleşir.
NADP indirgenir.	NADPH yükseltgenir.
Sıcaklıktan çok ışık şiddeti etkidir.	Işık şiddetinden çok sıcaklık değişimleri etkilidir.
Gerçekleşmesi için ışık ve klorofil şarttır.	Gerçekleşmesi için ışık ve klorofil şart değildir. Ancak ışığa bağımlı reaksiyonlarda üretilen ATP ve NADPH şarttır.
ATP sentaz enzimi görev yapar.	ATP sentaz enzimi görev yapmaz.
Gündüz gerçekleşir.	Gündüz gerçekleşir.

ÖNEMLİ:

1.Fotosentezin gerçekleşmesi için gerekli olan kloroplast değil klorofildir.

2.Fotosentezde açığa çıkan O₂’nin kaynağı H₂O’dur. Hidrojen ve elektron kaynağı olarak suyun kullanılmadığı canlılarda O₂ çıkışı görülmez.

3.Bitkilerin tamamı fotosentez yapmaz. Örneğin tam parazit bitkilerde klorofil yoktur. Dolayısı ile fotosentez yapmazlar.

4.Genel olarak fotosentez ürünü olan glikoz, bitkide nişastaya dönüştürülerek depo edilir. Bunun amacı, bitki hücresinin ozmotik basıncını dengelemektir. Şayet glikoz şeklinde kalmış olsaydı, suda çözünen glikozlar ozmotik basıncı arttıracağından hücre çok fazla su alacak ve bu da aşırı şişmeye neden olacaktır. Unutmayalım nişasta suda çözünmez, ozmotik basıncı arttırmaz.

FOTOSENTEZ HIZINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER

• Fotosentetik bir hücrenin birim zamanda ortamdan aldığı CO₂ veya ürettiği O₂ miktarı fotosentez hızını gösterir.
• Fotosentez aynı anda birden çok faktörün etkisi altındadır. Bu durumda fotosentezin hızını, (bitkinin ihtiyacına göre) miktarı en az olan faktör belirler. Buna minimum yasası denir.
• Fotosentez hızını etkileyen faktörler çevresel ve genetik olmak üzere ikiye ayrılır.

 

Çevresel Faktörler:

• Işık şiddeti
• Işığın dalga boyu
• CO₂ miktarı
• Ortam sıcaklığı
• Ortamın pH değeri
• Su miktarı
• Mineraller

Genetik(Kalıtsal) Faktörler:

• Kloroplast sayısı
• Stoma sayısı, konumu ve büyüklüğü
• Yaprak yapısı ve sayısı,
• Epidermis ve kutikula kalınlığı
• Enzim miktarı

A.Çevresel Faktörler

1.CO₂ miktarı:

• CO₂, fotosentezin ışıktan bağımsız tepkimelerinin başlaması için gereklidir.
• CO₂ miktarı arttığında fotosentez hızı belirli bir değere kadar artar. Sonra da sabit kalır.
• Havadaki CO₂ yoğunluğu belirli bir sınırın altına düşerse bitki CO₂ bağlayamaz ve fotosentez durur.Bu sınır yaklaşık %0,005’tir.
• Kalsiyum hidroksit Ca(OH)₂ veya potasyum hidroksit (KOH), Na(OH), Ba(OH)₂ gibi CO₂ bağlayan bileşiklerin ortamda bulunması fotosentez hızını düşürür. Sodada ve gazozda CO₂ ve mineral fazla olduğu için fotosentez hızını olumlu etkiler.

Grafik: CO₂ Miktarının Fotosentez Hızına Etkisi

 

2.Işık şiddeti:

• Bitkiler ışıksız ortamda fotosentez yapamaz.
• Işık, fotosentezin ışığa bağımlı tepkimelerinde ATP ve NADPH+H⁺ sentezlenmesinde kullanılır.
• Işık şiddeti arttıkça fotosentez hızı belirli bir seviyeye kadar artar, sonra sabit kalır.

Grafik: Işık Şiddetinin Fotosentez Hızına Etkisi

3.CO₂ ve ışık şiddetinin birlikte etkisi:

• CO₂ ve ışık şiddeti bir arada düşünülürse, CO₂ miktarı arttıkça fotosentez hızı da artmakta, ancak sonra sabit kalmaktadır. Işık şiddeti artırıldıkça CO₂ miktarındaki artış ile birlikte fotosentez hızı biraz daha artmakta, ancak sonra yine sabit kalmaktadır. Doyma noktasına kadar fotosentez hızını CO₂ belirlerken doyma noktasından itibaren ışık şiddeti belirleyici faktör olmaktadır.

Grafik: Işık Şiddeti ve CO2 Miktarının Fotosentez Hızına Birlikte Etkisi

 

4.Işığın dalga boyu:

• Fotosentez, 350-780 nm dalga boyu aralığındaki görünür ışıkta gerçekleşir.
• Canlıların fotosentez yapabilmesi için öncelikle ışığın soğrulması gerekir.
• Klorofil mor, mavi ve kırmızı dalga boylarındaki ışığı en iyi soğurduğu için fotosentez bu dalga boylarında daha hızlıdır.
• Fotosentez hızının en düşük olduğu dalga boyu ise klorofil tarafından yansıtılan yeşil renge karşılık gelmektedir.

Grafik: Işığın Dalga Boyunun Fotosentez Hızına etkisi

 

5.Ortam sıcaklığı:

• Fotosentezin ışıktan bağımsız tepkimeleri üzerinde daha çok etkilidir.Çünkü bu tepkimelerde bir çok enzim görev yapmaktadır.
• Sıcaklık artışı tepkimelerin hızını da artırır; belirli bir noktadan sonra ise bu artış tepkimeleri durdurabilir.
• Fotosentezin ideal sıcaklık (optimum sıcaklık) derecesi 25-35⁰C arasıdır. 35⁰C'un üstüne çıktığında genellikle enzim yapısı bozulacağından fotosentez hızı düşer ve durur.

Grafik: Sıcaklığın Fotosentez Hızına Etkisi

 

6.Su miktarı:

• Fotosentezin ışığa bağımlı tepkimelerinde su, iyonlarına ayrılarak FSII için elektron, NADP⁺ için hidrojen ve atmosfer için oksijen kaynağı olur.
• Fotosentezde kullanılan CO₂ bitkiye stomalardan girer.
• Stomaların açılması da bitkideki su oranına bağlıdır. Ayrıca fotosentez enzimlerinin çalışması için su oranının belirli bir değerde olması gerekir.
• Bitkide su miktarı %15’in altına düşerse enzimler çalışmayacağı için fotosentez durur.

Grafik: Su Miktarının Fotosentez Hızına Etkisi

 

7.Mineraller:

• Mineraller hem biyokimyasal süreçlerde görev yapar hem de fotosentez elemanlarının yapısına katılır.

Örneğin Fe, ETS elemanlarından ferrodoksinin ve klorofil sentezini katalizyen bir enzimin yapısına katılır.

Mg klorofilin yapısında bulunur.

Mn, Ca, K ise fotosentezde rol oynayan bazı enzimlerin kofaktörüdür.

Minimum yasasına göre fotosentez hızını miktarı en düşük olan mineral belirler.

 

8.Ortamın pH değeri:

Fotosentez, özellikle ışığa bağımlı olmayan reaksiyonların enzimatik yönü yüksek olduğundan, enzimler de belirli pH aralıklarında çalıştıklarından dolayı ortam pH’ı fotosentez hızını etkiler.

 

B.Genetik Faktörler

1.Kloroplast Sayısı

• Fotosentez, kloroplastlarda gerçekleşir.
• Yapraktaki kloroplast ve klorofil miktarı arttıkça fotosentez hızı da artar.
• Koyu yeşil yapraklı bitkilerde kloroplast miktarı fazladır.
• Yaprakta fotosentezin en yoğun gerçekleştiği bölüm kloroplast ve klorofil miktarı en fazla olan palizat parankimasıdır.

 

2.Yaprak yapısı ve sayısı:

• Bitkideki yaprakların yüzey genişliği ve sayısı arttıkça fotosentez hızı da artar.
• Ayrıca yaprak konumu da fotosentez hızını etkiler. Aynı bitkinin doğrudan ışık alabilen yaprakları, ışığı tam alamayan alt kısımdaki yapraklara oranla daha hızlı fotosentez yapar.

 

3.Stoma sayısı, konumu ve büyüklüğü:

Stoma yaprakta gaz alışverişini sağlar. 

Stoma sayısı ne kadar fazla olursa bitki CO₂ den daha çok faydalanır.Bu durum da fotosentez hızını olumlu yönde etkiler.

Ayrıca stomaların yapısı,büyüklüğü ve dağılışı da fotosentez hızı üzerinde etkilidir.

Stomalar yüzeye yaklaştıkça gaz difüzyonu kollaylaşacağı için fotosentez hızını arttıracaktır. Nemli ortam bitkileri böyledir.

 

4.Epidermis ve kutikula kalınlığı:

• Yaprakların yüzeyini örten,  epidermis hücreleri tarafından salgılanan mumsu tabakaya kutikula denir.
• Epidermis ve kutikula kalınlaştıkça güneş ışığını daha az geçireceğinden fotosentez hızı yavaşlar.
• Kurak ortam bitkilerinde yaprak yüzeyi dar, stoma sayısı az ve kutikula tabakası kalındır.

 

 

 

5.Enzim miktarı:

• Fotosentezde özellikle ışığa bağımlı olmayan tepkimelerinde pek çok enzim görev yapmaktadır.
• Fotosentez enzimleri ne kadar fazla ise fotosentez de o derece hızlı gerçekleşir.

 

YAPAY IŞIKLANDIRMA

• Işığın fotosentez üzerindeki etkisi tarımsal ürün miktarını artırmada yapay ışık kullanımını gündeme getirmiştir.
• Işık şiddeti ve ışığın dalga boyu bitki gelişiminde oldukça önemlidir.
• Kış aylarındaki kısa günden ve ayrıca bulutlu gün sayısından kaynaklanan, doğal ışık miktarının azalmasından dolayı, bitkiler büyüme ve gelişmeleri için yeterli ışığı bulunmaz.
• Doğal ışığın azaldığı zamanlarda, azalan ışık miktarının yapay yoldan elektriksel yolla aydınlatma yaparak karşılanmasına "YAPAY IŞIKLANDIRMA" denir.

 

Resim: Mor ışık yayan LED (ışık yayan diyot) lambaları ile aydınlatılmış bir sera

Yapay ışıklandırma sera yetiştiriciliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır.Özellikle de mevsime bağlı olarak ışık yoğunluğunun azaldığı dönemlerde yapay ışıklandırmanın önemi büyüktür.

BİLGİ:

Yapay ışıklandırma bitki gelişiminin artırılması ve bitkilerin yetiştirilme mevsiminin uzatılması amacıyla kullanılmaktadır.

 

Yapay ışıklandırmada kullanılan yöntemler

1. Gün ışığına ilave ışık verilerek günlük ışık şiddetinin ve bitki için uygun ışık spektrumunun artırılmasıdır. Bunun için fotosentezde en etkili olan mavi, mor ve kırmızı ışık tercih edilmektedir.

2. Gün içinde ışık şiddeti yeterli olmuyorsa, gün boyunca ilave ışık verilerek, günlük ışık şiddeti arttırılır.

3. Bitkilere hem gün uzunluğunu arttıracak ve hem de ışık şiddetini yükseltecek, müşterek "gün uzunluğu ve ışık şiddeti" uygulamasıdır.

4.Fotoperiyodik ışıklandırma ise çiçeklenme gibi bitkisel tepkilerin bağlı olduğu ışık aralıklarına müdahale edilir.

 

Bugün yapay aydınlatma daha çok fide üretimi sırasında kullanılır.

Çok sayıda bitkinin bir araya getirilmesi, dar bir alanda daha az elektrik enerjisi kullanarak rasyonel bir ışıklandırma yapmayı mümkün kılar.

Fide üretimi dışında, nadide olan ve satışından büyük gelir elde edilen bazı çiçek ve sebze türlerine uzun gün uygulaması yapılabilmektedir.

 

CO₂  ZENGİNLEŞTİRME UYGULAMALARI

• Bitkilerin sera gibi kapalı ortamlarda yetiştirildiği durumlarda CO₂ miktarı azalarak ürün verimi düşebilir.
• Bitkilerin gece sadece solunum yapması sonucunda artan CO₂ miktarı gündüz fotosentezde kullanıldığından azalmaya başlar.
• Ayrıca sera koşullarında bitkiye verilen su ve mineral miktarı artırıldığında fotosentez hızının artması için ortamdaki CO₂ miktarının da artması gerekir. CO₂ zenginleştirme uygulamalarıyla ortamdaki CO₂ miktarı artırılarak bitki gelişimi ve böylece ürün miktarı artırılabilmektedir.

 

Seralarda kullanılan CO₂ kaynakları

1.Organik gübre kullanımı: 

Seralarda organik gübre kullanımı ortamdaki CO₂ miktarını artırır.

Organik gübrenin topraktaki mikroorganizmalar tarafından parçalanması sonucunda CO₂ açığa çıkacak ve havadaki CO₂ oranı yükselecektir.

 

2.Petrol, bütan, propan gazı, parafin gibi karbon içeriği zengin organik maddelerin yakılması:

Bu tür maddelerin yakılması, ortamdaki CO₂ oranı artırılabilmektedir. Ancak bu sırada ortaya çıkan kükürt ve sıcaklık artışı bitkiler için tehlikeli olabilir.

 

3.Sıvı ya da katı CO₂ kullanımı:

Sıvı ya da katı CO2 kaplar içerisinde ortama konularak CO₂ gazı çıkışı sağlanır.

 

4.Sera havalandırılmasının sabah geciktirilmesi:

Bitkiler geceleri sadece solunum yaptıklarından ortamdaki CO₂ miktarı artar.

Serayı havalandırmak için güneş doğduktan 1-2 saat sonrası beklendiğinde gece bitkilerin solunumları sonucunda artan CO₂’in dışarı kaçması engellenir. Çünkü bu süre içerisinde bitkiler ortamda birikmiş olan CO₂’i kullanabilecektir.  Böylece doğal yollarla oluşan CO₂’ten optimum düzeyde yararlanılmış olur.

 

5.Seralara ıslak saman balyalarının yerleştirilmesi:

Bu uygulama ile samandaki çürükçül bakterilerin ayrıştırma yapmaları sırasında açığa çıkan CO₂ fotosentezi arttıracak dolayısı ile ürün miktarında artış sağlanabilecektir.

 

 

FARKLI CANLILARDAKİ FOTOSENTEZ TEPKİME ÇEŞİTLERİ

• Birçok aşamada gerçekleşen ve karmaşık bir olay olan fotosentez genel bir kimyasal tepkime denklemiyle aşağıdaki şekilde özetlenebilir:

• Su, eşitliğin her iki tarafında da yer alır; çünkü 12 molekül su tüketilirken fotosentez sırasında 6 molekül su yeniden oluşur. Eşitlik sadece net su tüketimini gösterecek şekilde sadeleştirilebilir.

· Tepkimeyi 6 ile sadeleştirirsek fotosentez tepkimesi şu şekilde ifade edilebilir:

(Buradaki  (CH₂O) gerçek bir şeker olmayıp bir karbonhidratın genel formülünü göstermektedir.)
 

• Uzun yıllar bitkilerin fotosentezi sonucunda atmosfere verilen O₂'in kaynağının CO₂'ten geldiği düşünülüyordu. Ancak 1930'larda C.B. Van Niel (Von Niel) tarafından O₂'in kaynağının su olduğu ileri sürülmüştür. Van Niel, CO₂ kullanarak kendi besinini oluşturan ancak atmosfere O₂ vermeyen bakteriler üzerinde çalışma yapmıştır. Yapmış olduğu araştırmalarda en azından bakterilerde CO₂'in karbon ve oksijene ayrışmadığı sonucuna varmıştır.

 
Fotosentez tepkimeleri kullanılan hidrojen kaynağına göre  farklı biçimde gerçekleşir:
 
1. Bitkiler (Tam parazit bitkiler hariç. Bu bitkiler fotosentez yapmaz), algler, öglena ve siyanobakteriler fotosentez sırasında H₂O kullanır ve yan ürün olarak O₂ üretir.

2.Mor sülfür bakterileri (fotosentetik bakteridir) fotosentez sırasında hidrojen kaynağı olarak H₂S kullanır ve yan ürün olarak kükürt üretir.

• 1937 yılında O₂'in kaynağının su olduğu Robert Hill (Rabırt Hil) tarafından ispatlanmıştır. Ayrıca yeşil alg çeşidiyle yapılan deneyde yeşil algin ortamında ağır oksijenli (O₁₈) H₂O molekülleri ile normal CO₂ bulunduğunda fotosentez sonucu çıkan oksijenin ağır oksijen olduğu ve O₂'in H₂O'dan geldiği görülmüştür.

Bütün fotosentez tepkimelerinin ortak özellikleri:

• Işık enerjisi kullanılır.
• Klorofil görev yapar.
• CO₂ indirgenir (=özümlenir, =kullanılır.)
• İnorganiklerden organik besin sentezlenir.
• Glikoz ve su oluşur.
• Enzimatik tepkimelerdir.
• Fotofosforilasyon ile ATP üretilir.
• ETS görev yapar.
• Hidrojen ve elektron kaynağı kullanılır.

 

Bakteri fotosentezi ile bitki fotosentezinin farkları

Bakteri fotosentezi	Bitki fotosentezi
Hidrojen ve elektron kaynağı olarak H2O, H2S ve H2 kullanılır.	Hidrojen ve elektron kaynağı olarak H2O kullanılır.
Fotosentetik pigmentler, sitoplazmik zarın içeriye doğru girinti yapmasıyla oluşan iç zar sistemlerine kaynaşırlar.	Fotosentetik pigmentlerin tamamı, tilakoit zarda bulunur
Yan ürün olarak O2, S oluşur.	Yan ürün olarak sadece O2 oluşur.
ETS elemanları hücre zarında bulunur.	ETS elemanları kloroplastların tilakoit zarlarında bulunur.

                                                                                              

 

KEMOSENTEZ

• Klorofiil bulunmayan prokaryot hücre yapısına sahip olan bazı bakteri ve arkelerin inorganik maddelerin oksidasyonu ile açığa çıkan kimyasal enerjiyi kullanarak organik madde sentezlemesi olayına kemosentez, bu olayı gerçekleştiren canlılara da kemoototrof canlılar denir.
• Mesela azot, kükürt, demir ve hidrojen bakterileri klorofile sahip olmadıkları halde kemosentez sayesinde ototrofturlar.

 

BİLGİ:

Elektronların bir atomdan ya da molekülden ayrılmasını sağlayan kimyasal tepkimelere oksidasyon denir.

• Kemosentez sırasında enerji kaynağı olarak (oksitlemede) kullanılan inorganik maddeler:

Amonyak (NH₃), Demir (Fe²⁺), nitrit (NO^-₂), hidrojen gazı (H₂), hidrojen sülfür (H₂S) ve sülfür (S₂) amonyum (NH⁴⁺) gibi inorganiklerdir.

 

BİLGİ:

Eğer bir canlı kemosentez yapabiliyorsa; kesinlikle prokaryot, tek hücreli, hücre bölünmesi ile büyümeyen, ancak çoğalan bir canlıdır diyebiliriz.

 

Kemosentez iki reaksiyon basamağından oluşur.

I. aşama ile kimyasal enerji kazanılır.

II. aşmada ise bu kimyasal enerji ile besin sentezlenir.

Farklı Kemosentez Mekanizmaları
1. Azot bakterilerinin kemosentezi

• Azot, tüm canlıların gereksinim duyduğu ana elementlerden biridir.· Toprakta azot genellikle NH₃ (amonyak), NH₄⁺(amonyum),  NO₂^- (nitrit) ya da NO₃^- (nitrat) bileşikleri şeklinde
  bulunur.
• Bitki ve hayvanların azotlu organik atıkları çürükçül (saprofit) organizmalar tarafından parçalanarak amonyak (NH₃) açığa çıkarılır. Bu olaya pütrifikasyon (çürüme) denir. (Bu olay kemosentez tepkimesi değildir) bulunur.

• Bitki ve hayvanların azotlu organik atıkları çürükçül (saprofit) organizmalar tarafından parçalanarak amonyak (NH₃) açığa çıkarılır. Bu olaya pütrifikasyon (çürüme) denir. (Bu olay kemosentez tepkimesi değildir)

• Ancak amonyaktaki azot, bitkiler tarafından doğrudan kullanılamaz.
• Bitkiler azotu topraktan kökleriyle nitrat (NO^-₃) ve amonyum (NH₄⁺) şeklinde alır. Ayrıştırıcı mikroorganizmalar tarafından üretilen NH₃ ın bir kısmı topraktan H⁺ alıp amonyum (NH₄) formuna dönüşerek bitkiler tarafından alınırken bir kısım amonyak (NH₃) ise nitrit bakterileri tarafından önce nitrite, daha sonra oluşan bu nitrit, nitrat bakterileri tarafından nitrata dönüştürülür. Bu olaya nitrifikasyon denir.
• Nitrifikasyon olayı ile hem kimyassal enerji üretilir hem de amonyak bitkilerin alabileceği nitrata dönüştürülmüş olur.
• Nitrifikasyon olayında açığa çıkan elektronlar ETS'den geçirilir ve ATP üretir. Bu ATP'nin bir kısmı NADPH oluşumunda kullanılır. Sonuçta ATP ve NADPH kullanarak CO₂ ve H₂O'yu glikoza dönüştürür.

 

BİLGİ:

Kemosentez sonucunda üretilen oksijen, atmosfere verilmez. Yine kemosentetik canlılar tarafından oksidasyonda kullanılır. Dolayısı ile kemosentetik canlıların atmosfer oksijeninin dengelenmesi noktasında bir katkıları yoktur.

 

2.Kükürt bakterilerinin kemosentezi:

• Kükürt bakterileri H₂S gibi kükürtlü bileşikleri oksitleyerek kimyasal enerji elde eder ve tepkime sonunda açığa çıkan enerji CO₂ ve H₂O'nun glukoza dönüştürülmesinde kullanılır.

BİLGİ:

H₂S bir çok canlılar için zehirlidir. Kükürt bakterilerinin H₂S’i oksitlemeleri, kendileri için enerji sağlamasından başka, ortamdaki diğer canlılar için de onu zararsız hale getirme görevi yaparlar.

 

•  Arkeler içerisinde de kemosentez yapan türler vardır. Örneğin termal kaynaklarda ya da volkanik kaynak sularında yaşayan bazı kemosentetik arkeler hidrojen sülfürü enerji kaynağı olarak kullanırlar.

 

BİLGİ:

Hidrojen sülfürü (H2S), fotosentetik bakteriler (sülfür bakterileri) hidrojen kaynağı, kemosentetik bakteriler (Kükürt bakterileri) ise enerji kaynağı olarak kullanır.

 

3. Kemosentez yapan demir bakterileri

Fe⁺² iyonunu Fe⁺³ iyonuna oksitler. Bu sırada açığa çıkan enerji ile besin üretilir.

 

4. Bazı arkelerin kemosentezi:

Kemoototrof olan bazı arkeler çürümekte olan maddeler üzerinde, bataklık gibi oksijeni az olan ortamlarda metan gazı üretir. Bu arkelere metanojenler denir.

• Metanojenler metan gazı üretiminde açığa çıkan enerji ile besin üretir.
• Bazı bakteriler de metan gazını oksitiyerek organik besin üretmek için gerekli enerjiyi sağlar.

KEMOSENTEZİN ÖNEMİ

1. Kemosentez, amonyak (NH₃),hidrojen sülfür (H₂S) gibi işe yaramaz gibi görünen,biriktiğinde çevre kirliliğine neden olan zararlı zehirli maddeleri işe yarar ve hale getirir.

2. Azotlu bileşikleri bitkilerin alabileceği azot tuzlarına dönüştürür.

3. Başta azot döngüsü olmak üzere doğadaki madde döngülerinde önemli bir role sahiptir.

4. Kemosentetik bakteriler kemosentez ile kendi besinini üretirken azotlu bileşiklerin toprakta tutulmasını sağlar.

5. Doğadaki biyolojik dengenin korunmasında önemli bir role sahiptir.

KEMOSENTEZİN ENDÜSTRÜYEL ALANDA KULLANIMI

1. Kemosentetik mikroorganizmalar uranyum, altın ve bakır gibi madenlerin cevherlerinden ayrıştırılması (biyomadencilik) işlemlerinde de kullanılmaktadır

2. Atık suların arıtılması sürecinde açığa çıkan çamura kemosentetik bakteriler ve arkeler ilave edilerek bu atıkların gübre olarak kullanılabilecek düzeye kadar parçalanması sağlanır.

3. Petrol ile kirlenen su kıyılarına gübre püskürtülerek kemosentetik bakterilerin çoğalması, dolayısıyla petrolün parçalanması hızlandırılabilmektedir.

4. Altın, özel tanklar içerisinde kemosentetik bakteriler yardımıyla cevherlerinden ayrıştırılır.

5. Endüstriyel alanda metanojenlerden; çöplerin ayrıştırılmasında, biyoyakıt ve gübre gibi ürünlerin elde edilmesinde yararlanılır. Organik maddelerin oksijensiz ortamda çürümesiyle biyogaz denilen ve aralarında yüksek oranda metan gazı bulunan bir gaz karışımı elde edilir. Bu gaz metanojenler tarafından üretilir. Metan gazından, arıtma sistemlerinde ve sanayide enerji kaynağı olarak yararlanılmaktadır.

6. Biyogaz üretimi sırasında oluşan amonyak ve fosfatça zengin yan ürünler de toprak gübresi ile hayvan yemi olarak kullanılır.

FOTOSENTEZ ve KEMOSENTEZİN ORTAK ÖZELLİKLERİ

1. İnorganik maddelerden organik madde sentezlenir.

2. CO₂ tüketilir. (CO₂ özümlemesi yapılır.)

3. ATP sentezlenir, harcanır.

4. Enzimatik reaksiyonlarla gerçekleşir.

5. ETS görev yapar. NADP⁺ indirgenir.

6. Oksijensiz ortamlarda gerçekleşebilirler.

7. Hidrojen kaynağı kullanılır.

FOTOSENTEZ-KEMOSENTEZ KARŞILAŞTIRMASI

FOTOSENTEZ	KEMOSENTEZ
Klorofili bulunan canlılar yapar.	Sadece bazı bakteriler ve arkebakteriler yapar.
Prokaryot ve ökaryot canlılar yapabilir.	Sadece prokaryot canlılardan bazıları yapar.
Işık enerjisi kullanılır	Kimyasal enerji kullanılır.
Enerji kaynağı güneş	Enerji kaynağı Fe2+, NO-2, H2S ve S2 gibi inorganiklerdir.
Fotofosforilasyon ile ATP üretilir.	Oksidatif fosforilasyon ile ATP üretilir.
Hidrojen kaynağı olarak H2O, H2S veya H2 kullanılır.	Hidrojen kaynağı olarak H2O kullanılır.
Doğal şartlarda gündüz gerçekleşir.	Doğal şartlarda gece ve gündüz gerçekleşebilir.
Klorofil gereklidir.	Klorofile gerek yoktur.
O2 üretilebilir.	O2 hem üretilebilir hem de tüketilebilir.
Atmosfere O2 verilebilir.	Atmosfere O2 verilmez.

 

BİLGİ:

• Kemoototroflar karbon kaynağı olarak sadece CO₂'e gereksinim duyarlarken, enerji kaynağı olarak, ışık yerine inorganik bileşiklerin oksidasyonunu kullanırlar. Kimyasal enerji, hidrojen sülfür (H₂S), amonyak (NH₃), demir iyonlan (Fe²⁺) ve diğer bazı kimyasallardan, türe göre değişen şekilde, sağlanır. Bu tip beslenme, bazı prokaryotlar için tipiktir. Enerjilerini taşların içindeki minerallerden sağlayan bazı türler, dünyanın en önemli heykellerini yiyerek aşındırmaktadırlar.
• Kemoheterotroflar, enerji ve karbon için organik bileşikleri kullanmak zorundadırlar. Bu beslenme tipi, prokaryorlar, protistler, mantarlar, hayvanlar ve hatta bazı parazit bitkilerde gözlenir.
• Fotoheterotroflar, ATP sentezi için ışığı kullanabilmekte; fakat karbonu organik olarak sağlamak zorundadırlar. Bu tip beslenme, bazı prokaryodarla sınırlıdır.

 

 

SORULAR

SORU 1

SORU 2

SORU 3

SORU 4

SORU 5

SORU 6

SORU 7

SORU 8

SORU 9

SORU 10

SORU 11

SORU 12

SORU 13

SORU 14

SORU 15

SORU 16

SORU 17

SORU 18

SORU 19

SORU 20

SORU 21

SORU 22

SORU 23

SORU 24