Fotosentez ürünü olan glikoz genellikle bitkide nişastaya dönüştürülerek depo edilir. Bu durumun amacı, bitkinin enerji ihtiyacını karşılamak olabilir. Gerekçesi şöyledir:
Fotosentez, bitkilerin ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürdüğü bir süreçtir. Fotosentez sırasında, bitkiler suyu oksijene ve hidrojen iyonuna parçalarlar. Oksijen gazı olarak açığa çıkar ve kabarcık oluşturur. Hidrojen iyonları ise karbondioksiti şekerlere dönüştürmek için kullanılır.
Fotosentez ürünü olan glikoz, bitkinin büyümesi ve metabolizması için gerekli olan enerjiyi ve yapı malzemesini sağlar. Ancak, glikoz depolanması zordur, çünkü çok fazla su tutar ve hücre içinde yer kaplar. Bu nedenle, bitkiler glikozu nişastaya dönüştürerek depo ederler.
Nişasta, glikoz moleküllerinin birbirine bağlanmasıyla oluşan bir polisakkarittir. Nişasta, glikozdan daha az su tutar ve daha kompakt bir yapıdadır. Bu sayede, bitkiler nişastayı daha kolay depolayabilir ve gerektiğinde geri dönüştürebilirler.
Bitkiler nişastayı genellikle amyloplast adı verilen özel organel içinde depolarlar. Amyloplastlar, fotosentez yapmayan renksiz organelerdir. Amyloplastlar, glikozu nişastaya dönüştürür ve hücrenin stroma adı verilen bölgesine taşır. Stroma, hücrenin renksiz, süngerimsi matriksidir. Bazı bitki organlarında (örneğin patates gibi yumrularda) nişasta depolamak için de kullanılır.
Özetle, fotosentez ürünü olan glikoz genellikle bitkide nişastaya dönüştürülerek depo edilir. Bu durumun amacı, bitkinin enerji ihtiyacını karşılamak olabilir. Çünkü nişasta, glikozdan daha kolay depolanabilen ve geri dönüştürülebilen bir polisakkarittir.
3. Biyoloji dersinde fotosentez konusu işlendikten sonra, Deniz ve Umut fotosentezle ilgili bir konuda fikir ayrılığı yaşamaktadır. Umut ışık reaksiyonlarının Calvin döngüsüne bağlı olmadığını ve sürekli ışık altında ATP ve NADPH üretiminin devam edebileceğini iddia etmektedir. Deniz ise ışık reaksiyonlar ile Calvin döngüsünün birbirine bağlı olduğunu ve peş peşe gerçekleşmesi gerektiğini iddia etmektedir. Sizce hangi öğrencinin iddiası doğrudur? Düşüncelerinizi açıklayınız.
Cevap:
Deniz’in iddiası doğrudur. Çünkü:
Fotosentez, bitkilerin ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürdüğü bir süreçtir. Fotosentez iki aşamadan oluşur: ışığa bağımlı reaksiyonlar ve ışığa bağımsız reaksiyonlar (veya Calvin döngüsü). Işığa bağımlı reaksiyonlarda, ışık enerjisi kullanılarak ATP ve NADPH üretilir. Işığa bağımsız reaksiyonlarda ise, karbondioksit ve su, ATP ve NADPH’nin yardımıyla organik moleküllere (örneğin glikoz) dönüştürülür.
Işığa bağımlı reaksiyonlar ile Calvin döngüsü birbirine bağlıdır ve peş peşe gerçekleşmesi gerekir. Çünkü Calvin döngüsü, ışığa bağımlı reaksiyonlardan gelen ATP ve NADPH’ye ihtiyaç duyar. ATP, Calvin döngüsünde enerji sağlayan molekül, NADPH ise karbondioksiti indirgeyerek organik molekül yapımına katılan moleküldür. Eğer ışığa bağımlı reaksiyonlar durursa, ATP ve NADPH üretimi de durur. Bu da Calvin döngüsünün devam edememesine neden olur.
Işığa bağımlı reaksiyonların Calvin döngüsünden bağımsız olarak sürekli ışık altında ATP ve NADPH üretmesi mümkün değildir. Çünkü ATP ve NADPH’nin üretimi için elektron taşıma zinciri adı verilen bir sistem gereklidir. Elektron taşıma zinciri, kloroplastın tilakoid zarında bulunan bir dizi protein kompleksidir. Bu sistemde, elektronlar su molekülünden alınarak fotosistem I ve II adı verilen iki protein kompleksine taşınır. Fotosistemler, ışık enerjisiyle elektronları yüksek enerjili hale getirir ve sonunda NADP+ molekülünü indirgeyerek NADPH yapar. Aynı zamanda, elektronların hareketi proton pompalamasına neden olur. Proton pompalaması, tilakoid zarının içinde yüksek proton konsantrasyonu oluşturur. Bu proton konsantrasyonu farkı, ATP sentaz adı verilen bir enzimi çalıştırır. ATP sentaz, protonların tilakoid zarından geçişini sağlayarak ADP’yi fosforillayarak ATP yapar.
Elektron taşıma zinciri için su molekülünden elektron almak gerekir. Su molekülünden elektron alınması oksijen gazının açığa çıkmasına neden olur. Oksijen gazı ise Calvin döngüsünde bir sorun yaratır. Çünkü Calvin döngüsünün ilk adımında karbondioksiti organik moleküle bağlayan enzim olan rubisko, oksijeni de karbondioksitten daha fazla bağlama eğilimindedir. Rubisko oksijeni bağladığında fotorespirasyon adı verilen bir yan reaksiyon oluşur. Fotorespirasyon, Calvin döngüsünün verimini düşürür ve bitkiye enerji kaybına neden olur.
Bu nedenle, bitkiler ışığa bağımlı reaksiyonların hızını Calvin döngüsünün hızına göre ayarlamak zorundadır. Bunu yapmak için de çeşitli mekanizmalar geliştirmişlerdir. Örneğin, C4 bitkileri, karbondioksiti önce dört karbonlu bir moleküle bağlayarak rubiskonun oksijenle rekabet etmesini önler. CAM bitkileri ise, karbondioksiti gece alıp gündüz kullanarak su kaybını ve fotorespirasyonu azaltır.
Özetle, Deniz’in iddiası doğrudur. Çünkü ışığa bağımlı reaksiyonlar ile Calvin döngüsü birbirine bağlıdır ve peş peşe gerçekleşmesi gerekir. Umut’un iddiası yanlıştır. Çünkü ışığa bağımlı reaksiyonların Calvin döngüsünden bağımsız olarak sürekli ışık altında ATP ve NADPH üretmesi mümkün değildir.
4. Fotosentez sonucunda karbonhidratların yapısına katılan 02’nin sudan mı yoksa karbondioksitten mi geldiği sorusu merak konusu olmuştur. Bu soruyu cevaplandırmak için radyoaktif olarak işaretlenmiş 0218 içeren ağır su ile aşağıdaki deney düzeneği hazırlanmıştır.
a) “Fotosentez sonucunda radyoaktif işaretlenmiş oksijene karbonhidratların yapısında rastlanır.” görüşüne katılır mısınız? Düşüncelerinizi açıklayınız.
b) Cam fanus içerisinde bulunan çekirge, bitkinin yapraklarını yiyerek ve oksijenli solunum yaparak bir süre bu ortamda yaşamını sürdürmektedir. Radyoaktif işaretlenmiş oksijen, çekirgenin çizgili kaslarında depolanmış glikojenin yapısında bulunabilir mi? Kısaca açıklayınız.
c) Çekirgenin oksijenli solunum yapması sonucunda radyoaktif işaretlenmiş oksijene hangi solunum ürününün yapısında rastlanacağını açıklayınız.
Cevap:
a) “Fotosentez sonucunda radyoaktif işaretlenmiş oksijene karbonhidratların yapısında rastlanır.” görüşüne katılmayız. Düşüncelerimiz şöyledir:
Fotosentez, bitkilerin ışık enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürdüğü bir süreçtir. Fotosentez iki aşamadan oluşur: ışığa bağımlı reaksiyonlar ve ışığa bağımsız reaksiyonlar (veya Calvin döngüsü). Işığa bağımlı reaksiyonlarda, ışık enerjisi kullanılarak ATP ve NADPH üretilir. Aynı zamanda, su molekülü oksijene ve hidrojene ayrıştırılır. Işığa bağımsız reaksiyonlarda ise, karbondioksit ve su, ATP ve NADPH’nin yardımıyla organik moleküllere (örneğin glikoz) dönüştürülür.
Fotosentez sonucunda açığa çıkan oksijenin kaynağı su molekülüdür. Bu nedenle, radyoaktif olarak işaretlenmiş ağır su (0218) kullanıldığında, fotosentez sonucunda radyoaktif işaretlenmiş oksijen (0218) açığa çıkar. Karbonhidratların yapısına katılan oksijen ise karbondioksitten gelir. Bu nedenle, fotosentez sonucunda radyoaktif işaretlenmiş oksijene karbonhidratların yapısında rastlanmaz.
b) Radyoaktif işaretlenmiş oksijen, çekirgenin çizgili kaslarında depolanmış glikojenin yapısında bulunabilir. Açıklamamız şöyledir:
Çekirge, bitkinin yapraklarını yiyerek glikoz alır. Glikoz, çekirgenin hücrelerinde glikoliz adı verilen bir süreçle parçalanarak ATP üretir. Glikoliz sırasında glikozun bir kısmı laktik asite dönüştürülür. Laktik asit ise karaciğerde tekrar glikoza dönüştürülür. Glikozun bir kısmı da kas hücrelerinde glikojene dönüştürülerek depolanır. Glikojen, glikoz moleküllerinin birbirine bağlanmasıyla oluşan bir polisakkarittir.
Çekirge, bitkinin yapraklarını yediğinde, bitkinin fotosentez sonucunda ürettiği radyoaktif işaretlenmiş oksijeni de alır. Bu oksijen, çekirgenin solunum sistemiyle hücrelere taşınır. Hücrelerde, oksijen elektron alıcısı olarak kullanılır ve suya dönüştürülür. Bu su, hücrelerden atılabilir veya tekrar kullanılabilir. Su tekrar kullanılırsa, radyoaktif işaretlenmiş oksijen karbonhidratların yapısına katılabilir. Örneğin, karaciğerde laktik asitten glikoz yapımında veya kas hücrelerinde glikozdan glikojen yapımında radyoaktif işaretlenmiş oksijen kullanılabilir.
c) Çekirgenin oksijenli solunum yapması sonucunda radyoaktif işaretlenmiş oksijene sunun yapısında rastlanacağını açıklarız. Açıklamamız şöyledir:
Oksijenli solunum, canlıların organik molekülleri parçalayarak enerji ürettiği bir süreçtir. Oksijenli solunum üç aşamadan oluşur: glikoliz, Krebs döngüsü ve elektron taşıma zinciri. Glikolizde, glikoz iki molekül piruvata dönüştürülür. Krebs döngüsünde, piruvat asetil-CoA’ya dönüştürülür ve karbondioksit açığa çıkar. Elektron taşıma zincirinde, asetil-CoA’nın elektronları oksijene aktarılır ve su oluşur.
Çekirge, bitkinin yapraklarını yediğinde, bitkinin fotosentez sonucunda ürettiği radyoaktif işaretlenmiş oksijeni de alır. Bu oksijen, çekirgenin solunum sistemiyle hücrelere taşınır. Hücrelerde, oksijen elektron alıcısı olarak kullanılır ve suya dönüştürülür. Bu su, radyoaktif işaretlenmiş oksijen içerir. Bu nedenle, çekirgenin oksijenli solunum yapması sonucunda radyoaktif işaretlenmiş oksijene suyun yapısında rastlanır.
