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.

Kavram, anlam ve sık karıştırılan karşılık

Bu derste geçen terimler birbirine yakın durur ve sınavda karıştırılır. Aşağıdaki tabloda her terimin anlamı ve sık karıştırılan karşılığı yan yana verilmiştir.

Konudaki kural ve ölçü özeti

Konudaki kural ve ölçüleri tek tabloda topladık. Bu tablo, tekrar anlarında ilk bakılacak yerdir.

Yukarıdaki ölçülerin arkasındaki kural ve formüller şunlardır:

Sık karşılaşılan yanlışlar

Aşağıdaki hatalar bu konuda en sık görülenlerdir. Her biri için önce hatanın kendisi, sonra neden yanlış olduğu ve doğrusu anlatılmıştır.

• Oksijeni karbondioksitten kaynaklandırmak: Açığa çıkan oksijen karbondioksitten değil, ışığa bağımlı aşamada suyun parçalanmasından gelir. Bu nedenle fotosentezde oksijenin kaynağı sudur.
• Işığa bağımsız aşamayı geceye bağlamak: Bu adlandırma yalnızca tepkimenin ışık kullanmadığını belirtir. Aşama ışık varken de yürür; gece ise ara ürünler tükendiği için yavaşlar.
• C4 bitkilerin klorofili fazladır sanmak: C3 ile C4 ayrımı klorofil miktarıyla değil, ilk karbonun kaç karbonlu bileşikte sabitlendiğiyle ilgilidir.
• Depolanan şekerin glikojen olduğunu düşünmek: Bitkilerde fotosentez ürünleri çoğunlukla nişasta olarak depolanır. Glikojen hayvanlarda ve mantarlarda bulunan bir depo polisakkarittir.
• Net fotosentezi brüt fotosentekle aynı saymak: Bitki gündüz solunum da yapar ve oksijen tüketir. Net hız, brüt hızdan solunum hızının çıkarılmasıyla bulunur.

Özet

Kısaca: Fotosentez, ışık enerjisi kullanılarak karbondioksitten organik besin sentezlenmesidir. Genel denklemi 6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 biçimindedir; oksijen sudan, glikozun karbonu karbondioksitten gelir. Süreç iki aşamada yürür. Kloroplastın tilakoit zarında gerçekleşen ışığa bağımlı aşamada su parçalanır, elektronlar taşınır, ATP ve NADPH üretilir ve oksijen açığa çıkar. Stroma sıvısında yürüyen ışığa bağımsız Calvin döngüsünde karbondioksit bağlanır, ATP ve NADPH harcanarak karbonlu bileşikler oluştur…

Anlatımı bir cümlede özetleyeceksek, şunu söyleyebiliriz:

• Fotosentezin net ürünü glikoz, yan ürünü oksijendir; oksijenin tamamı sudan elde edilir.
• Işığa bağımlı aşama tilakoit zarında, ışığa bağımsız aşama stroma sıvısında gerçekleşir.
• Işığa bağımlı aşamada ATP ve NADPH üretilir, ışığa bağımsız aşamada bunlar harcanarak karbondioksit bağlanır.
• Klorofil kırmızı ve mavi dalga boylarını en iyi soğurur, yeşil dalga boylarını büyük ölçüde yansıtır.
• C3 bitkilerde ilk karbon üç, C4 bitkilerde dört karbonlu bileşikte sabitlenir; C4 bitkiler sıcak iklimde avantajlıdır.
• Bitkilerde üretilen karbonhidratlar çoğunlukla nişasta biçiminde depolanır.

Kendini dene

Aşağıdaki sorular konunun farklı yönlerini yoklar. Önce kendin çöz, sonra cevap anahtarına bak; eğer bir soruyu yanlış yaptıysan yukarıdaki ilgili bölüme geri dön.

1. Işığa bağımsız aşamanın girdileri arasında aşağıdakilerden hangisi bulunmaz? (Şıklar: Karbondioksit · Adenozin trifosfat · İndirgenmiş NADP · Su)
2. Bir bitki, havası değiştirilemeyen camla örtülü bir kutuya konulduğunda kutu içindeki hava yeterince tazelenmediği sürece fotosentez hızı nasıl değişir? (Şıklar: Artar, çünkü ışık camdan geçer · Azalır, çünkü bitkinin solunumu sürer ve karbondioksit tükenir · Değişmez, çünkü cam ışığı tamamen geçirir · Değişmez, çünkü karbondioksit kutu içinde yeterlidir)
3. Aşağıdaki bitkilerden hangisi, ilk karbonu dört karbonlu bir bileşikte sabitlediği için C4 bitkisi olarak adlandırılır? (Şıklar: Buğday · Mısır · Mercimek · Koyun)

Cevap anahtarı: 1) Su — Işığa bağımsız aşamada karbondioksit bağlanır; ATP ve NADPH harcanır. Su ise girdi değildir, ışığa bağımlı aşamada parçalanan ve oksijene dönüşen maddedir. Bu yüzden su, ışığa bağımsız aşamanın girdi…

2) Azalır, çünkü bitkinin solunumu sürer ve karbondioksit tükenir — Bitki gündüz hem fotosentez hem solunum yapar. Camlı kap, karbondioksidin çevreyle yer değiştirmesini engellediği için kapalı kutu içindeki karbondioksit tükenir ve fotosentez hızı düşer. Cam ışığı g…

3) Mısır — C4 bitkileri ilk karbonu dört karbonlu bir moleküle bağlayarak yüksek sıcaklık ve düşük karbondioksit derişiminde daha verimli olur. Mısır, şeker pancarı ve sorgum bu gruptadır. Buğday, mercimek ve k…

Yakın konular

Konunun yerine oturması için komşu başlıkları da bilmek gerekir. Şunlarla birlikte çalışmak konuyu pekiştirir:

• Işık Enerjisi Kullanılmadan Besin Sentezi: Kemosentez — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Besinlerden Enerjiye: Sindirim — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• Canlılarda Sindirim Yapıları — aynı ünitede, bir sonraki adım.
• İnsanda Sindirim, Emilim ve Taşınma — aynı ünitede, bir sonraki adım.

Kaynak notu

Bu derste Işık Enerjisi Kullanılarak Besin Sentezi: Fotosentez konusu için kullanılan sayısal değerlerin tamamı adım adım gösterilerek hesaplandı; yaklaşık değer gereken yerde yaklaşık ifadesi açıkça yazıldı. Bu anlatım başka bir kitaptan cümle aktarmadan, konunun tanım ve kural düzeni yeniden yazılarak hazırlandı.

Ayrıca derste şu açık uçlu görevler yer alıyor; her biri puanlıdır ve kendi cevabını yazmanı ister:

• Bir bitki gün içinde 2 mol karbondioksit kullanmıştır. Buna göre kaç mol su tüketilmiş, kaç mol oksijen açığa çıkmış ve kaç mol glikoz oluşmuştur? (12 puan)
• C3 ve C4 bitkilerin fotosentez açısından farklarını tablo hâlinde karşılaştırarak yazınız. (15 puan)
• “Işığa bağımsız tepkimeler yalnızca gece gerçekleşir” ifadesini denetleyiniz ve doğru bir açıklamayla düzeltiniz. (10 puan)

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Bir bitki saatte 12 mol oksijen veriyor ve aynı saatte 3 mol oksijen tüketiyorsa net fotosentez hızı nedir?

1. Brüt fotosentez hızı, üretilen toplam oksijendir.
2. Solunumda tüketilen oksijen brüt değerden çıkarılır.
3. Kalan değer net fotosentez hızını verir.

Sonuç/cevap: Net fotosentez hızı 9 mol oksijendir. Bitki gündüz hem fotosentez yapar hem solunum yapar; bu nedenle net değer brüt değerden küçüktür.

Karşılaştırma Tablosu