Bitkilerde fotosentez, yaprak hücrelerinde bulunan kloroplast adı verilen organelde gerçekleşir.
İçindekiler
Kloroplastın Yapısı
Bitkinin yeşil kısımlarında bulunan kloroplast, bol miktarda klorofil içerdiği için yeşil renkte görülür. Kloroplast; dış zar ve iç zar olmak üzere çift katlı zara sahiptir. Kloroplastın iç kısmı stroma adı verilen sıvı ile doludur. Bu sıvıda; DNA, RNA, ribozom ve fotosentez için gerekli enzimler yer alır. Kloroplast; DNA, RNA ve ribozomlar sayesinde hem metabolik işlevler için gerekli olan proteinleri üretir hem de çekirdek kontrolünde kendini eşleyerek sayısını artırır. Stroma içinde tilakoit adı verilen özel bir zar sistemi vardır. Bu zar sistemi keselerden oluşur. Bitkiye yeşil rengini veren ve ışığı absorbe etme (emme) özelliğine sahip klorofil pigmenti, tilakoit zarların içinde yer alır. Tilakoitler üst üste gelerek granum adı verilen yapıyı oluşturur. Granumlar da ara lamellerle birbirine tutunarak granaları oluşturur.
Fotosentez reaksiyonları ışığa bağımlı reaksiyonlar ve ışıktan bağımsız reaksiyonlar olmak üzere iki aşamada gerçekleşir. Işığa bağımlı reaksiyonlar tilakoitlerde gerçekleşirken ışıktan bağımsız reaksiyonlar stromada gerçekleşir.
Işık Enerjisi ve Fotosentez
Işık enerjisi dalgalar hâlinde yayılır. Işık dalgasının iki ardışık tepe noktası arasındaki mesafesine dalga boyu denir. Işığın dalga boylarına göre sıralanmasıyla elektromanyetik spektrum elde edilir. Doğada, gördüğümüz veya göremediğimiz farklı dalga boylarına sahip ışıklar vardır. Elektromanyetik spektrumda 380 nm (nanometre) ile 750 nm (nanometre) arasındaki dalga boyuna sahip ışıklar insan gözüyle görülebildiğinden görünür ışık olarak isimlendirilir.
Görünür ışık, aynı zamanda fotosentezde kullanılan ışıktır. Fotosentezde görünür ışığı soğuran (emen) ve renk veren maddelere pigment denir. Farklı pigmentler, farklı dalga boylarındaki ışığı soğurur. Soğurulamayan ışıklar ya yansıtılır ya da geçirilir. Kloroplastta bulunan klorofil pigmenti; mor ve kırmızı ışığı soğururken, yeşil ışığı yansıtır. Klorofil, yansıttığı yeşil ışık nedeniyle yeşil renkte görülür. Klorofilin soğurduğu ışıklar fotosentezde kullanılır. Klorofil pigmenti soğurduğu ışık enerjisini yapısındaki elektronlar ile ETS (elektron taşıma sistemi) elemanlarına aktararak, ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürür.
Bitkilerde klorofil dışında başka pigmentler de bulunur. Bu pigmentlerin turuncu renkli olanlarına karoten, sarı renkli olanlarına ksantofil, kırmızı renkli olanlarına likopen denir. Sarı, turuncu ve kırmızı renk veren bu pigmentlerin hepsi birden karotenoit olarak adlandırılır. Karotenoitler hem çiçek ve meyvelere renklerini verir hem de klorofilin soğuramadığı farklı dalga boylarındaki ışıkları soğurur. Soğurulan bu ışıklar klorofile aktarılarak fotosentezde kullanılır. Bazı karotenoitler de klorofile zarar verecek olan aşırı ışığı soğurarak yayar.
Fotosentez hızı ile ışığın dalga boyu arasındaki ilişki 1883 yılında Theodore Engelmann (Teodor Engılmın) tarafından yapılan bir deneyle gösterilmiştir. Bu deneyde Engelmann, ipliksi alg kullanmıştır. Engelmann, ipliksi algin farklı kısımlarını farklı dalga boyunda ışığa maruz bırakarak, hangi dalga boyundaki ışıkta daha çok fotosentez yapıldığını tespit etmeye çalışmıştır. Bunu tespit etmek için oksijenli solunum yapan bakterileri kullanmıştır çünkü fotosentez hızı arttıkça, ortamdaki oksijen miktarı artacağı için o bölgede toplanan bakteri sayısı da artacaktır. Engelmann deney sonucunda algin, mor ve kırmızı ışığa maruz bırakılan bölümlerinde toplanan bakteri sayısının çok olduğunu, yeşil ışığa maruz bırakılan bölümlerinde toplanan bakteri sayısının oldukça az olduğunu gözlemlemiştir. Bu deney Engelmann’ı şu sonuca götürmüştür: Fotosentez hızı mor ve kırmızı ışıkta artarken, yeşil ışıkta oldukça azalır.
Fotosentez reaksiyonları, ışığa bağımlı reaksiyonlar ve ışıktan bağımsız reaksiyonlar olmak üzere iki aşamada gerçekleşir. Fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonlarında ışık enerjisi kullanılarak ATP ve NADPH üretilir. Böylece ışık enerjisi hücrenin doğrudan kullanabileceği kimyasal enerji olarak ATP’de depolanır. Işıktan bağımsız reaksiyonlarda ise karbondioksit ve ışığa bağımlı reaksiyonlarda üretilen ATP ve NADPH molekülleri kullanılarak organik madde olan glikoz sentezlenir.
Işığa Bağımlı Reaksiyonlar
Işığa bağımlı reaksiyonlar, kloroplastın granalarında gerçekleşir. Klorofil molekülünün ışık enerjisini soğurmasıyla klorofildeki elektron serbest kalır. Serbest kalan bu elektron kloroplasttaki granumda bulunan elektron taşıma sistemi (ETS)’ni oluşturan elemanların birinden diğerine aktarılır. Bu aktarım sırasında elektronun kaybettiği enerji ile ATP sentezlenir. Bu olaya fotofosforilasyon denir. Bir taraftan da soğurulan ışık enerjisi ile su molekülleri elektron (e-), proton (H+) ve oksijene (O2) ayrıştırılır. Bu olaya fotoliz denir. Fotoliz sonucu açığa çıkan hidrojenler NADP+ (Nikotinamid Adenin Dinükleotit Fosfat) molekülüne aktarılarak NADPH molekülü üretilir. Fotoliz sonucu açığa çıkan elektronlar klorofile aktarılırken, oksijen (O2) molekülü atmosfere verilir.
Işığa bağımlı reaksiyonlarda üretilen ATP ve NADPH molekülleri ışıktan bağımsız reaksiyonlarda kullanılır.
Işıktan Bağımsız Reaksiyonlar
Işıktan bağımsız reaksiyonlar Melvin Calvin’in çalışmaları sonucu açıklandığı için bu reaksiyonlar Kalvin Döngüsü olarak da adlandırılır. Bu çalışmaları Melvin Calvin’e 1961 yılı Nobel Ödülü’nü kazandırmıştır. Işıktan bağımsız reaksiyonlar; kloroplastın stromasında gerçekleşir. Bu evrede ışık doğrudan kullanılmasa da ışığa bağlı reaksiyonlarda üretilen ATP ve NADPH kullanılır. Bu yüzden ışıktan bağımsız tepkimeler de ışığın varlığında gerçekleşir.
Işıktan bağımsız reaksiyonlarda Kalvin Döngüsü altı kez tekrarlanır. Böylece ortamdan alınan CO2’ ten enzimler yardımıyla başta altı karbonlu glikoz olmak üzere yağ asidi, gliserol, aminoasit, vitamin, nükleotit, hormon gibi organik maddeler üretilebilir. Enzimlerin kullanıldığı bu tepkimelerde klorofil ve ETS kullanılmaz. Fotosentezin ışığa bağımlı ve ışıktan bağımsız reaksiyonlarının karşılaştırılması Tablo 2.1. ’de verilmiştir.
