8. Sınıf Enerji Dönüşümleri Konu Anlatımı
Bu yazımızda sizlere LGS Fen Bilimleri konusu olan aynı zamanda 8. sınıf konuları arasında yer alan Enerji Dönüşümleri hakkında bilgilendireceğiz.
Enerji Dönüşümleri
Canlılık ve Enerji
Bir sistemin iş yapabilme yeteneğine enerji denir. Bütün canlıların temel enerji kaynağı ise güneştir. Canlıların enerjiyi bir biçimden diğerine dönüştürme yeteneği sayesinde yaşam devam eder. Enerji, bir biçimden diğerine dönüşürken mutlaka bir bölümü ısı enerjisi hâlinde çevreye yayılır.
Canlılar dünyasında üç ana tip enerji dönüşümü vardır.
I. tip enerji dönüşümü: Fotosentez olayı ile güneşin ışınım enerjisi organik bileşiklerin bağlarındaki kimyasal enerjiye dönüşür. Kimyasal enerji fotosentezle üretilen organik moleküllerdeki kimyasal bağlarda depolanır.
II. tip enerji dönüşümü: Organik bileşiklerdeki kimyasal bağ enerjisinin, hücresel solunum sırasında hücre içinde kullanılabilen yüksek enerjili fosfat bağlarına dönüşümü. Yani ATP sentezlenmesi (fosforilasyon) olayıdır.
III. tip enerji dönüşümü: ATP nin yüksek enerjili fosfat bağlarının hidroliz reaksiyonlarıyla kopartılması şeklinde başlayan dönüşümdür. Açığa çıkan ATP enerjisi farklı enerji türlerine dönüştürülerek kullanılır. Örneğin bu enerji hareket ederken kaslarınızda kinetik enerjiye, düşünürken sinir hücrelerinizde elektrik enerjisine dönüştürülür. Bunun yanı sıra ateş böceği gibi bazı canlılar kimyasal enerjiyi ışık enerjisine dönüştürebilen sistemlere sahiptir.
Besinleri oluşturan organik moleküller bir dizi kimyasal tepkimeyle yıkılarak enerji açığa çıkarılır. Hücrede gerçekleşen kimyasal tepkimelerin hepsine birden metabolizma adı verilir. Metabolizma, yapım ve yıkım reaksiyonlarından oluşur Basit moleküllerden karmaşık yapılı moleküllerin sentezlendiği reaksiyonlara yapım reaksiyonları (anabolizma) denir.
Amino asitlerden proteinlerin sentezlenmesi bir yapım reaksiyonudur. Karmaşık moleküllerin daha basit moleküllere parçalandığı reaksiyonlar ise yıkım reaksiyonu (katabolizma) olarak adlandırılır.
Hücrede iş yapmak için kullanılabilen enerjiye serbest enerji denir. Hücrede gerçekleşen kimyasal tepkimeler serbest enerji değişimine göre iki gruba ayrılır.
Hücrede iş yapmak için kullanılabilen enerjiye serbest enerji denir. Hücrede gerçekleşen kimyasal tepkimeler serbest enerji değişimine göre iki gruba ayrılır.
Ekzergonik tepkime: Enerji açığa çıkaran tepkimelere (enerji veren) denir.
Örnek olarak: Defosforilasyon, oksijenli ve oksijensiz solunum solunum…
Endergonik tepkime: Gerçekleşmesi için enerjiye ihtiyaç duyulan tepkimelerdir.
Örnek olarak: Fosforilasyon, fotosentez sırasında organik moleküllerin sentezlendiği reaksiyonlar, bütün biyosentez reaksiyonları, kasların kasılmasını, aktif taşıma, hücre bölünmesi ve sinirsel iletimi sağlayan reaksiyonlar endergoniktir.
Besinleri oluşturan organik moleküllerde depolanmış olan kimyasal enerjinin miktarı çok yüksektir. Bu enerjinin tamamı tek seferde ortaya çıkarılsaydı hücreye zarar verirdi. Ancak hücre, organik moleküllerdeki enerjiyi adım adım ortaya çıkararak daha küçük birimler hâlinde ATP molekülünün yapısında depolar ve enerji gerektiren tüm faaliyetlerde ATP’yi kullanır.
ATP Molekülün Yapısı
Adenin bazı, Riboz şekeri (pentoz) ve üç fosfat grubundan (fosforik asit) oluşur. Adenin bazına ribozun glikozit bağı ile bağlanmasıyla adenozin nükleozit oluşur. Fosfat ile şeker arasında ester bağı bulunur.
Özellikleri:
– Yapısında iki yüksek enerjili fosfat bağları bulunur
– Canlının tüm yaşamsal olaylarında kullandığı enerji kaynağıdır
– Kolayca başka enerji formlarına dönüştürülebilir.(Elektrik,ısı,kimyasal bağ ,osmotik,ışık vb.)
– Bütün reaksiyonlara katılabilir
– Her hücre kendi ATP sini kendi sentezler
– Hücrede sitoplazma,mitokondri ve kloroplastlarda sentezlenir
– Hücre yaşamsal olaylarında sitoplazmada veya mitokondride üretilen ATP kullanılır
– Kloroplastlarda sentezlenen ATP organik madde sentezi ve kloroplastlardaki diğer yaşamsal olaylarda kullanılır
– Yüksek enerjili son fosfat bağının kopması ile ortama 7300 cal enerji verilir.
– Hücrelerde ADP nin sistemden enerji alarak kendine bir fosforik asit bağlayıp ATP haline gelmesine fosforilasyon denir.
Fosforilasyon 3 farklı şekilde gerçekleşebilir. Bunlar;
Substrat düzeyinde fosforilasyon: Enzimatik reaksiyonlarla ATP sentezdir. Bu şekilde ATP sentezi enzimlerin substratlarından kopardıkları fosfat grubunu ADP molekülüne aktarmaları sayesinde olur. Oksijenli ve oksijensiz solunumda ortak olarak gözlenir.
Oksidatif fosforilasyon: Yükseltgenme indirgenme tepkimeleri neticesinde ATP sentezidir.
Fotofosforilasyon: Işık enerjisiyle ATP sentezidir. Sonuç olarak, ATP’nin hücredeki rolü ekzergonik reaksiyonlarla endergonik reaksiyonlar arasında kontrolü enerji transferi olarak özetlenebilir.
Fotosentez
Fotosentez Nedir?
Bitkilerin CO2 ve H2O gibi inorganik maddelerden güneş enerjisi ve klorofil yardımı ile organik besin üretmeleridir. Bu sırada atmosfere yan ürün olarak O2 verilir. İnorganik maddelerden organik maddeler (besin) üretmektir.
Fotosentez Denklemi: 6CO2 + 6H2O —–(Işık/Klorofil)———–C6H12O6 + 6O2
Fotosentezin Canlılar İçin Önemi
– Fotosentez ile havada canlıların kullanmadığı kirli gaz olan karbondioksit (CO2) alınır ve onun yerine atmosfere temiz hava olan oksijen verilir. Yani kısaca fotosentez havayı temizler.
– Fotosentezin ana ürünü oksijendir. Atmosferde yer alan oksijenin %30 kara bitkilerinin fotosentezi sonucu, %70 ise deniz ve okyanuslarda bulunan bitkiler algler ve bazı bakteriler tarafından sağlanmaktadır.
– Fotosentez ile güneş enerjisi daha sonra kullanılabilecek enerji türlerine dönüştürülür.
– Güneş enerjisini kullanılarak havadaki karbondioksit, nişasta ve diğer yüksek enerjili karbonhidratlara dönüştürülür.
– Fotosentez olayı ile güneş ışıklarındaki enerji bitkilere bitkilerde farklı enerji türlerine dönüştürüldüğü için biz insanlar ve diğer canlılar bu bitkileri yiyerek enerji ve besin elde etmiş oluruz.
– Biz insanların kullanmış olduğu odun, kömür, petrol ve doğalgaz gibi enerjiler fotosentez olayı ile elde edimiş enerji türleridir.
– Fotosentez olayı ile canlılar için büyük öneme sahip olan karbondioksit-oksijen dengesi sağlanır.
– Üreticiler olarak adlandırılan canlıların fotosentez yapması ile dünyadaki ısı dengesi sağlanmaktadır.
– Bitkiler yaptıkları fotosentez sonucu oksijen ve glikoz (basit şeker) üretirler.
– Fotosentez ile enerji dönüşümü yapan bitkileri tüketerek biz insanlar enerji elde etmiş oluruz. Bu bitkileri tüketen hayvanlarıda tüketerek daha farklı enerji ve besini tüketmiş oluruz.
Fotosentezin Evreleri
Fotosentez, iki ana basamakta gerçekleşir.
– Birinci basamakta ışık enerjisi, hücrenin doğrudan kullanabileceği kimyasal enerjiye dönüştürülür. Dönüşüm sırasında mutlaka ışık enerjisi kullanıldığından bu olaya ışığa bağımlı reaksiyonlar denir.
– İkinci basamakta CO2 kullanılarak birinci basamaktan gelen ATP ve NADPH molekülleri yardımıyla organik madde sentezlenir. Bir dizi kimyasal tepkimelerin gerçekleştiği bu basamağa ışıktan bağımsız reaksiyonlar denir.
Işığa Bağlı Reaksiyonlar
Işığa bağımlı reaksiyonlar; ökaryot hücrelerdeki kloroplastın granalarında, prokaryotların hücre zarı kıvrımlarında gerçekleşir. Bu reaksiyonlar ışık olmadan gerçekleşmez. Bu evrede; ışık enerjisi, kimyasal enerjiye dönüştürülüp ATP içerisinde geçici olarak depolanır. Ayrıca klorofil tarafından soğurulan ışığın bir kısmı ile su molekülleri parçalanır. Bu olaya fotoliz denir.
Suyun parçalanması ile açığa çıkan hidrojenler (H+), bir çeşit koenzim olan NADP+ (nikotinamid adenin dinükleotit fosfat) ile tutularak NADPH molekülü üretilir. Fotoliz sonucu açığa çıkan oksijenin fazlası, atmosfere bu evrede verilir.
1937 yılında ortamda ışık, su ve uygun bir hidrojen yakalayıcısı bulunduğunda kloroplastların CO2 olmadan O2 oluşturabildiklerini görmüştür. Elektron alıcısının sudaki hidrojeni tutarak oksijeni serbest bırakmasına bu nedenle Hill reaksiyonu adı verilmiştir.
Işığa bağımlı reaksiyonlarda ATP sentezi için klorofilin ışığı soğurması ve ışık tarafından uyarılmış elektronların klorofilden ayrılması gerekir. Elektronlardaki enerjiden ATP sentezi yapılabilmesi için elektronları tutabilecek bir sisteme ihtiyaç duyulur. Bu amaçla kloroplastların granumlarında elektron taşıma sistemi (ETS) yer alır.
Klorofilden ayrılan elektronlar, yükseltgenme ve indirgenme kurallarına göre ETS’de bulunan bir molekülden diğerine aktarılır. Bu aktarım sırasında elektronlardaki enerjinin bir kısmı ile ATP sentezlenirken bir kısmı da ısı enerjisi şeklinde sistemden uzaklaştırılır. Bu şekilde ışık enerjisi yardımıyla ATP sentezlenmesine fotofosforilasyon denir.
Işığa bağımlı reaksiyonlar sırasında üretilen NADPH ve ATP ışıktan bağımsız reaksiyonlara aktarılarak organik madde sentezinde kullanılır.
Işıktan Bağımsız Reaksiyonlar
Işıktan bağımsız reaksiyonlar kloroplastın stromasında gerçekleşir. Enzimatik yönü yüksek olan tepkimeler olduğu için sıcaklık değişimlerine karşı hassastır.
CO2, ATP ve NADPH kullanılarak basit şekerler sentezlenir.CO2 atmosferden alınır. NADPH yükseltgenir.
Işık doğrudan kullanılmadığı için bu aşamaya ”ışıktan bağımsız reaksiyonlar” adı verilir. Işıktan bağımsız reaksiyonlar rubisko (ribuloz bifosfat karboksilaz) enzimi sayesinde 5 karbonlu RDP (ribuloz difosfat) molekülüne CO2 eklenerek 6C’lu kararsız bir ara bileşiğin oluşması ile başlar.
-6C’lu kararsız ara bileşik enzimlerle parçalanır ve iki molekül 3C’lu fosfogliserik asit (PGA) oluşur. PGA’dan, ATP ve NADPH harcanarak fosfogliseraldehit (PGAL) oluşur. PGAL’in bir kısmından ribuloz mono fosfat (RMP) sonra da RDP sentezlenerek ışıktan bağımsız reaksiyonların sürekliliği sağlanmış olur.
Işıktan bağımsız tepkimelerde üretilen PGAL, deyim yerinde ise her derde deva bir moleküldür diyorum. Çünkü; PGAL’in bir kısmından önce ribuloz mono fosdat (RMP) sonra da RDP sentezlenerek ışıktan bağımsız reaksiyonların sürekliliği sağlanmış olur. PGAL’in bir kısmından ise glikoz sentezlenir. Glikozun fazlası lökoplastlarda nişastaya dönüştürülerek bitkinin kök tohum, ve meyve gibi yapılarında depo edilir.
PGAL’in bir bölümü yağ asidi ve gliserol yapımında kullanılır. Bir bölümü ile de amino asit, vitamin ve organik bazlar sentezlenir. Bu dönüşümler sırasında topraktan su ile alınan N, S, Fe, Mg gibi mineral maddeler de kullanılabilir.
Fotosentez Hızını Etkileyen Faktörleri
Fotosentetik bir hücrenin birim zamanda ortamdan aldığı CO2 veya ürettiği O2 miktarı fotosentez hızını gösterir. Fotosentez aynı anda birden çok faktörün etkisi altındadır. Bu durumda fotosentezin hızını, (bitkinin ihtiyacına göre) miktarı en az olan faktör belirler. Buna minimum yasası denir.
Fotosentez hızını etkileyen faktörler çevresel ve genetik olmak üzere ikiye ayrılır.
Çevresel Faktörler
1. Karbondioksit Miktarı
Fotosentez olayının karanlık evresinde işlev gören karbondioksit (CO2), ışıktan bağımsız fotosentez tepkimelerinin başlaması için olmazsa olmazdır.
Karbondioksit miktarının artmasıyla orantılı olarak fotosentez hızı da artar ancak daha sonra sabit kalır. Karbondioksitin artmasına rağmen fotosentez hızının sabit kalmasının nedeni ise ortamda bulunan karbondioksit (CO2) yoğunluğu belirli bir sınırın altına düşerse bitki fotosentez yapamaz. Bu sınır biyoloji kitapların yaklaşık olarak % 0,005 olarak geçmektedir.
Kalsiyum hidroksit veya potasyum hidroksit gibi karbondioksit bağlayan bileşiklerin bulunduğu ortamlarda fotosentez gerçekleşmez.
2. Işık Şiddeti
Bitkiler ışıksız ortamda fotosentez yapamaz. Işık, fotosentezin ışığa bağımlı tepkimelerinde ATP ve NADPH+H+ sentezlenmesinde kullanılır. Işık şiddeti arttıkça fotosentez hızı belirli bir seviyeye kadar artar, sonra sabit kalır.
3. Işığın Dalga Boyu
Daha önceki yazılarımızı okuduysanız Theodore Engelmann adlı biyoloji bilim insanın yapmış olduğu Engelman deneyi ile ışığın dalga boyunun fotosentez hızına etkisi belli olmaktadır. Engelmann beyaz ışığı prizmadan geçirerek kırmızı, turuncu, mor, sarı, yeşil ve mavi ışınları ayırmış, yeşil alg ve oksijenli solunum yapan bakterilerin bu ışınlarındaki etkisine bakmıştır.
Engelman deneyinin sonucu olarak, bakteriler en fazla mavi ve mor dalga boylarında en az ise yeşil dalga boylarında fotosentez yapmıştır. Işığın dalga boyunun fotosentez hızına etki eden faktörler arasında yer alması engelman deneyi kanıtlanmıştır.
Fotosentez hızı en çok mavi ve mor dalga boylarında artmaktadır. fotosentez hızının en aza indiği ışık dalga boyu ise yeşildir.
4. Su Miktarı
Fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonlarında su, iyonlarına ayrılarak fotosistem II için elektron, NADP için hidrojen ve atmosfer için oksijen kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bitkide su miktarı yüzde 15’in altına düşerse enzimler duracağı için bitkide fotosentez yapmaz. Suyun yapısında yer alan hidrojen ve oksijen ile bitkiler fotosentez olayını gerçekleştirir.
5. Mineraller
Minerallerin fotosentez hızına etkisi nedir? diye düşünebilirsiniz. Ancak mineraller sadece biyokimyasal süreçlerde yer almaz bu görevi dışında mineraller fotosentez olayını gerçekleştiren elemanların yapısı içerisinde yer alır. Örneğin demir minerali, ETS elemanlarından ferrodoksinin ve klorofil sentezini katalizleyen bir enzimin yapısında yer almaktadır.
6. Ortamın PH Değeri
Fotosentez, özellikle ışığa bağımlı olmayan reaksiyonların enzimatik yönü yüksek olduğundan, enzimler de belirli pH aralıklarında çalıştıklarından dolayı ortam pH’ı fotosentez hızını etkiler.
Genetik Faktörler
1. Kloroplast Sayısı
Fotosentez, kloroplastlarda gerçekleşir. Yapraktaki kloroplast ve klorofil miktarı arttıkça fotosentez hızı da artar. Koyu yeşil yapraklı bitkilerde kloroplast miktarı fazladır.
Yaprakta fotosentezin en yoğun gerçekleştiği bölüm kloroplast ve klorofil miktarı en fazla olan palizat parankimasıdır.
2. Yaprak Yapısı ve Sayısı
Fotosentez bitkilerin yapraklarında gerçekleştiği için yapraklarında yüzey genişliği ve sayısı arttıkça fotosentez hızı da artmaktadır. Bu bilgilere ek olarak bitkinin güneş gören üst kısmı alt kısmına oranla daha fazla fotosentez yapmaktadır.
3. Stoma Sayısı, Konumu ve Büyüklüğü
Bitkilerde bulunan stomalar gaz alış verişini yapmakla sorumludur. Bitkilerde stoma sayısı arttıkça onunla orantılı olarak karbondioksit alış verişi daha fazla olmaktadır. Karbondioksitte fotosentez hızını etkilemektedir. Bu nedenle stomaların sayısı, konumu ve büyüklüğü fotosentez hızını etkilemektedir.
4. Epidermis ve Kutikula Kalınlığı
Yaprakların yüzeyini örten, epidermis hücreleri tarafından salgılanan mumsu tabakaya kutikula denir. Epidermis ve kutikula kalınlaştıkça güneş ışığını daha az geçireceğinden fotosentez hızı yavaşlar. Kurak ortam bitkilerinde yaprak yüzeyi dar, stoma sayısı az ve kutikula tabakası kalındır.
5. Enzim Miktarı
Fotosentezde özellikle ışığa bağımlı olmayan tepkimelerinde pek çok enzim görev yapmaktadır. Fotosentez enzimleri ne kadar fazla ise fotosentez de o derece hızlı gerçekleşir.
Kemosentez
Klorofili bulunmayan prokaryot hücre yapısına sahip olan bazı bakteri ve arkelerin inorganik maddelerin oksidasyonu ile açığa çıkan kimyasal enerjiyi kullanarak organik madde sentezlemesi olayına kemosentez, bu olayı gerçekleştiren canlılara da kemoototrof canlılar denir.
Kemosentez yapan canlılar ışığın ulaşamadığı (örneğin derin okyanus tabanları) yerlerde bulunan çoğu ekosistemde üretici basmaktadır.
Bazı kemosentetik bakteriler (fotosentezdeki gibi) CO2 yi indirgeme yoluyla organik besin üretirken diğer kemosentetik bakteriler farklı tepkimeler gerçekleştirir.
Çoğu ekolojik döngünün (azot döngüsü, demir döngüsü gibi) gerçekleşmesinde görev üstlenirler.
Bazı komesentetik canlılar ve tepkimeleri:
Demir Bakterileri
Bu bakteriler (örneğin, Gallionella, Ferrobacillus, Leptothrix, Clodothrix) demir bileşikleri içeren sulu ortamlarda yaşamaktadır. Çözünür demir bileşikleri, demir bileşiklerini (Fe + +), çözünmez demir bileşiklerine (Fe +++) dönüştürerek ürettikleri serbest enerjiyi besin sentezinde kullanırlar. Demir bakterileri, FeCO3 (Demir karbonat)ı oksitleyerek enerji sağlarlar. Bu enerjiyle de şeker, yağ ve protein gibi maddeler sentezlerler.
Genel besin sentezi kalıbı:
4FeCO3 + 6H2O ————-> 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 58 kcal
Sülfür Bakterileri
Bu bakteriler (örneğin, Beggiatoa, Thiothrix, Thiobacillus) enerji üretmek için çevreden absorbe ettikleri hidrojen sülfür (H2S) veya moleküler sülfür (S2) kullanırlar. Bu metabolitleri ya kükürt (S 2 ) (eğer H 2 S kullanıyorsa) veya sülfata (SO4 ) (eğer S2 kullanıyorsa) okside ederler. Bu işlem sırasında üretilen enerji besin sentez için kullanılır. Kükürt bakterileri, H2S’yi oksitler ve çıkan kimyasal enerjiyle de kendilerine glikoz sentezlerler.
Besin sentezinin geçerli genel modeli:
H2S + O2 ————–> H2O+ 2S + 122 kcal
2S + 3O2 ————-> 2H2SO4 + 286 kcal
Nitrifikasyon Bakterileri
Bu iki tip bakteri vardır: bunlar nitrit ve nitrat bakterileridir. Nitrit bakteriler (örneğin, Nitrosomonas, Nitrosococcus) amonyağı (NH 3) oksitleyerek enerji kazanır ve nitrit (N0 2)oluşturur. Nitrat bakteriler (örneğin, Nitrobacter, Bactoderma) nitriti oksitleyerek enerji kazanır ve nitrat (N0 3) oluşturur. Bu olaylarda kanılan enerji besin sentezinde kullanılır. Azot bakterileri, N bileşiklerini oksitlerler.
Genel kalıp aşağıdaki gibidir:
Nitrit Bakteriler :2 NH3 + 3O2 › 2 HNO2 + 2 H2O + 158 Kcal
Nitrat Bakterisi : 2 HNO2 + O2 › 2 HNO3 + 43 Kcal
