Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi: Fotosentez

Konu Anlatımı

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi: Fotosentez başlığına çalışacağız. Süreçleri adım adım takip edeceğiz; bir aşamanın nerede başlayıp nerede bittiğini bilmek konunun omurgasıdır.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor:

• Kazanım 1: Fotosentezin genel denklemini yorumlayarak giren ve çıkan maddeleri belirler.
• Kazanım 2: Işığa bağımlı ve ışığa bağımsız aşamaların yerini, girdilerini ve ürünlerini karşılaştırır.
• Kazanım 3: Klorofilin ışığı soğurma ve yansıtma özelliğinin bitki rengiyle ilişkisini açıklar.
• Kazanım 4: C3 ve C4 bitkilerin ilk karbonu bağlama biçimini karşılaştırarak sıcak iklim avantajını açıklar.
• Kazanım 5: Bitkide organların fotosentezdeki görevlerini ve besin depolama biçimini tanımlar.

Ön bilgi: bundan önce gördüğümüz

Bu konunun dayandığı temel Canlılık İçin Enerjinin Önemi (ATP’nin Yapısı ve Enerji Aktarımında ATP’nin Rolü) başlığıdır. Canlılık İçin Enerjinin Önemi (ATP’nin Yapısı ve Enerji Aktarımında ATP’nin Rolü) konusunda kazanılan bilgiyi burada yeniden kullanacağız, bu yüzden o konudaki tanım ve çıkarımları hatırlamak işimizi kolaylaştırır.

• Canlılık İçin Enerjinin Önemi (ATP’nin Yapısı ve Enerji Aktarımında ATP’nin Rolü) — ön bilgi: bu başlıktaki tanımları hatırlamamız gerekiyor.
• Güneşten Besinlere Enerji Aktarımı — bu derste kullandığımız temel kavram buradan geliyor.

Fotosentezin Tanımı ve Denklemi

Fotosentez, yeşil bitkilerin ve bazı bakterilerin ışık enerjisini kullanarak inorganik maddelerden organik besin sentezlemesidir. Sentezlenen besin başlıca glikozdur. Tepkimenin özeti şöyledir:

6CO₂ + 6H₂O →_{(ışık, klorofil)} C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Denklemdeki sayıların oranı önemlidir. Altı molekül karbondioksit kullanıldığında altı molekül su tüketilir, bir glikoz ve altı molekül oksijen oluşur. Oksijen sudan, glikozun karbonu ise karbondioksitten gelir. Suyun görevi yalnızca çözücü değildir; elektron ve hidrojen vericisi olarak tepkimeye katılır.

İki Aşama ve Organelleşme

Fotosentez iki aşamada gerçekleşir. İlk aşama ışığa bağımlıdır ve kloroplastın tilakoit zarında gerçekleşir. İkinci aşama ışığa bağımsızdır, stroma sıvısında yürüyen Calvin döngüsüdür. Işığa bağımsız adı, tepkimenin ışık kullanmadığı anlamına gelir; bu aşama ışık varken de gündüz, ışık yokken de devam edebilir.

İki aşama birbirine bağlıdır. Işığa bağımlı aşamada üretilen ATP ve NADPH, ikinci aşamada harcanır. Bu nedenle ışık kesildiğinde önce ATP ve NADPH üretimi durur, ardından karbondioksit sabitleme hızı düşer.

Klorofil ve Bitkinin Rengi

Klorofil, ışığı soğuran yeşil pigmenttir. Işık soğurduğu dalga boylarını yansıtmayan bir molekül değildir; kırmızı ve mavi bölgedeki ışığı en iyi soğurur, yeşil ışığı büyük ölçüde yansıtır. Yansıyan yeşil ışık gözümüze ulaştığı için yapraklar yeşil görünür. Klorofil a doğrudan tepkimelerde görev alan temel pigmenttir; klorofil b yardımcı pigment olarak soğurduğu eki ışığı klorofil a aktarır.

C3 ve C4 Bitkiler

Bitkiler karbondioksiti bağlarken kullandıkları ilk karbonlu bileşiğe göre ikiye ayrılır. C3 bitkilerde ilk karbon üç karbonlu bir bileşikte, C4 bitkilerde dört karbonlu bir bileşikte sabitlenir. C3 grubunda buğday, mercimek, pamuk ve koyun yer alır. C4 grubunda mısır, şeker pancarı ve sorgum bulunur.

C4 bitkilerde ilk bağlanma basamağı hızlı ve enerji gerektirmeyen biçimde yürür; karbondioksit daha sonra hücre içinde yoğunlaştırılarak kullanılır. Bu nedenle yüksek sıcaklıkta ve düşük karbondioksit derişiminde C4 bitkiler C3 bitkilerden daha verimlidir. Kışın çok düşük sıcaklıklarda ise C3 bitkiler avantajlıdır.

Örnek Çözüm

Bir bitki gün içinde 3 mol karbondioksit kullandığına göre denklem oranından 3 mol oksijen çıkar ve 0,5 mol glukoz sentezlenir. Aynı sürede kullanılan su miktarı da 3 moldür. Dikkat edilmesi gereken nokta, 3 sayısının karbondioksit ve su için de geçerli olduğudur; çünkü denklemde bu iki maddenin katsayısı eşittir. Net fotosentez hızı hesaplanırken bitkinin aynı anda solunumda tükettiği oksijen bu miktardan düşülür.

Özet

Fotosentez, ışık enerjisi kullanılarak karbondioksitten organik besin sentezlenmesidir. Tepkimenin özeti 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ biçimindedir; oksijen sudan, glikozun karbonu karbondioksitten gelir. Süreç iki aşamada yürür: tilakoit zarında gerçekleşen ışığa bağımlı aşamada su parçalanır, ATP ve NADPH üretilir ve oksijen açığa çıkar; stroma sıvısında yürüyen ışığa bağımsız Calvin döngüsünde karbondioksit bağlanır, ATP ve NADPH harcanır. Klorofil kırmızı ve mavi ışığı en iyi soğurur, yeşil ışığı yansıttığı için yapraklar yeşil görünür. C3 bitkiler ilk karbonu üç karbonlu, C4 bitkiler dört karbonlu bileşikte sabitler; C4 bitkiler sıcak ve kurak iklimde daha verimlidir. Üretilen karbonhidratlar bitkide çoğunlukla nişasta olarak depolanır.

Sık Yapılan Hatalar

• Işığa bağımsız aşama yalnızca gece olur sanılması: Bu aşama ışık kullanmaz ama ışığa bağımlı aşamanın ürettiği ATP ve NADPH’ye bağımlıdır. Gündüz ışık varken de, gece ışık yokken de yürüyebilir.
• Oksijenin karbondioksitten geldiğinin sanılması: Açığa çıkan oksijen, ışığa bağımlı aşamada suyun parçalanmasıyla oluşur. Su kullanılmasaydı oksijen de oluşmazdı.
• C3 ve C4 bitkilerin karıştırılması: C4 bitkiler ilk karbonu dört karbonlu bileşikte sabitler ve yüksek sıcaklıkta avantajlıdır. Buğday ve mercimek C3, mısır ve sorgum C4 bitkisidir.
• Yeşil rengin klorofil tarafından üretildiğinin sanılması: Klorofil yeşil ışığı soğurmaz, büyük ölçüde yansıtır. Yaprağın yeşil görünmesinin nedeni budur.

Günlük hayattan bir uygulama

Bu derste öğrendiklerimizi günlük hayatta görmek, konuyu kalıcı hale getirir. Aşağıdaki görevde Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi: Fotosentez bilgisi bir işin içinde kullanılıyor; çözümü kendiniz yazmayı deneyin.

Uygulama sorusu: Bir bitki gün içinde 2 mol karbondioksit kullanmıştır. Buna göre kaç mol su tüketilmiş, kaç mol oksijen açığa çıkmış ve kaç mol glikoz oluşmuştur?

Bu görev için 12 puan dağıtılmıştır; puanlama anahtarı, cevabın hangi adımlarla gösterilmesi gerektiğini ayrıntılı biçimde söyler. Puanlamada işlem sırasının ve sonuç cümlenin ayrı ayrı sayıldığına dikkat et.

Yararlı ipuçları

• Denklemde katsayıların eşitliğine dikkat et; karbondioksit, su ve oksijen için katsayı altıdır, glikoz için birdir.
• İki aşamayı karşılaştırırken tabloyu kullan: yer, girdi, ürün ve ışık kesilinceki durum başlıklarını sırayla sor.
• C4 sorularında önce bitkinin grubunu belirle, sonra sıcaklık ve karbondioksit derişimi koşuluna geç.
• Soru köşesine göre seç: deney yorumu sorusunda ışık, karbondioksit ve su koşullarını sırayla denetle.
• Açıklamada sayısal sonuç yazıyorsan sonucun doğru şıkta bulunduğunu ve yanlış şıklarda tekrarlanmadığını denetle.

Çözülmüş örnek adımları

İki örnek üzerinde çalışacağız. İlk örnek kuralın temel kullanımını, ikinci örnek ise kuralın zorlayıcı bir durumunu gösterir. Adımları kendin yazmayı dene; ikinci adımda nerede durduğunu görmek, sınavda zaman kazanır.

Denklemden Madde Miktarı Bulma

Soru: Bir bitki gün içinde 3 mol karbondioksit kullanmıştır. Buna göre kaç mol su tüketilmiş ve kaç mol glikoz oluşmuştur?

1. Genel denklemde karbondioksit ile suyun katsayıları eşittir, ikisi de altıdır.
2. Bu nedenle 3 mol karbondioksit için 3 mol su tüketilir.
3. Altı mol karbondioksitten bir mol glikoz oluştuğuna göre 3 mol karbondioksit 0,5 mol glikoz verir.

Cevap: 3 mol su tüketilir ve 0,5 mol glikoz oluşur. Aynı süre içinde 3 mol oksijen de açığa çıkar.

Bu örnekte adım sayısını not edin: kural her zaman aynı sayıda işlemle değil, kazanılması gereken bilgiye göre çözülür.

C3 ve C4 Bitkilerin Karşılaştırılması

Soru: Yüksek sıcaklık ve düşük karbondioksit derişimi olan bir ortamda mısır ile mercimek yetiştirilecektir. Hangi bitkinin daha verimli olması beklenir ve neden?

1. Mercimek bir C3 bitkisidir, ilk karbonu üç karbonlu bileşikte sabitler.
2. Mısır bir C4 bitkisidir, ilk karbonu dört karbonlu bileşikte sabitler.
3. C4 bitkilerde ilk basamak enerji gerektirmeyen ve hızlı biçimde yürür, karbondioksit hücre içinde yoğunlaştırılır.

Cevap: Mısır daha verimli olur. Yüksek sıcaklıkta ilk karbonu bağlayan basamağın enerji verimi C3 bitkilerde düşer, C4 bitkilerde ise bu kayıp önlenir. Düşük karbondioksit derişiminde de C4 bitkiler üstünlük sağlar.