Hücreler Enerjiyi Nasıl Elde Eder? MBG 111 BİYOLOJİ I Hazırlayan: Yrd.Doç.Dr. Yosun MATER
Ekosistem ve Enerji Ekosistemde enerjinin akışı güneş ışığı ve ısı şeklinde gözlenir. Tam tersine canlı hücrelerde ise enerji akışı, güneşten gelen enerjinin besinlerdeki bağ enerjisine yani kimyasal moleküller arasında yer alan bağ enerjisine dönüştürülmesi ile saklanır ve korunur (Şekil 9.2).
Organik Bileşenlerin Oksidasyonu ile Enerji Açığa Çıkaran Yolaklar Organik bileşenlerin, diğer bir değişle kompleks moleküllerin metabolik yolaklar yardımıyla parçalanması ile enerji açığa çıkar. Bunlara katabolik yolaklar adı verilir. Bu yolaklarda elektron transferi çok önemli bir rol oynar. Katabolik Yolaklar ve Fermantasyon Fermantasyon, şekerlerin ve/veya diğer organik moleküllerin oksijen kullanmadan kısmen parçalanması olayıdır. En etkili katabolik yolak ise oksijenli solunumdur. Yani organik bileşenlerin oksijen yardımıyla yıkılması olayıdır. Canlıların büyük bir kısmı oksijenli yani aerobik solunum yaparlar. Bir kısım canlı özellikle prokaryotların bir kısmı ise oksijensiz solunum yapar, bu solunuma da anaerobik solunum adı verilir. Hücre solunumu adı da verilen aerobik solunumda, çok farklı işleyişler ve bileşenler oluşur. Bunları genel anlamda özetlersek, yukarıda belirtildiği gibi bir organik bileşenin, oksijenle yıkılması sonucunda su ve karbondioksitin açığa çıkması temeline dayanır.
Bütün bu metabolik işleyiş aslında oksidasyon ve redüksiyon faaliyetleri ile gerçekleşir. Bu nedenle bu faaliyetler, Red-Ox =Redox ismi ile anılır. Burada, metabolik yolağa giren maddelerden bir tanesi elektron kaybederek (+) yüklenir ve yükseltgenir. Buna Oksidasyon denir. Bileşenlerden diğeri elektron alarak (-) yüklenir ve indirgenir. Buna ise Redüksiyon adı verilir (Şekil 9.3).
Enerjinin NAD + Yardımıyla Kademeli Taşınması ve Elektron Taşıma Zinciri Hücreler organik molekülleri, örneğin glikozu doğrudan metabolize edemezler. Bunun yerine bir dizi birbirini takip eden reaksiyon yardımıyla bağlarını kırıp açığa çıkan elektron enerjisini basamak basamak depolarlar ve gerektiğinde kullanırlar. Burada açığa çıkan elektron enerjisi de Hidrojen atomuna, diğer bir değişle proton a aktarılır, hidrojen atomu yardımıyla taşınır ve depolanır. Hidrojen atomuda doğrudan oksijen atomu ile birleşemez. Bunun için elektron taşıyıcısı olan, koenzim yapılı moleküllere aktarılır. Bunlardan biri niacin vitamininden türevlenen Nikotinamid adenin dinükleotid (NAD + ) molekülüdür (Şekil 7.3). NAD + elektron taşımaya çok uygun bir moleküldür. Çünkü kolay oksidasyona uğrar yükseltgenir (NAD + ) ve yine kolayca redüksiyona uğrar indirgenir (NADH). NAD + 2 elektron (2 e - ) ve 2 proton (2 H + )taşır. Bunlardan 2 e - ve 1 H + verir (Şekil 9.4). Bu reaksiyon dehidrogenaz enzimi yardımıyla gerçekleşir. Reaksiyon sonucunda bir hidrojen iyonu serbest kalır.
Canlıların enerji metabolizmasında elektron taşıyıcıları olması maksumum enerji eldesi açısından kritik bir rol oynar. Bunun sebebi daha önce bahsedildiği gibi ekosistemde güneşten ve ısıya dönüşen enerji akışında kullanılamayan enerji, canlı metabolizmasındaki elektron taşıma sistemi sayesinde kademeli olarak açığa çıkarılır ve ATP olarak depolanır. Dolayısıyla gerektiğinde kullanılabilir (Şekil 9.5).
Özetle diyebiliriz ki hücresel solunum; Glikoz NADH elektron taşıma zinciri oksijen yolunu takip eder. Oksijenli Solunumun Basamakları (Şekil 9.6) 1. Glikoliz (Şekilde Mavi renkle tanımlanan kısım) 2. Piruvat Oksidasyonu ve Sitrik Asit Döngüsü (Turuncu renkle tanımlanan kısım) 3. Oksidatif Fosforilasyon: elektron taşıma sistemi ve kemiosmosis (Mor renkle tanımlanan kısım)
1.GLİKOLİZ Basamağı Bu basamakta bir dizi enzim ve elektron taşıma sistemi molekülü NAD + yardımıyla 6 C lu 1 glikoz molekülünden, 3 C lu 2 piruvat molekülü elde edilir. Reaksiyon sonucunda net kazanç ise 2 piruvat molekülü ve su, 2ATP, 2NADH ve 2 H + molekülüdür (Şekil 9.8, 9.9).
2. PİRUVAT OKSİDASYONU ve SİTRİK ASİT DÖNGÜSÜ Bir glikoz şekerinden iki tane 3C lu piruvat molekülü oluşumu sitosölde gerçekleşir. Oksijen varlığında piruvat molekülü mitokondriye geçer ve aerobik solunumun diğer basamakları mitokondri içerisinde gerçekleşir. Mitokondriye geçen piruvat, orada okside olur ve asetil co-enzim A (Asetil CoA) adını alan bir moleküle dönüşür (Şekil 9.10). Bu çoklu bir enzim sistemi yardımıyla üç basmakta gerçekleşen bir olaydır. 1.Piruvatın ( COO - ) grubu CO 2 olarak uzaklaştırılır. 2.İki karbon atomunun oksidasyonu ile asetat formundan, asetik asite dönüşür. Bu arada açığa çıkan elektronlar NAD + tarafından yakalanır ve NADH formunda tutulur. 3.Son olarak sulfur içeren yapısı ve B vitamini yardımıyla Coenzim A asetil grubuna bağlanır ve yüksek enerjili Asetil CoA yapısı oluşturarak sitrik asit döngüsüne girer.
2. (DEVAM) SİTRİK ASİT DÖNGÜSÜ Oksijenli solunumda en çok enerjinin elde edildiği basamak sitrik asit döngüsüdür. Bu aşamada diğer co-enzim yapısında, elektron taşıma sistemi molekülü olan, bir B vitamini çeşidi riboflavin den kökenlenen Flavin adenin dinükleotid (FAD)molekülü yolaklarda görev alır. NAD + gibi kolayca yükseltgenip indirgenebilen (NADH) bu molekül, indirgendiğinde FADH 2 formunda görülür.
Sitrik asit döngüsü kısaca 8 basamakta gerçekleşir (Şekil 9.12). Buna göre; 1.Döngüye giren 2 C asetil grubunu indirger. Ortamdaki Oksaloasetat molekülünün asetil grubuna bağlanır ve Sitrat molekülünü oluşturur. 2.Sitrat molekülü su molekülleri giriş-çıkışıyla, isomer yapısı olan İsositrat formuna dönüşür. 3.İsositratın oksidasyonu ile 1 NAD + indirger ve NADH+H + haline dönüştürür ve 1 CO 2 kaybeder ve α- Ketogluterata dönüşür. 4. α-ketogluterat ın oksidasyonu ile yine 1 NAD + indirgenir ve NADH+H + haline dönüşür, 1 CO 2 daha kaybeder, kükürt içeren Co enzim A eklenmesi ile Süksinil-CoA yapısını oluşturur. 5. Süksinil-CoA yapısına GTP molekülünden gelen iyonik fosfot (Pi) etkisiyle Co enzim A ayrılır. Ortamdaki iyonik fosfat yardımıyla GDP, GTP ye dönüştürülür. Bu molekül ATP yapılandırır. Bunun sonucunda Süksinat molekülü oluşur. 6. Süksinatın oksidasyonu ile iki hidrojen, FAD ı indirger ve FADH 2 oluşturur, bu aşamada Süksinat molekülü, Fumarat a dönüşür. 7. Su eklenmesi ile bağlar yeniden düzenlenir ve Malat molekülü oluşur. 8. Malat molekülünün oksidasyonu ile açığa çıkan hidrojenler NAD + indirger ve NADH+H + haline dönüştürür böylece Malat molekülü Oksaloasetat molekülüne dönüşerek yeniden döngüye devam eder.
3. OKSİDATİF FOSFORİLASYON VE KEMİOSMOSİS Elektron taşıma sisteminde NADH ve FADH 2 ye bağlanan hidrojenler yardımıyla yolaklarda ortaya çıkan elektronların enerjileri kademeli olarak azaltılır ve son olarak bu elektronlar O 2 atomuna aktarılarak, oksijen indirgenir ve su haline dönüştürülür. Bu şekilde bir glikozun, toplam enerjisinin %34 ü kullanılarak 32ATP elde edilir (Şekil 9.16).
KEMİOSMOSİS Elektron taşıma sistemi yolakları boyunca açığa çıkan H + iyonlarının, mitokondri zarlarında yer alan ve hidrojen derecelenmesi (gradienti) ile çalışan proton pompaları yardımıyla, açığa çıkan enerji ile ADP yi fosforillemesi ile ADP den ATP sentezi gerçekleşir. Bu olaya kemiosmosis adı verilir. 5 basamakta gerçekleşen bir olaydır. Buna göre; 1.Hidrojen atomları, elektron taşıma sistemi yardımıyla zarlar arasındaki bölgeye bırakılır. Hidrojen gradienti ile bu H + iyonları proton pompalarının membrana çıpalanmış, tutunan, sabit kısmı (Stator) ile yakalanır. 2. Bunların hareketli (Rotor) kısma gelmesi ile bu kısım şeklini değiştirir ve döner. Herbir alt birimine H + bağlanması ile dönme hareketi ortaya çıkar. 3.Bu dönme hareketi ile H + iyonları mitokondri matriksinde serbest bırakılır. 4.Rotor kısmının dönmesi ona bağlı iç rot (internal rod) kısmının dönmesine neden olur. Böylece katalitik kısım (Catalytic knob) hareket eder. 5. Katalitik kısmın hareket etmesi ile bir iyonik fosfat (P i ) bir ADP den ATP sentezlenmesini katalizler (Şekil 9.14)
Aerobik Solunumun Düzenlenmesi ve Kontrolü (Şekil 9.20) Glikoz katabolizması ATP konsantrasyonu tarafından ve Sitrat Döngüsü (Krebs Çemberi) içinde oluşan sitrat molekülü tarafından, baskılanarak kontrol edilir. Sitosölde yer alan adenozin mono fosfatın (AMP) ise oksidasyonu uyarıcıtetikleyici (stimule edici) etkisi vardır.
FERMANTASYON ve OKSİJENSİZ SOLUNUM (Şekil 9.17) Oksijen yokluğunda son elektron alıcısı olarak Laktat ve Asetaldehit gibi organik molekülleri kullanırlar. Bakterilerde son ürün daha da değişkendir. Ör:Metanojenler karbondioksiti kullanırlar, kükürt bakterileri sülfat kullanır (Şekil 7.18).
Fermantasyonda son elektron alıcısı olarak farklı organik bileşikler kullanılabilir. Fermantasyonda NAD + indirgenmesi ile NADH oluşur, böylece enerji yine elektron taşıma sistemi molekülleri yardımıyla organik bir moleküle aktarılır. Mayalarda, fermantasyon sonucunda Piruvat dekarbosillenir ve etanol e dönüştürülür (Şekil 9.18). Hayvanlarda, yer alan piruvat oksijenin az olduğu durumlarda laktat ta doğrudan indirgenir.
Proteinler ve Yağların Katabolizması Protein katabolizmasında amino grupları uzaklaştırılır. Yağ asitlerinin katabolizmasında asetil grupları üretilir. Yağ asitleri β-oksidasyonla ardışık asetil gruplarına dönüştürülür (Şekil 9.19). Krebs içinde, bu asetil gruplar oksidasyonu ve elektron taşıma zinciri için NADH oluşturmayı sağlarlar.
Doğru metabolik işleyiş az sayıda anahtar rolü olan yolağa bağlıdır. Bu işleyişte Asetil-CoA nın pek çok rolü vardır. Yüksek sayıda ATP, asetil-coa, yağ asitlerine dönüşmesini tetikler. Metabolizma Yolaklarının Evrimi Önemli metabolik yolakların anlaşılması, metabolizmanın evrimi için kabul edilen varsayımlara dayanır. Erken yaşam formları, mevcut karbon bazlı moleküllerin bozulması çevreye dağılmıştır ve hala ortamda bulunmaktadır. Buna bağlı olarak Glikolizin evrimin erken basamaklarında oluştuğu düşünülmektedir.
Kaynaklar Campbell Biology 10th ed.(2014) Neil A. Campbell, Jane B. Reece, Unit 2, Part:8, p: 162-184 Pearson Benjamin Cummings, 1301 Sansome St., San Francisco, CA 94111. Biology / 9th ed (2008)Peter H. Raven George B. Johnson, Kenneth A. Mason, Jonathan B. Losos, Susan R. Singer, Chapter 7, p:122-146. The McGraw-Hill Companies, Inc., 1221 Avenue of the Americas, New York, NY 10020.