Fotosentez ve Fotosentezin Gerçekleştiği Yapılar – Kloroplast

Fotosentez, ökaryot canlılarda kloroplast organelinde gerçekleşir. Kloroplast, bir bitkinin yeşil olan tüm kısımlarında bulunur. Yapısında karbonhidrat, lipit, protein, DNA, RNA gibi organik maddelerle klorofil adı verilen pigment bulunur.

Kloroplastın dışında seçici geçirgen yapılı ve çift katlı zar bulunur. İç kısmı ise stroma adı verilen sıvı ile doludur. 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 (Görsel 2.5).

Bitkiye yeşil rengini veren ve ışığı absorbe etme özelliğine sahip klorofil pigmentleri, kloroplastın tilakoit zarlarında yer alır. Bazı bölgelerde tilakoitler, sütun hâlinde üst üste gelerek granum adı verilen yapıyı meydana getirir.

Granumlar da ara lamellerle birbirine tutunarak Güneş ışığının daha fazla emilmesini sağlayan granaları oluşturur (Görsel 2.6).

Bitkilerin kloroplast taşıyan yeşil kısımları, ışık varlığında CO₂ ve H₂O’dan organik maddeler üretir ve atmosfere O₂ verir.

Fotosentez mekanizması, 1800’lü yıllardan beri bilinmekle beraber karmaşık kimyasal reaksiyonların bazı basamakları hâlâ tam olarak aydınlatılamamıştır.

Fotosentezin kimyasal denklemi, aşağıdaki gibi yazılabilir.

Denklemdeki C₆H₁₂O₆, bir çeşit karbonhidrat olan glikozdur. Denklemde eşitliğin her iki tarafında H₂O bulunması, suyun hem tüketildiğini hem de üretildiğini gösterir.

Denklemdeki su molekül sayıları sadeleştirilirse aşağıdaki denklem elde edilir

Fotosentezde karbon kaynağı, sadece CO₂’dir. Ancak hidrojen kaynakları, farklılık gösterebilir. Bitkiler ve bazı bakteriler, H₂O’yu hidrojen kaynağı olarak kullanırken; bazı fotosentetik bakteriler, H₂S (Hidrojen sülfür) yi ya da H₂’yi hidrojen kaynağı olarak kullanmaktadır. Hidrojen kaynağı değiştikçe atmosfere verilen yan ürünler de değişmektedir.

Bitkilerde, siyanobakterilerde ve alglerde

Kükürt bakterilerinde

Hidrojen bakterilerinde

Bu denklemlere dikkatli bakılacak olursa tüm fotosentez çeşitlerinde CO₂ tüketilip C₆H₁₂O₆ (gilkoz) üretilmektedir. Ancak tüketilen hidrojenli bileşikler (hidrojen kaynakları), sabit olmayıp atmosfere verilecek yan ürün çeşitlerini etkilemektedir.

Bilim insanları, ağır oksijen izotopu (¹⁸O) kullanarak fotosentezde üretilen oksijenlerin kaynağının CO₂ olmayıp H₂O olduğunu ispatlamışlardır.

Bunun için normal oksijen atomu taşıyan CO₂ molekülü ve ağır oksijen izotopu taşıyan H₂O’yu kullanarak fotosentezi deneysel olarak gerçekleştirmişlerdir. Fotosentez sonucu açığa çıkan O₂’nin yapısında da ağır oksijen izotopları tespit etmişlerdir.

Kloroplast, granalarında yer alan klorofil pigmentleri ile ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştüren organeldir. Güneş enerjisi ile çalışır.

Işık, elektromanyetik denilen bir enerji şekli olup fotonlar hâlinde yayılır. Foton, yüksek hızla hareket eden ve enerji taşıyan taneciklerdir.

Işık dalgalar hâlinde yayılır ve ışığın iki ardışık tepe noktası arasındaki mesafeye ışığın dalga boyu denir. Doğada gördüğümüz veya göremediğimiz farklı dalga boylarına sahip ışıklar vardır.

EK BİLGİ

Işığın dalga boyu ile taşıdığı enerji miktarı ters orantılıdır. Dalga boyu uzun olan ışığın enerjisi düşük, kısa olan ışığın enerjisi yüksektir. Mor dalga boylu ışık, kırmızı dalga boylu ışıktan iki kat fazla enerji bulundurur. Kısa dalga boylu, yüksek enerjili mor ötesi ışıklar; atmosferde ozon tabakası tarafından süzülür. Böylece canlılara zarar vermesi engellenmiş olur.

Işığın dalga boyu; gama ve kozmik ışınlarda olduğu gibi nanometreden (nm) küçük, radyo dalgalarında olduğu gibi kilometreden büyük olabilir. Işığın dalga boylarına göre ölçeklendirilmesiyle oluşan sıralamaya elektromanyetik spektrum denir (Görsel 2.7).

Elektromanyetik spektrumda yaşam için önemli olan ışıklar, yaklaşık olarak 380 nm ile 750 nm dalga boyları arasında yer alır. İnsan gözü tarafından farklı renkler hâlinde ayırt edildiği için bu ışıklara görünür ışık adı da verilir. Görünür ışık, aynı zamanda fotosentezde kullanılan ışıktır. Atmosfer, görünür ışığın yeryüzüne ulaşmasına olanak sağlarken diğer ışınların büyük bölümünü engeller.

Işık, saydam cisimlere çarparsa içinden geçebilir. Ayna gibi parlak yüzeyli cisimlere çarparsa yansıtılabilir, siyah renkli cisimlere çarparsa emilebilir. Fotosentez sırasında bu üç olay da aynı anda gerçekleşir.

Fotosentez sırasında görünür ışığı emen ve renk veren maddelere pigment denir. Farklı pigmentler, farklı dalga boylarındaki ışığı soğurur. Soğurulamayan ışıklar ya yansıtılır ya da geçirilir. Kloroplastta bulunan pigmentler; en çok mor ve kırmızı dalga boylu ışığı soğurur, yeşil dalga boylu ışığın çok az bir kısmını emer, diğer kısmını yansıtır. Klorofilin soğurduğu ışıklar, fotosentezde kullanılır. Yapraklar, klorofilin yansıttığı ya da geçirdiği yeşil dalga boylu ışık yüzünden yeşil renkte görülür.

EK BİLGİ

Bir nanometre (nm), bir metrenin milyarda biridir (1nm = 10-9 m). 380 nm’den kısa dalga boylu ışıklara mor ötesi, 750 nm dalga boyundan daha uzun olan ışıklara kızıl ötesi denir. İnsan gözü, mor ve kızıl ötesi ışıkları göremez.

Fotosentezde en önemli role sahip pigment, klorofil molekülüdür. Bu molekül; ışık enerjisini emer, yapısındaki elektronlar ile ışık enerjisini ETS elemanlarına aktarır ve ışık enerjisinin kimyasal enerjiye dönüşümünü sağlar. Klorofilin yapısında; karbon (C), hidrojen (H), oksijen (O), azot (N) ve magnezyum (Mg) atomları bulunur.

Bitkilerde klorofilden başka pigment molekülleri de bulunur. Bunlardan bazıları, çiçek ve meyvelere renk veren karotenoitlerdir. Turuncu renkli karoten, sarı renkli ksantofil ve kırmızı renkli likopen pigmentleri bu gruba örnektir. Bitkilerde plastitlerin içinde bulunan, sarı, turuncu ve kırmızı renk veren bu pigmentlere karotenoitler denir.

EK BİLGİ

Fe (Demir), klorofilin yapısına katılmadığı hâlde klorofil sentezi için gerekli bir mineraldir. Demir, klorofil sentezinde görev alan enzimin yapısına kofaktör olarak katılır. Bu nedenle demir açısından fakir topraklarda yetişen bitkiler, yeterli miktarda klorofil sentezleyemedikleri için bu bitkilerin fotosentez hızları ve buna bağlı olarak gelişimleri de yavaş olur.

Karotenoitler, klorofilin soğurduğu ışıktan farklı dalga boyundaki ışıkları soğurarak klorofile aktarır. Bazı karotenoitler, fazla ışığı emerek klorofil molekülünün zarar görmesine engel olur. Fotosentez hızı ile görünür ışık spektrumu arasındaki ilişki, 1883 yılında Theodore Engelmann (Teodor Engılmın) tarafından yapılan bir deneyle gösterilmiştir.

Engelmann, ipliksi alg kullanarak yaptığı deneyde algin farklı kısımlarının farklı dalga boyunda ışığa maruz kalmasını sağlamıştır. Algin hangi kısımda daha çok fotosentez yaparak oksijen çıkardığını saptamak için oksijenli solunum yapan bakteriler kullanmıştır. Algin mor, mavi ve kırmızı dalga boylu ışığın düştüğü bölgelerinde bakterilerin daha çok kümeleştiğini görmüştür.

Engelmann yaptığı bu deneyle; klorofilin en çok mor, mavi ve kırmızı dalga boylu ışığı soğurduğunu ve fotosentezin bu ışıkların düştüğü kısımlarda daha hızlı gerçekleştiğini ispatlamıştır (Görsel 2.8).