Soru: Hücresel solunum gerçekleştirme prokaryota ve ökaryatda görülür mü​

HÜCRESEL SOLUNUMUN AMACI

Canlılar yaşamsal faaliyetlerini gerçekleştirebilmek için enerjiye ihtiyaç duyarlar. Hücre zarından geçiş olaylarından bazıları, hareket, sinirsel iletim gibi pek çok yaşamsal faaliyet ATP harcanarak gerçekleştirilir. Bu ATP’nin eldesi ise besinlerin parçalanması ile sağlanır. Besin moleküllerinin kimyasal bağlarında bulunan enerji, çeşitli enzimler yardımıyla ve bazı reaksiyon zincirleri sonucunda ATP’ye ve ısıya dönüştürülür.

Canlılarda besinlerden ATP üretimini sağlayan 3 temel olay vardır:

1. Fermantasyon

2. Oksijenli solunum

3. Oksijensiz solunum

Her üç olay da canlı hücreler içerisinde meydana gelir ve canlının ihtiyaç duyduğu enerjinin üretimini sağlar.

GLİKOLİZ

Her üç enerji üretim mekanizması da glikoliz adı verilen tepkimeler zinciri ile başlar. Glikoliz prokaryot veya ökaryot tüm hücrelerde sitoplazmada gerçekleşir.  Tüm canlılar için ortak bir evredir.

Solunum ve fermantasyon tepkimeleri pek çok besin monomeri ile başlayabilir ancak genelde glikoz ile başlayan tepkimeleri inceliyoruz.

Glikoliz  tepkimeleri sonucu 1 mol glikozdan 2 adet pirüvat (3C’lu bir molekül) ve 2 adet NADH molekülü sentezlenir. Ayrıca net 2 ATP üretilir. ATP üretimi, substrat düzeyinde fosforilasyon ile sağlanır.

NAD ( Nikotinamid Adenin dinükleotid) : Bir çeşit koenzimdir. Fotosentezde görev yapan NADP ile benzer yapılıdır. Hidrojen alınca indirgenerek NADH ‘a dönüşür.

Pirüvat ya da pirüvik asit 3C’lu bir ara moleküldür. Olayın niteliğine göre gerektiğinde etil alkol gibi organik moleküllere, gerektiğinde de karbondioksit ve suya dönüştürülebilir.

Burada önemli rol oynayan moleküllerden biri de NAD’dir. Glikozun yapısında bulunan hidrojenlerden bir bölümü NAD tarafından yakalanır. Elektron alan NAD molekülleri indirgenir. Amaç, bu hidrojenleri ETS (Elektron Taşıma Sistemi) aşamasına taşıyarak her birinden ATP üretimini sağlamaktır.

NOT: Glikoliz tepkimelerinin ve diğer evrelerin  ara basamakları daha önceki yıllarda anlatılmaktaydı. Ancak yeni müfredatta yer almamaktadır.

FERMANTASYON

Glikoz moleküllerinin etil alkol, laktik asit, asetik asit gibi organik moleküllere kadar parçalanmasıdır. Oluşan moleküller yeterince küçük değildir yani koparılan bağ sayısı azdır. Bu nedenle fermantasyon sonucu oluşan ATP, solunum tepkimelerine göre oldukça azdır.

Bilmemiz gereken 2 çeşit fermantasyon vardır:

1. Etil alkol fermantasyonu

2. Laktik asit fermantasyonu

Her iki fermantasyon da glikoliz evresi ile başlar ve her ikisinin de tamamı sitoplazmada gerçekleşir.

Etil Alkol Fermantasyonu:

1 molekül glikozdan 2 molekül etil alkol, 2 CO2 ,  ATP ve ısı elde edilmesidir.

Pirüvik asit 3C’lu bir bileşikken etil alkol 2C’ludur. Bu nedenle pirüvik asit molekülü C (karbon) kaybeder ki bu da CO2 çıkışı ile sağlanır. Bu aşamada asetaldehit adı verilen bir ara molekül oluşur.

NOT: Asetaldehit ,etil alkol fermantasyonu sırasında oluşan 2 C’lu bir ara bileşiktir.

Asetil Co-A ise solunum tepkimeleri sırasında oluşan,yine 2 C’lu bir ara moleküldür. İki molekülü birbirine karıştırmamalıyız.

Ayrıca üretilen ve tüketilen ATP sayıları önemsizdir.

Biyoloji meb 12 ders kitabı sayfa 112

NAD molekülü glikolizde yakaladığı hidrojenleri Asetaldehit molekülüne aktararak yükseltgenir. Yani etil elkol fermantasyonunda son elektron alıcısı asetaldehittir.

Etil alkol fermantasyonu prokaryot ya da ökaryot bazı hücrelerde gerçekleşebilir. Üzüm suyunu sirkeye dönüştüren bakteriler, bira mayası, bazı bitki tohumları etil alkol fermantasyonu yapabilirler. Bira mayasının oksijensiz ortamda etil alkol fermantasyonu yapması sonucu oluşan CO2 , mayalanan hamurun kabarmasına neden olur. Uyku halindeki bazı tohumlarda oksijenli solunum yerine etil alkol fermantasyonu yapılır.

Laktik Asit Fermantasyonu:

1 molekül glikozdan 2 molekül laktik asit, 2 NADH  ve net 2 ATP elde edilir.

Pirüvik asit de Laktik asit de 3C’lu bileşiklerdir. Bu nedenle laktik asit fermantasyonunda CO2 çıkışı gerçekleşmez. NAD molekülü glikolizde yakaladığı hidrojenleri pirüvik aside aktarır. Yani laktik asit fermantasyonunda son elektron alıcısı pirüvik asittir.

Meb 12 biyoloji ders kitabı sayfa 115

NOT: Tüm fermantasyon tepkimeleri sitoplazmada gerçekleşir.

Laktik asit fermantasyonu, oksijenin yeterli olmadığı durumda çizgili kas hücrelerinde meydana gelir. Dinlenme veya oksijenin yeterli olması halinde laktik asit karaciğerde tekrar pirüvik aside dönüştürülerek oksijenli solunum tepkimelerinde kullanılabilir.

Laktik asit fermantasyonu ayrıca sütün yoğurda dönüşümünü sağlayan bakterilerce de gerçekleştirilir.

OKSİJENLİ SOLUNUM

Bazı prokaryotlarda ve ökaryotlarda gerçekleşen enerji üretim mekanizmasıdır. En fazla ATP üretimi oksijenli solunum ile sağlanır. Prokaryotlarda sitoplazmada başlar, plazma zarı kıvrımlarında sonlanır. Ökaryotlarda ise sitoplazmada başlar, mitokondride devam eder ve sonlanır.

Genel denklemi şu şekildedir:

Denklemin ürünler tarafında karbonlu tek bileşik karbondioksittir. Bu durumda glikoz molekülünün karbonu , karbondioksitin yapısına katılmıştır. Hatta glikozun sadece karbonu değil, oksijeni de karbondioksite geçmiştir. Glikozun hidrojeni ,ürünlerdeki suyun yapısına dahil olur. Girenler tarafındaki oksijen de ürünlerdeki suyun yapısına katılır.

OKSİJENLİ SOLUNUMUN EVRELERİ

Oksijenli solunum ard arda gerçekleşen 3 evreden oluşur:

1. Glikoliz

2. Krebs

3. ETS (Elektron Taşıma Sistemi)

Glikoliz evresini anlatmıştık. O halde Krebs döngüsü ile devam edelim.

KREBS DÖNGÜSÜ

Sitrik asit döngüsü de denir.

Karbondioksit çıkışının olduğu evredir.

Substrat düzeyinde fosforilasyon ile az sayıda ATP sentezi gerçekleşir.

NAD ve FAD molekülleri hidrojen yakalayarak indirgenir.

Sitoplazmada glikoliz sonucu oluşan pirüvik asit molekülleri mitokondriye girerek Asetil Co-A molekülüne dönüştürülür. Pirüvik asit 3C’lu,Asetil Co-A ise 2 C’ludur; bu nedenle CO2 çıkışı gerçekleşir. Bu esnada NAD molekülü de hidrojen alarak indirgenir, NADH ‘ye dönüşür. Bu evre Krebs’e hazırlık olarak da tanımlanabilir.

  Meb 12 biyoloji ders kitabı sayfa 107

Krebs döngüsünde NAD’den başka bir hidrojen taşıyısı daha görev yapar: FAD (Flavin Adenin dinükleotid). NAD kadar fazla sayıca kullanılmasa da bu molekül de hidrojenleri ETS’ye taşır.

Krebs döngüsü reaksiyonları enzimatik özelliktedir ve ökaryotlarda mitokondrinin sıvı kısmı olan matrikste; prokaryotlarda ise sitoplazmada gerçekleşir.

  Meb 12 biyoloji ders kitabı sayfa 108

Görüldüğü gibi Krebs döngüsünün temel molekülü sitrik asittir, bu nedenle bu döngüye Sitrik asit devri de denilmektedir. 6C’lu sitrik asit molekülünden aşama aşama karbondioksit çıkışı ile birlikte 5C’lu ve daha sonra 4C’lu ara bileşikler oluşur. Bu esnada da NAD ve FAD tarından hidrojen molekülleri yakalanır. Bir sonraki evre olan ETS’de bu hidrojenler kullanılarak ATP sentezlenecektir.

NOT: Karbondioksit çıkışı Glikoliz ve ETS’de yoktur, sadece Krebs döngüsünde gerçekleşir.

ETS (ELEKTRON TAŞIMA SİSTEMİ)

Glikoliz ve Krebs’ten getirlien hidrojenlerin aktarılarak ATP sentezinin gerçekleştiği kısımdır. En fazla sayıda ATP sentezlenen evredir. Oksidatif fosforilasyon ile ATP sentezlenir. Son elektron alıcısı oksijen molekülüdür.elektronlar çıplak olarak aktarılmaz, Hidrojen molekülü şeklinde taşınır. Son elektron alıcısı olan Oksijen, Hidrojen ile birleşerek Su molekülünü oluşturur.

ETS NADH ile başlarsa daha fazla, FADH ile başlarsa daha az sayıda ATP elde edilir.

ETS elemanları arasında elektron aktarımı oldukça elektronun enerjisi düşer, açığa çıkan enerji de ATP üretiminde kullanılır. Elektronları yokuş aşağıya yuvarlamak gibi düşünülebilir. En altta da elektronegatifliği yani elektron ilgisi en fazla olan oksijen molekülü yer alır.

  Meb 12 biyoloji ders kitabı sayfa 109

ETS tepkimeleri ökaryotlarda mitokondrinin kristasında,prokaryotlarda ise plazma zarının kıvrımlarında gerçekleşir. ETS elemanları kemiosmotik hipoteze göre çalışırlar. Yani mitokondrinin iki zarı arasında gerçekleşen proton pompası sonucu oluşan potansiyel fark, ATP çarklarının çalışmasına ve ATP sentezine yol açar.

NOT:  ETS’ de ve Krebs’te görev alan bileşiklerin isimlerini bilmemiz gerekmemektedir. Genel mekanizmayı, girenleri ve ürünleri bilmemiz yeterli ve önemlidir.

OKSİJENSİZ SOLUNUM

Oksijensiz solunumda da aynı oksijenli solunumda olduğu gibi Krebs Döngüsü ve ETS evreleri gerçekleşir. Yalnız ETS’nin son elektron alıcısı oksijen kadar elektronegatif olmayan, azotlu ya da kükürtlü olabilen bazı bileşiklerdir.

Örneğin bataklıklarda kötü kokunun oluşumunu sağlayan bakteriler H2S ‘in son elektron alıcısı olduğu oksijensiz solunumu gerçekleştirirler. Denitrifikasyon bakterileri de nitrat gibi azotlu bileşikleri kullanarak  oksijensiz solunum yaparlar.

Fermantasyon sonucu organik bileşikler oluşur ve fermantasyonda ETS elemanları görev yapmazlar. Bu nedenle fermantasyon bir solunum şekli değil, kendine has bir enerji üretim mekanizmasıdır.

FERMANTASYON ve SOLUNUM ÇEŞİTLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

· Fermantasyonda ETS yoktur, oksijenli ve oksijensiz solunumda ise ETS vardır.

· Enerji verimi açısından sıralamaları şu şekildedir:

Oksijenli solunum > Oksijensiz solunum > Fermantasyon

· Prokaryotlarda tüm fermantasyon ve solunum olayları sitoplazmadadır. Sadece ETS olayları plazma zarında gerçekleşir. Ökaryotlarda ise tüm enerji üretim olaylarının ortak evresi olan glikoliz sitoplazmada, Krebs ve ETS ise mitokondride gerçekleşir.

FOTOSENTEZ ve OKSİJENLİ SOLUNUMUN KARŞILAŞTIRILMASI

· Doğadaki fotosentetik üretici canlılar ile tüketici canlılar arasında bir denge vardır. Aynı dengeyi bitkiler ve hayvanlar, mitokondri ve kloroplast arasında da görebiliriz. Hatta liken birlikteliğindeki mantar ve alg arasındaki madde alışverişi de aynı olaylara dayanır. Tüm bu dengenin sebebi, fotosentez ve oksijenli solunum arasındaki ilişkidir. Bir olayın ürünleri, diğer olayın girenleri şeklindedir.