HÜCRESEL SOLUNUM
Her hücrenin hayatsal fonksiyonlarının yapımı ve devamı enerji ile sağlanır. Hücre büyümesinden, harekete, membran taşınımına kadar hücrenin tüm aktiviteleri enerji gerektirir. Biyolojik dünyaya akan enerjinin temelinde güneş vardır. Güneş enerjisi dünyadaki bazı yapılar (bitkiler) tarafından tutulur ve kimyasal enerjiye dönüştürülür. 2
Bu kimyasal enerji bir canlıdan ötekine taşınır ve her türlü canlının oluşumuna temel teşkil eder. Canlı hücreler, kompleks ve hassas bir şekilde düzenlenen enerji üreten (ekzergonik) ve enerji harcayan (endergonik) reaksiyonlara sahiptirler. 3
4
Metabolik reaksiyonlardan enerji eldesi için kullanılanların, yani karbonhidrat, lipid, protein gibi maddelerin yıkımı katabolizma olarak adlandırılırken, daha basit moleküllerden (monomer) daha karmaşık yapıları (karbonhidrat, lipid, protein, nükleik asit) yapan reaksiyonlara anabolik reaksiyonlar (anabolizma) denir. Her iki reaksiyon çeşidi arasında esas bağlantı ATP ile sağlanır. 5
Bütün canlılar ATP ye sahiptirler ve bunu esas (primer) enerji molekülü olarak kullanırlar. ATP, adenozin (adenin + riboz) kısmına 3 fosforil (PO 4-3 ) grubunun bir fosfoester bağı ve iki fosfoanhidrit bağı ile bağlanması ile oluşur. ATP nin tüm canlılar tarafından esas enerji molekülü olarak seçilmesinin esas sebeplerinden biri bu molekülün fosfoanhidrit bağlarının yıkılması sonucu açığa çıkan yüksek miktardaki serbest enerjidir. 6
Bu durum ya bu molekülden bir fosforil grubunun başka bir moleküle transferi veya AMP nin transfer edilerek geriye pirofosfatın (PPi) kalması ile mümkündür. 7
ATP nin Yapısı 8
Fotosentez hariç, biyolojide bütün enerji oksidatif proseslerden sağlanır. Aerobik organizmalarda en son elektron alıcı molekül oksijendir. Bu canlılarda glukoz en son karbon dioksit ve suya dönüştürülür ve büyük miktarlarda enerji (690 kcal/mol glukoz) açığa çıkar. Ancak bu enerjinin bir kısmı (% 40 kadarı) ATP formunda kazanılır, geriye kalanı ise ısı şeklinde diğer amaçlar için (vücut ısısını dengede tutmak gibi) kullanılır. 9
Glukozun yukarıdaki iki inorganik moleküle oksidasyonu tek bir basamakta gerçekleşmez. Bunun yerine, genellikle glukoz üç ana metabolik yol ve 30 dan fazla basamakla yakılır. Bu metabolik yollar: glikoliz, trikarboksilik asit döngüsü (TCA veya Krebs) ve elektron transport sistemidir: 10
SOLUNUM İki çeşit solunum vardır HÜCRE DIŞI SOLUNUM: Canlıların dış ortamdan O 2 alıp, dış ortama CO 2 vermeleridir. HÜCRE İÇİ SOLUNUM: Canlıların hücrelerinde meydana gelen ve organik besin maddelerinin O 2 ile yakılarak enerji elde edilmesiyle sonuçlanan bir reaksiyondur. 11
Ekosistemde ki enerji akışında bitkiler ve hayvanlardaki mitokondriler fotosentezin organik ürünlerini yakıt olarak kullanırlar. Solunum sonucu açığa çıkan enerji hücresel işler için kullanılır. Organik ve inorganik maddeler çevrime uğrarken, enerji çevrime uğramaz ekosisteme giren güneş enerjisi ısı olarak ekosistemi terk eder. 12
Hücre Solunumu Hücre solunumunun iki basamağı bulunmaktadır; Glikoliz Oksijenli veya Oksijensiz solunum 13
Oksijenli (Aerob) Solunum Organik bileşiklerdeki kimyasal bağların oksijenli ortamda yıkılarak enerji elde edilmesidir. Son ürünler CO 2 ve H 2 O dur. Oksijensiz (Anaerob) Solunum Glikozun oksijensiz ortamda etil alkol ve laktik asite kadar yıkılarak enerji elde edilmesidir. Fermantasyon da denir. 14
Hücre Solunumuna Genel Bakış 15
GLİKOLİZ Glikolitik yol, glukozun enerji (ATP ve NADH+H) ve diğer metabolik yollara ara ürün sağlamak için pirüvata kadar yıkılmasıdır. Glikoliz tüm dokularda oluşur. Glukoz karbonhidrat metabolizmasının merkezinde yer alır çünkü hemen hemen tüm şekerler glukoza dönüştürülebilir. 16
Glukozun pirüvata kadar yıkım sürecine glikoliz adı verilir. Pirüvatın bundan sonraki kaderi ortamın oksijenizasyon derecesine, dokunun mitokondrisi olup olmaması gibi faktörlere bağlı olarak belirlenir. Glikoliz hem aerob hem de anaerob şartlarda gerçekleşen bir süreçtir. Mitokondrisi ve yeterli oksijeni olan hücrelerde glikolizin son ürünü pirüvattır (aerobik glikoliz). Glukozun laktat a dönüşümü ise anaerobik glikolizdir. 17
Glikoliz olayı; C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O 6CO 2 + 6H 2 O + enerji (ısı-atp-nadh) şeklinde reaksiyon özetlenebilir. Sitoplazmada sitoplazmik enzimlerle gerçekleşir. Temel amaç enerji elde etmektir. 18
1. Kolaylaştırılmış difüzyon: GLUT: glukoz transporter GLUT1: RBC, damar endotel hücrelerinde, beyin, böbrek, kolon ve plasentada yer alan ve bu dokularda glukoz yakalanması, bazal glukoz transportundan sorumlu olan taşıyıcıdır. GLUT2: Karaciğer, pankres, incebarsak ve böbrek proksimal tüp hücrelerinde bulunan ve bu dokularda glukozun hızlı yakalanması ve salınmasını sağlayan taşıyıcıdır. 19
GLUT3: Glukoza affinitesi en yüksek olan, temel olarak beyin nöronlarında ve böbrek ve plasentada bulunan ve glukozun nöronlarda yakalanması ve transportunu gerçekleştiren taşıyıcıdır. GLUT4: Yağ, kas hücrelerinde bulunan glukozun insülinle uyarılan yakalanmasını gerçekleştiren taşıyıcıdır. İnsülinle uyarılabilen tek GLUT budur. 20
GLUT5: İnce barsakta ve böbrekte yer alır. Aynı zamanda fruktozunda taşınımını gerçekleştirir. GLUT6: Nonfonksiyonel GLUT7: Karaciğerde mikrozomal fraksiyonda yer alır. Endoplazmik retikulumdan glukozun salınımını gerçekleştirir. 21
2. Kotransport: Konsantrasyon farkına karşı taşıma söz konusudur. Glukoz Na ile beraber taşınır. Bu tip taşıma işlemi barsak epitel hücreleri, böbrek tübülüslerinde ve coroid pleksusda oluşur. SGLT1: İnce barsaklarda ve böbrekte yer alır. Glukozun ince barsakta Na a bağlı kotransport sistemi ile hücreye alınmasını ve böbrek proksimal tübülünde konsantrasyon gradiyentine karşı emilimini sağlar. 22
Glikoliz Reaksiyonları Glikoz molekülü, ATP den 1 fosfat alır ve glikoz mono fosfat molekülüne dönüşür. Glikoz monofosfat, enzimler yardımıyla fruktoz monofosfat molekülüne dönüşür. Fruktoz monofosfat, ATP den 1 fosfat alır ve fruktoz difosfat molekülüne dönüşür. Böylece substrat aktifleşmiş olur. Fruktoz difosfat, 2 PGAL molekülüne parçalanır. 23
2 PGAL' den, 2 hidrojen ayrılır ve kalan moleküle sitoplazmadan 2 fosfat katılarak, 2 DPGA molekülü oluşur. Açığa çıkan H + iyonları, NAD ++ tarafından yakalanır. Böylece 2 NADH 2 molekülü sentezlenir. 2 DPGA molekülü, 2 fosfat kaybeder 2 PGA molekülüne dönüşür. Bu dönüşüm reaksiyonları sırasında, 2 ATP sentezlenir. 2 PGA molekülü, 2 fosfat kaybeder ve 2 pürivik aside (piruvat) dönüşür. Bu dönüşüm reaksiyonları sırasında; 2 ATP daha sentezlenir. 24
C 6 H 12 O 6 (C 3 H 4 O 3 ) (C 3 H 4 O 3 ) 25
Bu işlemler sona erdiğinde 2NADH 2, 4ATP ve 2Pirüvat açığa çıkar. 2 ATP reaksiyonun başında glikozu aktifleştirmek için kullanıldığı için bu aşamada net kazanç 2ATP ve 2NADH 2 dir. 26
Glikoliz sonucu oluşan piruvattan 1CO 2 ve 2H ayrılır ve piruvat 2C lu Asetil CoA (Aktif Asetik Asit) e dönüşür. Krebs evresini başlatan molekül Aktif Asetik Asit tir. Aktif Asetik Asit 4C lu bir molekül ile birleşerek 6C lu Sitrik Asit i oluşturur. Sitrik Asit bir dizi reaksiyon sonucu 4C lu bir bileşiğe dönüşür. Bu 4C lu bileşik tekrar sitrik asit çemberine katılır. 27
2. Trikarboksilik asit döngüsü TCA mitekondrinin matriks (iç zarın çevrelediği sıvı) kısmında meydana gelir. 28
Kreps reaksiyonları evresi; Asetil Co-A oluşumu ve kreps çemberi olmak üzere iki aşamada gerçekleşir. 29
Asetil Co-A oluşumu: Glikoliz evresi sonunda oluşan pirüvat, mitokondri içine girer. Pirüvat molekülünden, 1 CO 2 ve 2H + iyonu ayrılarak; 1 Asetil CoA molekülü oluşur. Ayrılan H + iyonları, NAD tarafından yakalanır ve 1 NADH 2 sentezlenir. Oluşan Asetil Co-A molekülü ise, kreps çemberine katılır. 30
Asetil-CoA molekülü, okzalo asetik asit ile birleşerek sitrik asiti oluşturur. Sitrik asitten, 2 H + iyonu ve 1 CO 2 ayrılarak; α-ketoglutarik asit oluşur. Serbest kalan H + iyonları, NAD tarafından yakalanır ve 1 NADH 2 sentezlenir. α-ketoglutarik asit ten 2H + iyonu ve 1 CO 2 ayrılarak; Süksinil CoA oluşur. H + iyonları, NAD tarafından yakalanır ve 1 NADH 2 sentezlenir. Süksinil CoA molekülü, Süksinik asit molekülüne dönüşür ve açığa çıkan enerjiden; 1 ATP sentezlenir. 31
Süksinik asit molekülü, Fumarik asit molekülüne dönüşürken; 2 H + iyonu ayrılır. H + iyonları, FAD tarafından yakalanır ve 1FADH 2 sentezlenir. Fumarik asit, Malik asite dönüşür. Malik asit, Oksaloasetik asite dönüşürken; 2H + iyonu ayrılır. H + iyonları, NAD tarafından yakalanır ve 1 NADH 2 sentezlenir. 32
Sonuç: Kreps reaksiyonları evresi sonunda, 1 pürivat molekülüne karşılık; 1 ATP,4 NADH 2 ve 1 FADH 2 sentezlenirken, 3 CO 2 açığa çıkar. Kreps reaksiyonları evresinde, 2 pürivat kulladıldığından; toplam: 2 ATP, 8 NADH 2 ve 2 FADH 2 sentezlenir ve 6 CO 2 açığa çıkar. Kreps reaksiyonlarının gerçekleşmesi sırasında 6 H 2 O kullanılır. 33
34
1) Sitrat oluşumu 35
2) İzositrat oluşumu: İki basamaklı Dehidratasyon / Hidratasyon prosesidir. Akonitaz cis-akonitat ara ürününü kullanarak tersinir izomerizasyon reaksiyonunu katalizler. 36
3) İzositratın -ketoglutarata oksidasyonu: İlk CO2 ve NADH üretilir. 37
4) -Ketoglutaratın oksidatif dekarboksilasyonu: -Ketoglutarate dehidrogenaz kompleksi 3 subüniteye sahip bir komplekstir ve pirüvat dehidrogenaz gibi benzer kofaktörleri kullanır. CO 2 ve NADH ın üretildiği 2.basamak 38
5) Süksinat sentezi: Süksinil-CoA nın tioester bağ hidrolizi ile salınan enerji GTP olarak korunur. Bitki ve mikroorganizmalar yanlızca bu basamakta ATP sentezler. 39
6) Süksinatın fumarata oksidasyonu 40
7) Fumaratın Malata hidrasyonu:fumaraz trans-çift bağa karşı spesifiktir, cis-versiyonunu malata dönüştürmez. Trans- 41
8) Malat ın Okzaloasetata oksidasyonu:tca döngüsünde son basamaktır ve NAD + tarafından alkol grubu ketona okside edilir. 42
DG' = -32.2 kj/mol DG' = 29.7 kj/mol DG' = 13.3 kj/mol DG' = -3.8 kj/mol DG' = 0 kj/mol DG' = -20.9 kj/mol DG' = -2.9 kj/mol DG' = -33.5 kj/mol From Lehninger 43 Principles of Biochemistry
44
TCA DÖNGÜSÜNDE ÜRETİLEN ENERJİ: Bir mol asetil CoA = 12 mol ATP. 3 NADH 9 ATP. 1 FADH2 2 ATP. 1 mol GTP.. 1 Mol ATP. 45
TCA döngüsü enerji verimi: 46
3. ETS (Elektron Taşıma Sistemi) ETS mitekondrinin krista (iç zarın matriks içinde yaptığı kıvrımlar) kısmında bulunur. 47
Bu evrede; glikoliz ve kreps reaksiyonları evresinden gelen hidrojenler, oksijenle yakılarak (oksitlenerek) ATP sentezlenir. Elektron taşıma sistemi; NAD, FAD, CoQ ve sitokrom sistemi' den oluşur. ETS' yi oluşturan moleküller, elektron çekim kuvvetlerine göre; küçükten-büyüye doğru şöyle sıralanır: 48
Glikoliz ve kreps reaksiyonlarında açığa çıkan H + iyonları ve elektronlar, mitokondri kristasına aktarılır. H + iyonları, NAD, FAD ve CoQ tarafından yakalanır ve krista zarının, dış zar kısmına bakan boşluğa bırakılır. Elektronlar ise NAD, FAD, CoQ ve sitokrom sistemi tarafından oksijene doğru taşınır. Elektronlar, NAD tan FAD a aktarılırken 1 ATP; Sitokrom-b den-sitokrom-c ye aktarılırken 1 ATP; Sitokrom-a dan-sitokrom-a3 e aktarılırken 1 ATP üretilir. 49
Böylece NAD ın yakaladığı hidrojenler için: 3ATP; FAD ın yakaladığı hidrojenler için : 2ATP sentezlenir. Elektronlar son olarak oksijen tarafndan yakalanır. Zarın diğer tarafındaki H + iyonları da oksijenen tarafından yakalanır. Böylece; hidrojenler oksijen ile yakılarak H 2 O oluşur. ETS de 24 H + iyonu, 6 O 2 ile yakılarak; toplam: 12 H 2 O oluşur. Kreps reaksiyonlarında 6 H 2 O kullanıldığından; oksijenli solunum sonunda 6 net H 2 O açığa çıkar. 50
51
52
Organik besin monomerlerinin oksijenli solunuma katılması 53
Oksijensiz (Anaerob) Solunum Havanın serbest oksijenini kullanmadan yapılan solunuma oksijensiz (anaerob) solunum adı verilir. Oksijensiz solunumun diğer bir ismi fermantasyon (mayalanma) dur. Yeşil bitkiler genelde oksijenli solunum yaparlar. Fakat zaruret halinde kısa süre için oksijensiz solunum da yapabilirler. Halbuki bazı bakteri ve mantarlarda oksijensiz solunum normal olarak devam eder. 54
Oksijensiz solunum tıpkı oksijenli solunumda olduğu gibi glikoliz olayı ile başlar. 55
Piruvatların oluşumundan sonra gerçekleşen olaylara göre etil alkol fermantasyonu veya laktik asit fermantasyonu adını alır. 56
Laktik Asit Fermantasyonu Glikozdan başlayarak laktik asit oluşumuna kadar geçen olaylar zinciridir. Laktik Asit fermantasyonunda tıpkı oksijenli solunumda olduğu gibi glikoliz görülür. Glikoliz sonunda oluşan Piruvatlar NADH 2 lerin H 2 lerini bağlayarak laktik asite dönüşürler. 57
Laktik asit fermantasyonu sonucunda bir tane glikozdan 2 tane laktik asit ortaya çıkar ve 4ATP enerji elde edilir. Glikolizin başlangıcındaki 2ATP çıkarıldığı zaman net kazanç 2ATP olur. Omurgalıların çizgili kaslarında ve yoğurt bakterilerinde laktik asit fermantasyonu görülebilir. Az miktarda oluşan laktik asit kasların daha iyi çalışmasını sağladığı halde (sporcuların ısınma hareketleri) fazlası kana karışır ve yorgunluk hissi verir. 58
Proteinlerin yapıtaşı olan aminoasitlerin anaerobik bazı bakteriler tarafından fermente edilmesi sonucu kötü kokular açığa çıkar. Bu olaya kokuşma (putrifikasyon) adı verilir. Yemeklerin bozulmasıyla çeşitli kokuların oluşması, kokuşma olayının bir sonucudur. 59
Etil Alkol Fermantasyonu Glikozdan başlayarak etil alkol oluşumu-na kadar geçen olaylar zinciridir. Etil alkol fermantasyonunda oksijenli solunumda olduğu gibi glikoliz görülür. Glikoliz sonunda oluşan piruvatlar önce bir tane CO 2 vererek asit aldehit e dönüşürler. Asit aldehit ler NADH 2 lerin H 2 lerini bağlayarak etil alkol e dönüşürler 60
Etil Alkol Fermantasyonu Etil alkol fermantasyonu sonucunda bir tane glikozdan 2 tane etil alkol ortaya çıkar ve 4ATP enerji elde edilir. Glikolizin başlangıcındaki 2ATP çıkarıldığı zaman net kazanç 2ATP olur. Bira mayası başta olmak üzere maya mantarları ve şarap bakterilerinde görülür. Bu canlılarda fermantasyon ürünleri üremeyi durdurucu etki yapar. Örneğin bira mayasında alkol oranı %18 i geçerse üreme durur. 61