Fotosentez

Vikipedi, özgür ansiklopedi

Yaprak, bitkilerde fotosentezin gerçekleştiği başlıca yerdir.

Fotosentez, klorofil (kromozomlarda) taşıyan canlılarda ışık enerjisi kullanılarak organik bileşiklerin üretilmesi olayıdır. Bu yolla besin üreten canlıların tümüne fotosentetik organizmalar denir ve bunların büyük çoğunluğunu bitkiler oluştururlar.

Fotosentetik organizmalar, ışık enerjisinden yararlanarak enerjiyi depolarlar ve organik bileşikler üretebilirler. Bitkiler de diğer canlılar gibi yaşamsal etkinlikleri için gerekli enerjiyi organik maddelerin kimyasal enerjisinden sağlarlar. Bunun için de güneş ışığını kullanarak havanın karbondioksitini indirgeyerek organik besinlerini sentez ederler. Bu işlem CO₂'in indirgenmesi ve ancak güneş enerjisiyle gerçekleştiriliğinden "fotosentez" olarak anılır. Bu yolla güneşin ışık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür ve organik madde sentezi yapılmış olur.

Yeryüzündeki her canlı, metabolizma etkinlikleri için gerekli olan enerjiyi temelde üç yoldan sağlar. Fotosentez bir özümleme faaliyetidir ve bu yüzden özümleme ya da asimilasyon gibi genel isimlerle de anılır.

Yapraklar, bitkilerin besin üretim merkezidir. Bitki yapraklarını oluşturan hücrelerin içinde kloroplast denilen, çok küçük yapılar vardır. Bu yapıların içindeki yeşil renkli boyar madde (pigment) olan klorofil maddesinin görevi ışık yakalamaktır. Kloroplastlar güneş ışınlarını bir panel gibi toplayıp, kollektör gibi enerjiye dönüştürerek besin üretirler. Üretilen besin yapraklardan, bitkinin beslenmesi gereken diğer bölümlerine götürülür.

Havadaki karbondioksit, güneş enerjisi kullanılarak, nişasta ve diğer yüksek enerjili karbonhidratlara dönüştürülür. Karbon kullanıldıktan sonra ortaya çıkan oksijen ise havaya bırakılır. Bitki daha sonra besine ihtiyaç duyduğunda bu karbonhidratlarda depoladığı enerjiyi kullanır. Bu bitkilerle beslenen canlılar da bitkide bulunan karbonhidratlardan enerji ihtiyaçlarını karşılarlar.

Fotosentezle her yıl yaklaşık olarak 200-500 milyar ton CO₂ dönüşüme uğratılmaktadır. Bu nedenle fotosentezin önemi yalnız kalitatif değil ayrıca kantitafitir. Fotosentezle havanın karbondioksiti ve su, karbonhidratlara dönüştürülür. Karbonhidratlar C elementine ek olarak H ve O₂ elementlerini de içeren organik besin taşlarıdır.

Fotosentez olayının meydana gelebilmesi için gerekli olan maddeler, ışık, klorofil, karbondioksit, canlı organizmadır.

18. yüzyılın başlarından önce, bilim adamları bitkilerin ihtiyaç duydukları tüm elementleri topraktan aldıklarına inanıyorlardı. Ancak 1727 yılında Stephen Hales bitkilerin bir kısım besin maddelerini atmosferden aldıklarını ve bu olayda ışığın bir ilgisinin olduğunu ileri sürmüştür. O dönemlerde atmosferin farklı gazları içerdiği bilinmiyordu. 1771’de bir İngiliz rahip ve kimyacı olan Joseph Priestly, yeşil bitkilerin hayvanlar tarafından kirletilen havayı temizlediği bulunca fotosentezde O2’nin de etkisinin olduğunu ileri sürmüştür. Daha sonra Hollandalı bir fizikçi olan Jan Ingenhouzs, havanın bu şekilde temizlenmesinde ışığın gerekli olduğunu göstermiştir. Ingenhousz, karanlıkta bitkilerin de havayı kirlettiğini tespit etmiş ve zehirlenmeyi önlemek için evdeki bitkilerin geceleri ev dışına çıkarılmasını önermiştir. 1782 yılında, Jean Senebier karanlıkta bitkiler ve hayvanlar tarafından oluşturulan zararlı gazın (CO2) ışık altında bitkiler tarafından temizlenmiş havanın (O2) üretimini teşvik ettiğini göstermiştir. Böylece bu dönemde oksijen ile karbondioksidin her ikisinin de fotosentezde görev yaptığı belirlenmiş oldu. Daha sonraları Lavoisier ve diğer araştırıcılar yaptıkları çalışmalarla bu işlemde (fotosentez) yer alan gazların gerçekte CO2 ve O2 olduğunu ispatlamışlardır. 1804’te fotosentezin ilk niceliksel ölçümünü yapan N.T. Saussure, bu işlemde suyun da rol oynadığını saptamıştır. Fotosentez yapan bitkilerde kuru ağırlığın arttığını bulan araştırıcı, bu durumu bitkiler tarafından absorbe edilen karbondioksidin ağırlığının dışarıya verilen oksijenin ağırlığından daha fazla olduğuna ve bitkiler tarafından suyun alınmasına dayanarak açıklamıştır. 1864 yılında Julius von Sachs, ışık altında kloroplastlarda nişasta tanelerinin oluştuğunu gözleyerek fotosentez sonucu diğer kimyasal bileşiklerin (kuru maddenin) üretildiğini göstermiştir. Nişasta sadece yaprağın ışık alan bölümlerinde tespit edilmiştir. Buna bağlı olarak aşağıdaki gibi genel bir fotosentez formülü geliştirmiştir:

                      nCO2 + nH2O + ışık                    (CH2O)n + nO2

Bu reaksiyonda (CH2O)n nişasta veya bilimsel formülü buna yakın benzer bir organik bileşiğin basit bir kısaltmasıdır.

        Fotosentez konusunda bir diğer önemli gelişme 1930’larda C.B. van Niel tarafından bazı bakterilerin de bitkilerdekine benzer bir fotosentez yaptığını bulması ile sağlanmıştır. Çeşitli bakteriler CO2’i, ışık enerjisi ve su dışında başka bir elektron kaynağı kullanarak indirgemektedir. Bu bakterilerin bazıları, örneğin asetik asit veya succinic asit gibi organik asitleri elektron kaynağı olarak kullanmaktadırlar. van Niel’in çalışmasında su yerine H2S kullanmış ve yan ürün olarak sülfür açığa çıkmıştır. Bu bakteriler tarafından yapılan fotosentez formülünün aşağıdaki gibi olduğu düşünülmekteydi:
                        nCO2 + 2nH2S + ışık                 (CH2O)n + nH2O + 2nS

!!! Bu durum, fotosentez sonucu açığa çıkan O2’nin CO2’den değil sudan geldiğini göstermektedir. Bu iddia, daha sonra 1930’ların sonunda İngiliz bilim adamları Robin Hill ve R. Scarisbrick tarafından yapılan çalışmalarla da desteklenmiştir. Bu araştırıcılar, izole edilen kloroplastların ve kloroplast parçalarının uygun bir elektron alıcısı verildiğinde ışık altında sudan elektron alarak O2 açığa çıkardığını tespit etmişlerdir. Belirli ferric (Fe3+) tuzları kloroplastlara verilen ilk electron alıcıları olup, bunlar ferrous (Fe2+) formuna indirgenmişlerdir. Suyun bu şekilde ışıkta, CO2 fiksasyonu olmaksızın ayrışması (fotoliz) Hill reaksiyonu olarak bilinmektedir. Hill ve Scarisbrick’in bu çalışmaları, fotosentez işleminin en azından bir bölümü için tam bir hücrenin gerekli olmadığını ve ışıkta O2 çıkışının, mutlaka CO2’in indirgenmesine bağlı olmadığını ortaya koymuştur.

        Fotosentez sonucu açığa çıkan O2’nin sudan geldiğinin daha ikna edici delili 1941 yılında Samuel Ruben ve Martin Kamen tarafından ortaya konulmuştur. Bu araştırıcılar yeşil alglere, Chlorella, ağır ve radyoaktif olmayan bir oksijen izotopu olan ve bir kütle spectrofotometresi ile tespit edilebilen 18O içeren H2O vermişlerdir. Fotosentez sonucu açığa çıkan oksijenin 18O içermesi, van Niel’in hipotezinin doğruluğunu desteklemiştir. Teknik yetersizlikler nedeniyle Ruben ve Kamen’in denemeleri, O2’nin tamamen H2O’dan geldiğini ispatlayamamış, fakat daha sonraları bunun doğruluğu 1975 yılında Alan Stemler ve Richard Radmer tarafından ispatlanmıştır. 1951’de, vitamin B (niasin veya nikotinamid) içeren bir koenzim olan ve nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP+) olarak adlandırılan, bitkilerde doğal olarak bulunan bileşiğin de, izole edilen tilakoid zarlarında veya koparılan kloroplastlarda meydana gelen reaksiyonlarda sudan elektron alarak Hill reaksiyonunda (Robert Hill 1973) rol oynadığı tespit edilmiştir. Bundan dolayı, ışığın fotosentezdeki iki esas fonksiyonunun H2O’dan elektron alınması ve NADP+’nın NADPH’e indirgenmesi olduğu anlaşıldı. Diğer önemli fonksiyonu ise ADP ve Pi’den ATP’nin elde edilmesi için gerekli enerjinin sağlanmasıdır. ADP ve Pi’nin kloroplastlarda ATP’ye dönüştürülmesi 1954 yılında California Üniversitesinde, Daniel Arnon tarafından keşfedilmiştir. Bundan önce, ATP’nin solunum sırasında mitokondrilerde meydana gelen ve oksidatif fosforilasyon olarak adlandırılan reaksiyon sonucu oluştuğu biliniyordu. Arnon, izole edilen kloroplastlarda ATP’nin sadece ışıkta sentezlendiğini görmüş ve bu işlem fotosentetik fosforilasyon veya kısaca fotofosforilasyon olarak tanımlanmıştır. Bu şekilde fotofosforilasyon yoluyla ATP oluşumu aşağıdaki şekilde özetlenebilir:
                                              kloroplast

ADP + Pi + ışık ATP + H2O

Gündüzleri yapraklardaki kloroplastlarda fotofosforilasyon sonucu oluşturulan ATP, bu yaprakların mitokondrilerindeki oksidatif fosforilasyondan çok daha fazladır. Bu arada, fotosentezin genel formülünde ATP, NADPH ve NADP+’ye hiç yer verilmediğine dikkat ediniz. Çünkü ATP ve NADPH oluşturulduğunda, bunların enerjileri CO2’in indirgenmesi ve karbonhidrat sentezi işleminde kullanılmakta ve ADP, Pi ve NADP+ tekrar açığa çıkmaktadır. Yani, ışık enerjisi ile ADP ve Pi hızla ATP’ye dönüştürülmekte ve fotosentez sabit bir hızda meydana gelirken ATP tekrar hızla parçalanmaktadır.

[değiştir] Denklemi

Genel fotosentez denklemi şöyledir:

nCO₂ + 2nH₂O + Işık enerjisi →(CH₂O)n + nO₂ + nH₂O

Ancak heksoz şekerleri ve nişasta ana ürünler olduğundan, genelde aşağıdaki spesifik (basit) denklem fotosentezin ifadesinde kullanılır: 6CO₂ + 12H₂O + Işık enerjisi → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O + 673 Kalori

Burada C, CO₂'den ve H, H₂O'dan gelmektedir. Yukarıdaki denklemde görüldüğü üzere basit karbonhidratların yapısına katılan O2'nin sudan mı yoksa karbondioksitten mi geldiği sorusu önem taşımaktadır. Bu konuya radyoaktif ağır su ile yapılan denemelerle açıklık getirmiştir. Radyoaktif olarak işaretlenmiş 0₂¹⁸ ile fotosentez sonucu açığa çıkan O₂'nin sudan geldiği bulunmuştur. Karbonhidratların yapısına katılan O ise, karbondioksitten olmaktadır.Fotosentez sırasıyla aydınlık ve karanlık safha olmak üzere 2 kısımda gerçekleşir.Aydınlık safha için ışık gereklidir.Karanlık safhada ise ışık kullanılmaz.Fakat karanlık safhada aydınlık safhanın ürünleri kullanıldığı için aydınlık safha olmadan karanlık safha gerçekleşemez.Ayrıca bakterilerde H kaynağı olarak H₂O kullanılmadığı için ürün olarak O₂ açığa çıkmaz.

[değiştir] 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 araştırmaların dünya nüfusunun gıda ihtiyaçları yönünden önemli olduğu bilinmektedir.

[değiştir] 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:böyk