ÜNİTE 7:HÜCRESEL SOLUNUM Hücreler iş yapabilmek için enerjiye gereksinim duyarlar. Enerji ekosisteme güneş enerjisi yoluyla gelir ve ototrof canlılar sayesinde güneş enerjisi besinlerdeki kimyasal bağ enerjisine dönüştürülür. Besinlerini dışarıdan alan canlılar ise kimyasal bağ enerjisinden yararlanarak enerji gereksinimini karşılarlar. Besinlerin yapıtaşları hücreler içerisinde parçalanarak iş enerjisi ortaya çıkar. Fermantasyon alkollü içeceklerin üretilmesinde temel bir olaydır. Eski Sümerlerden beri bilinen bu olay sayesinde besinler oksijensiz olarak parçalanır ve etil alkol meydana gelir. Hücresel solunum olayları hücre sitoplazmasında ve mitokondri de birçok basamak şeklinde gerçekleşir.bu olaylar sırasında çeşitli enzimler kullanılır. Bakteriden insana kadar bütün canlılar da temel reaksiyon basamakları aynıdır. Besinlerdeki enerjinin açığa çıkması arabaların içerisindeki benzinden enerji elde edilmesine benzetilebilir. Glukozun parçalanması ile molekül başına -686 kcal lük serbest enerji açığa çıkar. Bu olay ekzotermik bir reaksiyondur. Glikozdan enerji elde etmek için üç ana yol izlenir bunlardan birincisi glikolizdir sonra hücresel solunum ve fermantasyon olayları gerçekleşir. Glikoliz oksijenli solunum ve oksijensiz solunum (Fermantasyon) olaylarında ortak olan kademedir ve hücre sitoplazmasında gerçekleşir. Redoks reaksiyonları Hücresel solunum reaksiyonlarında elektronlar aktarılır. Elektronların yer değiştirmesi sırasında besin moleküllerinde depolanmış enerji açığa çıkar ve bu enerji yardımıyla ATP sentezlenir. Elektron aktarımları, oksidasyon-redüksiyon(yükseltgenmeindirgenme) ya da redoks tepkimeleri olarak adlandırılır. Bir bileşik elektron kaybederse okside olur yani yükseltgenir, bu sırada ise bir başka madde elkeronu alır ve indirgenir. C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 > 6 CO 2 + 6 H 2 O + Enerji G= -686 kcal Şekil 7.2 Yükseltgenme-indirgenme çifti Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi A bileşiği redükleyici ajan olarak adlandırılır ve bu bileşik B yi redükler yani indirger.bu sırada ise A elektronlarını kaybettiği için oksitlenmiş olur.b ise oksitleyici ajan olarak adlandırılır ama reaksiyon sonunda kendi indirgenir. Redoks çifti aynı zamanda bir enerji transferini de içerir.indirgenmiş madde olan A sahip olduğu elektronları B ye aktararak bir enerji transferi de yapmış olur. Koenzim NAD başlıca elektron taşıyıcısıdır. Hücresel solunum reaksiyonları sırasında Glukoz da bulunan hidrojenler oksijene aktarılarak su oluşturması ve bağlardaki enerjinin serbest bırakılması sağlanır. Temel enerji maddeleri olan proteinler, yağlar ve Şekil 7.1 Hayatın enerjisi
karbonhidratlar hidrojen ile bir arada olan elektronların yedek deposu olarak görülebilir. Elektronların daha düşük bir enerji düzeyine geçişini dizginleyen şey aktivasyon enerjisi engelidir. Bu enerji gereksinimi İlk iki aşama olan Glikoliz ve Krebs de besin maddeleri parçalanmaya uğrar.hücre sitoplazmasında glikoliz meydana gelir.daha sonraki olaylar ise Mitokondri de gerçekleşir. Glikoliz ve Krebs de enzimler yardımıyla elektronlar NAD ye aktarılır. Solunumun üçüncü aşamasında ise elektron taşıma zinciri NAD yardımıyla taşınan elektronları kabul eder ve oksijenle basamak reaksiyonlarıyla birleşmesi sağlanır. Bu sırada ATP yapımı gerçekleşir. Bu yolla ATP yapımına oksidatif fosforilasyon adı verilir. Şekil 7.3 NAD nin indirgenmesi ve yükseltgenmesi olmasaydı besin oksijen ile kendiliğinden birleşebilirdi. Besinlerden kopan hidrojenler öncelikle NAD(Nikotinamid adenin dinükleotit) adı verilen bir koenzime verilirler. Dehidrojenaz adı verilen enzimler glukozdan bir çift hidrojen atomunu uzaklaştırır.enzim iki elektronu bir proteonla birlikte NAD ye verir. Diğer proteon ise hidrojen iyonu(h + ) halinde çevredeki çözeltiye bırakılır. Besinlerden koparılan ve NAD ye aktarılan hidrojenler den daha sonra oksijenle birleştirilmesi ve su oluşturulması aşamaları vardır. Bu aşamalar birden gerçekleşmeyip basamaklar halinde gerçekleşir.bu yolla enerjinin birden kaybolması engellenir ve ATP yapımında kullanılması sağlanır. Hidrojen atomlarının elektron akış sırası şöyledir. Besin NADH elektron taşıma zinciri Oksijen Hücresel solunuma genel bakış Bu reaksiyonlar şu aşamadan oluşur. 1.Glikoliz 2.Krebs döngüsü(sitrik asit devri) 3.Elektron taşıma zinciri Şekil 7.4 Enerji üretim yol basamakları Hücresel solunum reaksiyonları glukoz içerisinde depolanmış enerjinin açığa çıkmasına olanak verir.
Glikoliz (Glukozdan Pirüvata) Şekil 7.5 Glikoliz
Glikolizde glukoz 2 molekül piruvata oksitlenerek sitoplazma seviyesinde net 2 ATP ve 2NADH+H yapımı sağlanır. Glikoliz sırasında CO 2 açığa çıkmaz bu olaylar ortamdaki serbest oksijene bağlı değildir. Oksijenli ve oksijensiz solunumun buraya kadar olan reaksiyonları ortakdır. Piruvat hala enerji içeren organik bir moleküldür. Daha fazla enerjinin oluşabilmesi için bundan sonraki olayların mitokondride gerçekleşmesi gerekir.oksijen varlığında Piruvat mitokondri içerisinde tamamen H 2 O ve CO 2 kadar oksitlenir ve ATP sentezi gerçekleşir. Daha sonraki basmaklarda sitrat okzaloasetata tekrar dönüşür.döngüsel reaksiyonlar sırasında CO 2 açığa çıkar. Bu reaksiyonlar çoğunlukla mitokondri sitoplazmasında gerçekleşir. Reaksiyonlar sırasında enerjinin büyük bir kısmı NADH içerisinde saklanır.her döngüye giren asetil KoA için üç tane NADH oluşur.altıncı basamak reaksiyon sırasında elektronlar NAD ye değilde FAD ye aktarılır. Ayrıca reaksiyon basmakları sırasında sübstrat seviyesinde direkt sitoplazmada ATP yapımı gerçekleşir. Glikoliz ve Krebs döngüsü her glikoz molekülü için dört ATP molekülü oluşumunu sağlar. Dört ATP nin ikisi glikoliz ikisi de krebs de sentezlenir. Bu reaksiyonlar sırasında Glukoz karbondioksite kadar oksitlenir. Enerji ise hidrojen elektonları ile NAD ve FAD tarafından tutulur. Şekil 7.6 Piruvatın asetil CoA ya dönüşmesi Krebs devri reaksiyonları Mitokondriye giren piruvat önce Asetil koenzim A adlı bileşiğe dönüşür. Glikoliz ile mitokondri matriksinde gerçekleşen krebs arasındaki bu reaksiyon basamağında çeşitli olaylar gerçekleşir.önce piruvatdan karboksil grubu uzaklaştırılır ve CO 2 açığa çıkar.koparılan elektronlar enzim aracılığıyla NAD + ye aktarılarak NADH formunda enerji depo edilir. Son olarak da B vitaminden türemiş ve kükürt içeren bileşik olan koenzim A devreye girer ve Piruvat dan Asetil Koenzim A oluşmasını sağlar. Böylece Mitokondri içerisinde piruvatdan asetil koenzim A oluşarak bir sonraki basamak olan krebs devri reaksiyonları için ön basamak reaksiyonları tamamlanmış olur. Hans Krebs in çalışmalarıyla ortaya çıkarılan reaksiyonlar Krebs devri reaksiyonları olarak bilinir. Krebs devrinin her döngüsünde iki kabon atomlu asetil koa devreye girer ve CO 2 halinde okside olmuş iki farklı karbon atomu döngüden çıkar. Asetil KoA okzaloasetat ile birleşerek sitratı oluşturur. Elektron taşıma yolu (ETS) Elektron taşıma zincirini meydana getiren enzimler mitokondri iç zarına gömülü olarak bulunurlar.iç zar olan kristaların çok sayıda kıvrım oluşturması her mitokondrinin çok sayıda enzim taşımasına olanak sağlar. Elektronların taşınma sırasını oluşturan protein enzimlerin diziliş biçimleri elektronlara karşı gösterdikleri ilgilerine göre dizilmişlerdir.bunlar elektronları kendisinden daha çok elektronlara karşı çekim etkisi gösteren komşusuna devreder ve enzimin kendisi yükseltgenir komşu protein ise indirgenir.zincirin sonunda çok elektronegatif olan oksijen bulunur.
Şekil 7.8 Krebs döngüsü
ATP yapımı Mitokondri iç zarında ATP sentaz adı verilen ve ATP yapımını gerçekleştiren bir çok sayıda protein molekülü bulunur. Hidrojen iyonları yoğunluk farkından dolayı zarlar arası bölgeden mitokondri matriksine doğru geçmek için bir güç oluştururlar. ETS zincirini oluşturan enzimler NADH ve FADH dan gelen elektronları taşıdıkça hidrojen iyonları mitokondri zarları arasındaki bölgeye pompalanır. Bu bölgede biriken hidrojen iyonları tekrar mitokondri matriksine geçmek ister işte bu güç ATP yapımında kullanılır. Şekil 7.9 ETS sırasında serbest enerji değişimi NADH dan oksijene doğru akan elektronların toplam enerji düşüşü 53 kcal/mol dur ve bu düşüş bir anda değil birçok basamak sırasından oluşur. NADH tarafından tutulan elektronlar bir flavoprotein olan FMN ye aktarılır. Bir sonraki redoks reaksiyonunda ise elektronlar demir kükürt proteinine aktarılır. Bu proteinde elektronları Ubikinon adı(q) verilen bileşiğe aktarır bu elektron taşıyıcısı bir yağ molekülüdür ve zincirdeki protein olmayan tek bileşiktir. Q bileşiği ile oksijen arasındaki bileşikler ise daha çok sitokrom adı verilen proteinlerdir. Bu proteinlerin prostetik grubu bir demir atomu etrafında yerleşmiş dört tane organik halka içeren hem grubudur.bu yapı alyuvarların içerisindeki hemoglobinin yapısına çok benzer. Fakat sitokromlar oksijen değil elektronların taşınması işlemini gerçekleştirir. NADH dan başka elektron kaynağı FADH dır.fakat bu molekül elektronları daha düşük bir enerji seviyesinden taşınmasını gerçekleştirir. Elektron taşıyıcısı NADH değil de FADH olsaydı ATP sentezi üçte bir oranında daha az gerçekleşirdi. Şekil 7.10 ATP sentaz moleküler değirmeni Silindir şeklindeki rotor mitokondri iç zarına yerleşmiştir.buradan akan H iyonları onun saat yönünde dönmesini sağlar. Rotoru tokmağa bağlayan iç çubuk da döner.mitokondri matriksin de bulunan tokmak da fosfatla ADP yi birleştirerek ATP yapar. Bu kompleks molekül mitokondri ve kloroplast zarlarında prokaryotlar da ise hücre zarında bulunur. ATP sentazın dört bölümü çok sayıda polipepetid zincirinden meydana gelmiştir.
Şekil 7.11 Elektron taşıma sistemi ile ATP sentezlenmesi Glikoliz ve krebs döngüsü sırasında glukozdan koparılan yüksek enerjili elektronlar NADH ve FADH üzerinden mitokondri iç zarında yer alan ETS ye aktarılır. Elektronlar bu zincir tarafında oksijene kadar aktarılır. Zincirdeki her kompleks elektronları alıp verdikçe hidrojen iyonlarını mitokondri sitoplazmasından (Matrix) zarlar arası bölgeye pompalar. Böylece başlangıçta besinden elde edilen kimyasal enerji, iç zarın her iki yüzü arasında H + yoğunluğu farkı haline dönüştürülür. Hidrojen iyonları yine iç zara yerleşmiş haldeki bir başka protein olan ATP sentaz içindeki kanaldan geçerek matrikse geri dönerler. Ama bu sırada ATP sentezi gerçekleştirilir. Hidrojen iyonları yoğunluğu farkından kaynaklanarak ATP sentezi sadece mitokondrilerde değil kloroplastlarda ve bakteri iç zarlarında da görülür. ATP sentaz molekülü daha önce açıklandığı gibi rotor, iç çubuk ve tokmaktan meydana gelir.
Şekil 7.12 Hücre solunumu ATP verimi Hücre solunumu sırasında enerji akışı Glukoz NADH ETS ATP şeklindedir. Glikoliz ve krebs döngüsü sırasında sübstrat seviyesinde ATP sentezi ve çok sayıda oksidatif fosforilasyonla ATP sentezi gerçekleşir.besinden ETS ye aktarılan bir çift elektronun NADH ile taşınması en fazla 3 ATP sentezi gerçekleştirecek gücü sağlar FADH ile bir çift elektron taşınması ise 2 ATP lik bir güç oluşturabilir. Oksidatif fosforilasyonla üretilen 34 ATP ayrıca sübstart seviyesinde üretilen net 4 ATP ile birlikte toplam 38 ATP meydana gelmiş olur. Fermentasyon Besinlerin oksijensiz olarak parçalanması fermantasyon olarak(mayalanma) adlandırılır.hücre sitoplazmasında gerçekleşen bu olaylar sırasında net ATP lik bir kazanç vardır. Alkolik fermantasyonda Glukozdan oluşan 2 mol piruvat etil alkole dönüştürülür.piruvat önce asetaldehite dönüşür bu sırada 2 CO 2 oluşur.daha sonra asetaldehit 2 Etil alkole dönüşür, bu sırada glikoliz den oluşan 2NADH burada kullanılır. Maya tarafından yapılan alkolik fermantasyon bira ve şarap üretiminde kullanılır. Şekil 7.13 Alkolik fermentasyon
Laktik asit fermentasyonunda ise 2 Piruvat molekülü NADH tarafından indirgenerek 2 laktik asite dönüşür bu sırada CO 2 meydana gelmez. Bazı mantar ve bakteriler tarafından da peynir ve yoğurt oluşumunda bu yol kullanılır. İnsan kas hücreleri oksijen yetersizliğinde laktik asit fermentasyonuyla ATP üretirler.son ürün olan laktatın kaslarda birikmesi kas yorgunluğuna sebep olur. Laktat daha sonra karaciğere taşınır ve orda tekrar piruvat oluşturulmasında kullanılır. gerçekleşirken oksijenli solunumda mitokondri organeline ihtiyaç vardır. Birçok bakteri ve mantar gibi mikroorganizma bu yolla enerjilerini elde eder. Yeryüzünde ilk oluşan prokaryotlar atmosferde oksijen olmadığı için fermentasyona benzer yöntemleri kullanmışlardır.dolayısıyla Glikoliz ilk evrimleşen metabolik yoldur. Metabolik yollar Şekil 7.14 Laktik asit fermentasyonu Fermentasyon ve Solunum İki metabolik yolunda Glikoliz reaksiyonları aynıdır. Glikolizden sonraki reaksiyonlar farklıdır.oksijenli solumda daha çok enerjinin elde edilmesi Glukozun CO 2 kadar oksitlenmesinde yatar. Ayrıca fermentasyon hücre sitoplazmasında Şekil 7.15 Oksijenli ve oksijensiz solunum karşılaştırması Şekil 7.16 Besin maddelerinin parçalanması Hücresel solunumda kullanılan ana kaynak karbonhidratlardır. Fakat yağlar ve proteinlerde metabolizmaya çeşitli yollardan katılabilir. Proteinler önce amino asitlere dönüştürülür. Daha sonra amino grupları uzaklaştırılarak glikoliz ve krebs döngülerine katılırlar.bu işlem deaminasyon olarak bilinir. Bu azotlu atık hayvan tarafından amonyak, üre ya da diğer atık ürünler halinde vücuttan dışarı atılırlar. Yağların sindirimi sonucu oluşan gliserol glikolizin ara ürünlerinden birisi olan gliseraldehitin fosfata çevrilir. Yağdaki enerjinin çoğu yağ asitlerinde depolanır. Beta oksidasyon denilen bir yolla yağ asitleri iki karbonlu parçalara yıkılır. Bu parçalar daha sonra asetil CoA şeklinde krebs döngüsüne katılır.
Hücre solunumu kontrolü Glikoz Şekil 7.17 Geri besleme ile solunum kontrolü Metabolizmanın düzenlenmesi hücre devamlılığı için esastır. Eğer metabolizmada bir doygunluk aşırı üretim varsa son meydana gelen bir ürün ilk basamaklardan birini üretilmesini engelleyerek zincirsel reaksiyonu durdurur. Eğer ATP üretimi azsa krebs metabolizması hızlanır fakat fazla ATP üretilmişse ATP reaksiyonlar yavaşlamaya başlar. Aktivitesi yavaşlatılarak metabolizmanın kontrol edilmesini sağlayan en önemli enzimlerden biri glikolizin 3. Basamağını katalizleyen fosfofruktokinaz dır.bu basamağın hızının kontrol edilmesiyle tüm süreç hızlandırlabilir ya da yavaşlatılabilir. Fosfofruktokinaz krebs döngüsünün bir ürünü olan sitrata duyarlıdır. Eğer mitokondride sitrat birikirse bunun bir kısmı sitoplazmaya geçer ve fosfofruktokinazın çalışmasını durdurur. Sirtarın birikmesiyle glikoliz yavaşlar ve krebs döngüsüne giren asetat miktarı azalır.