Sözlükte Fotosentez Nedir:
Fotosentez en basit anlatımıyla bitkilerin nefes alıp vermesi, yada bitkilerin karbondioksiti emip yerine oksijen üretmesidir. Bitkiler organik maddelerle beslenmektedir. Tüm bitkiler kendi besinlerini kendileri üretirler. Bu organik maddeleri, üretmek için gerçekleştirdikleri işlemede “FOTOSENTEZ” adı verilir. Fotosentez, bitkileri diğer canlılardan ayıran en önemli özelliktir. Fotosentez işlemi, bitkilerin yapraklarında bulunan “klorofil” adını verdiğimiz yeşil pigmentlerdir. Klorofil, bitkilerin güneş enerjisini emmesinde çok önemli rol oynamaktadır. Çünkü, fotosentez olayının başlangıcı için, güneş enerjisine ihtiyaç duyulur. Bitki hücrelerini, insan ve hayvan hücrelerinden ayıran en büyük özellik ise, hücrelerin güneş enerjisini direk olarak kullanabilen yapıda olmasıdır. Bu hücreler sayesinde, bitkiler güneş enerjisini, besin enerjisine çevirirler ve kendi bünyelerinde depolarlar. Fotosentez olayının gerçekleşmesi için, ışık ve ısı temel şarttır. Bu yüzden hiçbir bitki ışık (güneş) olmadan yaşayamaz. Çünkü fotosentez yapamayacakları için, kendi besinlerini üretemezler. Güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren bitkiler, bunu nişasta olarak depolarlar. Nişasta çok büyük bir enerji kaynağıdır. Ve bitkiler bu enerjiyi, büyümek ve gelişmek için kullanırlar. Fotosentez olayı kısaca şu şekilde formülize edilebilir; Güneş Enerjisi + Karbondioksit + Su = Glikoz (şeker) Buradan da açıkça anlaşılacağı gibi, Fotosentez olayı bitkiler için ne kadar gerekli ise, dünyada yaşayan tüm canlılar için o kadar gereklidir. Çünkü bitkiler, besin üretmek için karbondioksit kullanırlar. Yani bizim soluduğumuz havayı temizlerler. Evrende her şey inanılmaz bir zincir şeklinde birbirine bağlıdır. Ne insanlar bitkiler olmadan yaşayabilir, nede hayvanlar. Bitki yoksa, hayatta yoktur. Aşağıda gördüğünüz resimde fotosentez olayı çok güzel bir biçimde açıklanmıştır. Fotosentezin Önemi: Fotosentez, ışık enerjisini kimyasal bağ enerjisine dönüştürerek ilk basamaktaki organik madde üretimini sağlayan mekanizmadır. Bitkiler besin zincirinin ilk halkasını oluşturduğundan, diğer tüm canlıların var olabilmesi ve yaşamlarını sürdürebilmeleri için gerekli enerji fotosentez olayı sırasında elde edilir. Fotosentezle havanın CO2 ve O2 dengesi korunmaktadır. Fotosenteze ilişkin bulgular, her yeşil bitkinin organik madde üreten bir fabrika olduğu, bu süreçte güneş enerjisini kullanan aygıtların kloroplastlar olduğunu göstermiştir. Yeryüzüne ulaşan güneş ışınlarının yalnızca yarısı fotosentezde kullanılmaktadır. Bu konuda yapılan Fotosentezde görev alan pigmentler: Fotosentezde en önemli olgu güneş enerjisini yakalayıp onu kimyasala bağ enerjisine dönüştürebilme yeteneğidir. Bu işlevi bitkilerin kloroplastlarında veya kromatoforlarında bulunan pigmentler yapmaktadır. Bunların başlıcaları şöyledir: ◦Klorofiller ◦Karotenoidler ◦Fikobilinler FOTOSENTEZİN AŞAMALARI Bilim adamları kloroplastların içinde gerçekleşen fotosentez olayını uzun bir kimyasal reaksiyon zinciri olarak tanımlamaktadırlar. Ancak, önceki sayfalarda da belirtildiği gibi, bu reaksiyonun olağanüstü hızlı gerçekleşmesi nedeniyle, bazı aşamaların neler olduğunu tespit edememektedirler. Anlaşılabilen en açık nokta, fotosentezin iki aşamada meydana geldiğidir. Bu aşamalar "aydınlık evre" ve "karanlık evre" olarak adlandırılır. Sadece ışık olduğu zaman meydana gelen aydınlık evrede fotosentez yapan pigmentler güneş ışığını emerler ve sudaki hidrojeni kullanarak kimyasal enerjiye dönüştürürler. Açıkta kalan oksijeni de havaya geri verirler. Işığa ihtiyaç duymayan karanlık evrede, elde edilen kimyasal enerji şeker gibi organik maddelerin üretilmesi için kullanılır. 1. AYDINLIK EVRE Fotosentezin ilk aşaması olan aydınlık evrede, yakıt olarak kullanılacak olan NADPH ve ATP ürünleri elde edilir. Fotosentezin ilk aşamasında görev yapan ve ışığı tutmakla görevli olan anten grupları büyük bir öneme sahiptirler. Daha önce de gördüğümüz gibi, kloroplastın bu görev için tasarlanmış bir parçası olan bu antenler, klorofil gibi pigmentlerden, protein ve yağdan oluşur ve "fotosistem" adını alır. Kloroplastın içinde iki adet fotosistem vardır. Bunlar 680 nanometre ve altında dalga boyundaki ışıkla uyarılan Fotosistem II ve 700 nanometre ve üstünde dalga boyuyla uyarılan Fotosistem I'dir. Fotosistemlerin içinde ışığın belirli bir dalga boyunu yakalayan klorofil molekülleri de P680 ve P700 olarak adlandırılmışlardır. Işığın etkisiyle başlayan reaksiyonlar bu fotosistemlerin içinde gerçekleşir. İki fotosistem, yakaladıkları ışık enerjisiyle farklı işlemler yapmalarına rağmen, iki sistemin işlemi tek bir reaksiyon zincirinin farklı halkalarını oluşturur ve birbirlerini tamamlarlar. Fotosistem II tarafından yakalanan enerji, su moleküllerini parçalayarak, hidrojen ve oksijenin serbest kalmasını sağlar. Fotosistem I ise NADP'nin hidrojenle indirgenmesini sağlar. Bu üç aşamalı zincirde ilk olarak suyun elektronları Fotosistem II'ye, daha sonra Fotosistem II'den Fotosistem I'e son olarak da NADP'ye taşınır. Bu zincirin ilk aşaması çok önemlidir. Bu süreçte tek bir fotonun (ışık parçası) bitkiye çarptığı anda meydana gelen olaylar zincirini inceleyelim. Söz konusu foton bitkiye çarptığı anda, kimyasal bir reaksiyon başlatır. Fotositem II'nin reaksiyon merkezinde bulunan klorofil pigmentine ulaşır ve bu molekülün elektronlarından birini uyararak daha yüksek bir enerji seviyesine çıkartır. Elektronlar, atom çekirdeğinin etrafında belirli bir yörüngede dönen ve çok az miktarda elektrik yükü taşıyan son derece küçük parçacıklardır. Işık enerjisi, klorofil ve diğer ışık yakalayan pigmentlerdeki elektronları iterek yörüngelerinden çıkartır. Bu başlangıç reaksiyonu fotosentezin geri kalan aşamalarını devreye sokar; elektronlar bu sırada saniyenin milyonda biri kadar bir zamanda yankılanma veya sallamadan kaynaklanan bir enerji verirler. İşte ortaya çıkan bu enerji, bir sıra halinde dizili bulunan pigment moleküllerinin birinden diğerine doğru akar. Bu aşamada, bir elektronunu kaybeden klorofil, pozitif elektrik yüklü hale gelir, elektronu kabul eden alıcı molekül ise negatif yük taşımaktadır. Elektronlar, elektron transfer zinciri adı verilen ve taşıyıcı moleküllerden oluşan bir zincire geçmiş olur. Elektronlar bir taşıyıcı molekülden diğerine, aşağı doğru ilerlerler. Her elektron taşıyıcısı bir öncekinden daha düşük bir enerji seviyesine sahiptir, sonuç olarak elektronlar zincir boyunca bir molekülden diğerine akarken kademeli olarak enerjilerini serbest bırakırlar. Sistemin çalışabilmesi için suyun, tilakoidlerin iç tarafındaki alanda parçalanması gerekmektedir. Bu sayede elektronlarını zar boyunca ileterek stromaya ulaştıracak ve orada NADP+'ye (nikotinamid adenin dinükleotid fosfat fotosentez sırasında, Fotosistem I için elektron alan yüksek enerji yüklü bir molekül) indirgenecektir Ancak su kolay kolay parçalanmadığı için bu bölgede güçlü bir organizasyon ve işbirliğine ihtiyaç vardır. Bu işlem için gerekli olan enerji, yol boyunca iki noktada devreye giren güneş enerjisinden sağlanır. Bu aşamada suyun elektronları iki fotosistemden de birer "itme" hareketine maruz kalırlar. Her bir itişin ardından, elektron taşıma sisteminin bir hattından geçerler ve bir parça enerji kaybederler. Bu kaybedilen enerji fotosentezi beslemek için kullanılır. 1.1. FOTOSİSTEM I VE NADPH OLUŞUMU Fotosistem I'e çarpan bir foton, P700 klorofilinin bir elektronunu daha yüksek bir enerji seviyesine çıkartır. Bu elektron, elektron taşıma sisteminin NADPH hattı tarafından kabul edilir. Bu enerjinin bir kısmı, stromadaki NADP+'nın NADPH'ye indirgenmesi için kullanılır. Bu işlemde NADP+ iki elektron kabul ederek sistemden çıkar ve stromadan bir hidrojen iyonu alır. 1.2. FOTOSİSTEM 2 – FOTOSİSTEM 1 Elektronun yörüngesinden çıkması, elektron alıcısına ulaşması ve bunu takip eden birçok işlem, fotosentez için gerekli olan enerjiyi sağlar. Fakat bu işlemin bir defa gerçekleşmesi tek başına yeterli değildir. Fotosentezin devamı için bu işlemin, her an, tekrar tekrar gerçekleşmesi gerekmektedir. Bu durumda ortaya büyük bir sorun çıkmaktadır. İlk elektron yörüngesinden çıktığı zaman, onun yeri boş kalmıştır. Buraya yeni bir elektron yerleştirilmeli, sonra gelen foton bu elektrona çarpmalı, yerinden fırlayan elektron alıcı tarafından yakalanmalıdır. Her defasında da fotonu karşılayacak bir elektrona ihtiyaç vardır. Bu aşamada P700'ün kaybettiği elektronun yerine yenisi konur ve stromada bulunan hidrojen iyonu (H+) tilakoidin içine taşınır. Bir foton Fotosistem II'de P680'in bir elektronuna çarparak enerji seviyesini arttırır. Bu elektron diğer elektron taşıma sistemine geçer ve Fotosistem I'de P700'e kadar ulaşarak kaybedilen elektronun yerini alır. Elektron bu taşıma zinciri boyunca hareket ederken, fotondan aldığı enerji, hidrojen iyonunun stromadan, tilakoidin içine taşınması için kullanılır. Bu hidrojen daha sonra ATP üretiminde kullanılacaktır. Bütün canlıların hayatta kalmak için kullandıkları yakıt olan ATP, ADP'ye (adenozin difosfat – canlılarda bulunan bir kimyasal) bir fosfor atomu eklenmesiyle elde edilir. Sonuçta elektron, elektron transferini gerçekleştiren taşıyıcı moleküller, Fotosistem II'nin elektronlarını Fotosistem I'e ulaştırarak, P700'ün elektron ihtiyacını karşılar ve sistem mükemmel bir şekilde işlemeye devam eder. 1.3. SU-FOTOSİSTEM 2 Ancak bu karmaşık tablo burada bitmez. Elektronlarını P700'e veren P680 bu aşamada elektronsuz kalmıştır. Ancak onun ihtiyacı olan elektronun karşılanması için de ayrı bir sistem kurulmuştur. P680'in elektronları, köklerden yapraklara taşınan suyun, hidrojen, oksijen iyonları ve elektronlar şeklinde parçalanmasıyla elde edilecektir. Sudan gelen elektronlar Fotosistem II'ye akarak P680'nin eksik elektronlarını tamamlarlar. Hidrojen iyonlarının bazıları, elektron taşıma zincirinin sonunda NADPH üretmek için kullanılır, oksijen ise serbest kalarak atmosfere geri döner. Bu kompleks ve üstün tasarım sayesinde kloroplast ve hücrelerin zararlı miktardaki ısı artışından korunması sağlanmış, ayrıca bitkinin NADPH ve ATP gibi asıl ürünleri oluşturması için gerekli olan vakit kazanılmış olmaktadır. Fotosentezin ilk aşaması olan aydınlık evre, bu kadar üstün sistemlerle çalışmasına rağmen aslında bir hazırlık aşamasıdır. Bu aşamada üretilen yakıt niteliğindeki maddeler asıl işlemlerin gerçekleştiği karanlık evrede kullanılacak, böylece bu tasarım harikası sistem tamamlanacaktır. 2. KARANLIK EVRE Aydınlık evre sonucunda ortaya çıkan enerji yüklü ATP ve NADPH molekülleri, karanlık evrede kullanılan karbondioksiti, şeker ve nişasta gibi besin maddelerine dönüştürürler. Karanlık evre dairesel bir reaksiyondur. Bu devre, sürecin devam edebilmesi için reaksiyonun sonunda yeniden üretilmesi gereken bir molekülle başlar. Kelvin devri de denilen bu reaksiyonda NADPH'yle bitişik olan elektronlar ve hidrojen iyonları ve ATP'yle bitişik olan fosfor kullanılarak glikoz üretilir. Bu işlemler kloroplastın "stroma" diye adlandırılan sıvı bölgelerinde gerçekleşir ve her aşama farklı bir enzim tarafından kontrol edilir. Karanlık evre reaksiyonu gözenekler yoluyla yaprağın içine girerek stromada dağılan karbondiokside ihtiyaç duyar. Bu karbondioksit molekülleri stromada, 5-RuBP adı verilen şeker moleküllerine bağlandıklarında dengesiz 6-karbon molekülü oluştururlar ve böylece karanlık evre başlamış olur. Kelvin dairesel reaksiyonunu inceleyelim: Karbondioksitin stromaya girmesiyle Kelvin devri başlar. (1) Karbon molekülleri, 5-RuBP adı verilen şeker moleküllerine bağlandıklarında dengesiz 6-karbon molekülü oluştururlar. (2) Bu 6-karbon molekülü hemen ayrılır ve ortaya iki tane 3-fosfogliserat (3PG) molekülü çıkar. (3) Her iki moleküle de ATP tarafından fosfat eklenir ve bu işleme fosforilasyon denir. Fosforilasyon sonucunda iki bifosfogliserat (BPG) molekülü oluşur. (4) Bunlar NADPH tarafından parçalanır ve ortaya iki gliseral-3-fosfat (G3P) molekülü çıkar. (5) Bu son ürünün bir kısmı kloroplastı terk ederek sitoplazmaya gider ve glikoz üretimine katılır. (7-8) Diğer kısmı ise Kelvin devrine devam eder ve tekrar fosforilasyona uğrar. Böylece devrin en başındaki 5-RuBP molekülüne dönüşür. Bu 6-karbon molekülü hemen ayrılır ve ortaya iki tane 3-fosfogliserat (3PG)molekülü çıkar. Her iki moleküle de ATP tarafından fosfat eklenir ve bu işleme fosforilasyon denir. (bkz. yukarıdaki şekil, 2. aşama) Fosforilasyon sonucunda iki bifosfogliserat (BPG) molekülü oluşur. Bunlar NADPH tarafından parçalanır ve ortaya iki gliseral-3-fosfat (G3P) molekülü çıkar. (bkz. yukarıdaki şekil, 3-4. aşamalar) Bu son ürün artık kavşak noktasındadır ve bir kısmı sitoplazmaya giderek glikoz üretimine katılmak için kloroplastı terk eder. (bkz. yukarıdaki şekil, 5. aşama) Diğer kısmı ise Kelvin devrine devam eder ve tekrar fosforilasyona uğrar. Böylece devrin en başındaki 5-RuBP molekülüne dönüşür. (bkz. yukarıdaki şekil, 7-8. aşamalar) Bir glikoz molekülü oluşturmak için gerekli olan G3P molekülünün üretilebilmesi için bu devrin 6 kez tekrarlanması gerekir. Fotosentezin her aşamasında olduğu gibi bu aşamasında da enzimler önemli görevler üstlenmişlerdir. Bu enzimlerin ne kadar hayati öneme sahip olduklarını anlamak için bir örnek verelim. Fotosentezin özellikle bu aşamasında etkili olan karboksidismütaz (ribuloz 1,5 difostaz karboksilaz) adlı enzim 0,00000001 milimetre (milimetrenin yüzmilyonda biri) büyüklüğünde olmasına rağmen asitleri ayrıştırır, oksitleme işlerini katalize eder. Bu ne işe yarar? Eğer karbonhidratlar (trioz-heksoz moleküller) hücre içinde belirli bir oranda ve belirli bir yapıda depolanmazlarsa, hücre içi basıncı artırır ve en sonunda hücrenin parçalanmasına yol açarlar. Bu yüzden bu depolama, sıvılardan kaynaklanan iç basıncı etkilemeyen nişasta makromolekülleri şeklinde gerçekleşir. Bu ise enzimlerin 24 saat boyunca yaptıkları sıradan işlerden biridir. Daha önce de belirtildiği gibi geriye kalan 5 RuBP molekülü ise sistemi yeniden başlatmak için gerekli olan madde ihtiyacını karşılayarak, kesintisiz bir reaksiyon zincirinin kurulmasını sağlamış olur. Karbondioksit, ATP ve NADPH mevcut olduğu sürece bu reaksiyon bütün kloroplastlarda devamlı olarak tekrarlanır. Bu reaksiyon sırasında üretilen binlerce glikoz molekülü bitki tarafından oksijenli solunum ve yapısal malzeme olarak kullanılır ya da depolanır. 3. ATP (ADENOZİN-TRİFOSFAT NEDİR? Hücre içinde bulunan çok işlevli bir nükleotittir. İngilizce Adenosine Triphosphate'dan ATP olarak kısaltılır, en önemli işlevi hücre içi biyokimyasal reaksiyonlar için gereken kimyasal enerjiyi taşımaktır. Fotosentez ve hücre solunumu (respirasyonu) sırasında oluşur. ATP, bunun yanısıra RNA sentezinde gereken dört monomerden biridir. Ayrıca ATP, hücre içi sinyal iletiminde protein kinaz reaksiyonu için gereken fosfatın kaynağıdır. Not: ATP ile yaşayan bir organizma olduğunu düşündüğüm ufonun (İngilizce de critter deniyor) heryerinde, makinenin çalışmasını sağlayan sinyallerin aktarıldığını düşünmekteyim. Kimyasal Özellikleri ATP, adenozin ve üç fosfat grubundan oluşur. Adenozinden itibaren sayınca ikinci ve üçüncü fosfat grupları arasındaki bağın enerjisi çok yüksektir. Bu bağın kırılmasıyla ATP, ADP'ye dönüştüğü zaman meydan gelen enerji değişimi, hücre içinde -12 kCal/mol, labortuvar şartlarında ise -7,3 kcal/mol'dür. Açığa çıkan bu büyük enerji miktarı, biyokimyasal reaksiyonlarda ATP'nin bir kimyasal enerji deposu olarak kullanılmasına yarar. 4. FOSFOR NEDİR? NERELERDE KULLANILIR? Fotosentez işlemi sırasında da ATP’de kullanılan fosfat, yapay gübre ve bazı ilaçların yapımında kullanılan fosforik asidin tuzu veya esterine deniyor.Atom numarası 15, atom ağırlığı 30.97 olan fosfor, periyodik tablonun 5. grubunda bulunmaktadır. Oksijene olan afinitesinin çok yüksek olması nedeniyle litofil bir elementtir. Ayrıca C, H, N, O gibi canlı bünyelerin önemli bir yapı elementi olması nedeniyle de biyolojik önemi vardır. Bu nedenlerle tabiatta asla serbest halde bulunmaz; fosforik asidin tuzu ve esterleri alinde bulunur. Çabuk alev alan, karanlıkta parlayan basit cisimdir. Yunanca «phos», ışık ve «phoros», taşıyan sözcüklerinden. Beyaz fosfor, çok şiddetli bir zehirdir; balmumu gibi yumuşak olan bu madde suda erimez ve açıkhavada öylesine çabuk alev alır ki, su içinde saklamak zorunluluğu vardır. Kırmızı fosfor, beyaz fosforun ısıtılmasıyla elde edilir. Daha az tehlikeli olduğundan kibrit ve havai fişek yapımında kullanılır. Canlı organizmaların işlemesinde önemli bir rol oynayan fosfor, özellikle kemiklerde, sinir dokusunda ve beyinde bulunur. Fosforun eczacılık, metalürji, tıp ve nükleer fizik alanlarında kullanımı daha sonra başladı. Fosforışı (Fosforesans) Beyaz fosfor havada bırakılacak olursa, hafif bir mavi ışık çıkartır. Bu olay, oksijenden hemen etkilenen fosforun, ışık çıkartarak ağır ağır yanmasından ileri gelir: fosforışı denilen işte budur. Bu terim, yaygınlaştırılarak, zayıf bir ışık çıkartan bütün cisimler (hattâ suyosunları, deniz anaları ve ateşböcekleri) için kullanılmıştır. Günümüzde floresan lambaların içinde kullanılan fosfor, gaz sayesinde olur.içinde bulunan civa gazının Flamanlarca ısıtılarak buharlaştırılması sonucu oluşan gözle görülmez ışımanın camın iç yüzeyine kaplanmış olan floresan adı verilen madde sayesinde parlak, gözle görülebilir bir ışık üretiyor. Floresan lambalarda, elektrik düğmesine basıldığında, trans-formerden geçen elektrik, tüpün bir ucundaki elektrottan diğerine bir ark oluşturur. Bu arkın enerjisi tüpün içindeki cıvayı bu-harlaştırır. Bu buhar elektrik yüklenerek gözle görülmeyen ült-raviyole ışınları saçmaya başlar. Bu ışınlar da tüpün iç yüzeyine kaplanmış olan fosfor tozlarına çarparak görülen parlak ışığı oluşturur.18 Watt'lık bir floresan lamba, 75 Watt'lık bir ampul kadar ışık verebilir. Yani floresanlar daha az enerji harcayıp, daha çok ışık verirler, yaklaşık yüzde 75 enerji tasarrufu sağlarlar. Işık tek bir noktadan değil de tüpün her tarafından geldiği için daha fazla dağılır. Mavimsi ışıkları daha yumuşaktır ve gözleri yormaz. İleride fosforun ve floresan lambanın ufolarla ne gibi bir ilgisi olduğu üzerinde teoriler yapacağız.