Canlı bir hücrede geçen tüm metabolik olaylar enerji gerektirir. ATP hücrenin kullanabileceği bir enerji kaynağıdır. ATP enerji olarak kullanıldıktan sonra
ADP şekline döner. Devam eden yaşamsal faaliyetler için, ADP’den ATP oluşturma zorunluluğu vardır.
Bunun için de enerji gereklidir. Organizmalar bu enerjiyi Glikoz ve diğer organik bileşiklerin C-H bağlarında tutulan kimyasal bağ enerjisinden elde
ederler. İşte besinlerin hücre içinde yanarak enerji vermesi olayına ‘’HÜCRE İÇİ SOLUNUM’’ adı verilir.
Hayvanlar ve insanlar enerjilerini yedikleri besinlerden sağlarlar. Besinlerdeki enerji, fotosentez reaksiyonları ile güneşten alınan foton (ışınım) enerjisinin, yine fotosentez sonucu oluşan organik maddelerin (karbonhidratların) kimyasal bağlarındaki potansiyel enerjiye çevrilmiş şeklidir. Özetle yeşil bitkilerin tuttuğu güneş enerjisi kimyasal bağ enerjisine dönüştürülerek diğer canlılar için enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır.
Hücresel solunum sırasında hücre gerekli enerji için öncelikle karbonhidratları, sonra yağları, eğer çok mecbur kalırsa proteinleri kullanılır. Karbonhidratlar monosakkaritlere; yağlar yağ asitlerine; proteinler aminoasitlere ve sonuç olarak CO2 ve H2O’ya parçalanırlarken kimyasal bağ enerjileri açığa çıkarılır. Bu olay hücre sitoplazması ve mitokondrilerde yükseltgenme ve indirgenme reaksiyonlarının arka arkaya oluşmasıyla sağlanır.
Canlı hücrede enerji elde etmek için yapılan besin oksidasyonları veya hücresel solunum aşağıdaki şekilde iki tipe ayrılmaktadır:
a) Solunum reaksiyonlarına oksijen katılırsa (oksijen kullanılırsa) “Aerobik Solunum (=Oksijenli Solunum)” adı verilir.
b) Solunum reaksiyonlarına oksijen katılmazsa (oksijen kullanılmazsa) “Anaerobik Solunum (=Oksijensiz Solunum, Fermentasyon)” adı verilir.
Oksijensiz solunum bir çeşit “Alkolik
Fermentasyon (mayalanma)”dur.
Solunumları Aerobik (oksijenli) olan canlılar, oksijen olmayınca kısa bir süre sonra ölürler çünkü bunlar vücutlarında oksijen depo edemezler. Vücut içine girecek olan oksijen “dış solunum” ile sağlanır. Solunum organları (akciğerler) aracılığı ile kan ve dış ortam (hava ve su) arasında yapılan Oksijen- CO2 değişimine “dış solunum”; kan ile doku hücreleri arasındaki gaz değişimine ise ‘’iç solunum’’ denir.
Gaz değişimi (O2-CO2) her iki halde de difüzyonla gerçekleşir. Tıpta CO2 ve O2’e “kan gazları” adı verilir.
Aerobik Hücre Solunumu (=Oksijenli Solunum) (=Oksidasyon):Hücrenin aerobik solunum merkezi hücreleri enerji merkezi olan mitokondrilerdir. Hücrede yakıt olarak kullanılacak olan hammadde (prekürsör) mitokondrilerin içine girer ve burada bunlardan hücrede kullanılabilen enerji elde edilir. Yapısında kopabilen karbon bağlarını kapsayan bütün organik bileşikler hücre solunumunda hammadde olarak kullanılabilirler.
Solunumda genellikle ilk kullanılan bileşik karbonhidratlardır. Sonra sırası ile yağlar, proteinler gelir. Bu büyük yapılı moleküller önce sitoplazmada lizozomlarda enzimler aracılığı ile daha küçük moleküllere ayrılırlar. Bundan sonra mitokondrilere girerler.
Aerobik Solunum (Oksijenli solunum)’un genel formülü şöyledir:
C6H12O6 + 6 O2 ↔ 6 CO2
+ 6 H2O + Enerji (36-38 ATP)
Bu formülden de görülebileceği gibi oksijenli solunum, hücrede enzimlerin etkisi ile besin maddelerinin O2 yardımı ile parçalanarak hücresel enerji (ATP) elde edilmesi olayıdır. Oksijenli solunumda besinin enerjisi birdenbire değil, kademeli olarak açığa çıkarılır. Kimyasal bağ enerjisinin serbest enerji haline getirilişi “hidrasyon sentezi” ile yani maddeden hidrojen koparılması ile olur.
Serbest H’ler akseptörler tarafından tutularak bir dizi reaksiyonlar sonucu oksijene iletilir, bu esnada kimyasal bağ enerjisi de ortama verilir.
Aerobik Solunum (= Oksijenli Solunum)
3 evrede gerçekleşir:
I. Glikoliz Evresi
II. Sitrik Asit Evresi (= Krebs Evresi, TCA=Trikarboksilik Asit Evresi)
III. Son Oksidasyon Evresi (= Elektron Taşıma Zinciri)
I. Glikoliz Evresi:
Hans Buchner (bakteriyolog) ve Eduard Buchner (kimyacı,1907 yılında fermentasyon üzerindeki çalışmaları nedeniyle Kimya dalında Nobel ödülü almıştır) 1897 yılında tamamen rastlantısal olarak maya hücrelerinden elde ettikleri ekstrenin şekeri alkole dönüştürdüğünü gözlemişlerdir.
Daha sonra Arthur Harden (biyokimyacı, 1929 yılında şekerin fermentasyonu ve fermentatif enzimler üzerindeki çalışmaları nedeniyle Kimya dalında Nobel almıştır) ve William John Young (biyokimyacı) 1905’te glikozun maya ekstresi ile alkole dönüştüğünü göstermişler ve bu tepkimelerin evrelerini ve şartlarını belirlemişlerdir. Sonraki yıllarda gelişmiş hayvanlarda kas hücre ekstreleri ile de benzer tepkimelerin olduğu saptanmış ve glikozun pirüvata yıkılması ile sonuçlanan reaksiyonlara glikoliz adı verilmiştir.
Glikoliz hücre sitoplazmasında oluşur. Burada 6 C’lu heksoz, 3 C’lu pirüvik aside kadar parçalanır. Solunumda reaksiyona katılan madde glikoz olduğundan sistemde gerekli glikoz yoksa bile nişasta ve glikojen gibi maddeler özel kimyasal reaksiyonlarla glikoza dönüştürülür.
Glikozun reaksiyona girebilmesi için aktifleştirilmesi gerekir. Çünkü karbon atomları arasındaki bağların koparılması için enzimler yeterli olmaz. Bunun için gerekli enerji sistemde mevcut ATP’lerden elde edilerek Glikoz 6- fosfat meydana gelir. Burada kullanılan ATP enerjisine “aktivasyon enerjisi” adı verilir.
Bir molekül Glikoz’a karşılık meydana gelen 3’er C’lu iki Pirüvik Asit molekülü bundan sonra birer C’larını daha kaybederek 2 C’lu maddeler halinde mitokondrinin sıvı fazında reaksiyona devam ederler.
Sonuç olarak: Glikoliz evresinde her iki koldan toplam:
2 H2O
2 NADH + H +
4 ATP
2 Pirüvik Asit oluşur
II. Sitrik Asit Evresi: (Krebs Evresi, TCA= Trikarboksilik Asit Evresi)
Solunumun bu bölümü hücrede enerji merkezi olarak görev yapan mitokondrinin sıvı fazında oluşur. Mitokondrinin sıvı fazında, özellikle iç zarı
ile kristalarında olduğu gibi solunumla ilgili çok sayı ve çeşitte enzim vardır.
Mitokondri içindeki reaksiyonlarda sitrik asit kullanılır ve sonra döngüyü tamamlamak üzere bu reaksiyonlar sekansı tarafından yeniden oluşturulur. Sitrik asit reaksiyonları 1937 yılında Alman asıllı İngiliz Biyokimyacı Hans Adolf KREBS tarafından açıklandığı için bu evreye Krebs Evresi (Krebs Döngüsü) ismi de verilmiştir. Bu buluşundan dolayı Hans KREBS 1953 yılında Nobel Tıp ödülüne layık görülmüştür.
Sitrik Asit Döngüsü hücrelerdeki enerji oluşturan metabolik kimyasal reaksiyonların önemli bir sekansını oluşturmaktadır.
Sitrik Asit Evresindeki önemli hususlar:
- Pirüvik asitten asetik asit oluşumu.
- İki C’lu asetik asidin sistemde bulunan Koenzim-A ile birleşerek Asetil-CoA (C2H3O-CoA) oluşturması. Bu, aktive edilmiş asetik asit molekülüdür. Asetil-CoA bütün maddelerin Krebs Evresine girmesinde kilit madde rolünü oynar.
- Asetil-CoA sistemde bulunan 4 C’lu oksalo asetik asit ile birleşip, 6 C’lu sitrik asidi oluşturur. Bu
nedenle bu evreye ‘’Sitrik Asit Evresi ‘’ adı da verilir.
Böylece Krebs Evresi tamamlanıncaya kadar:
- NADH + H + halinde ……………8 H
- FADH2 halinde ……………… 2 H
_________________
Toplam: 10 H yakalanır.
Bu evre mitokondrinin iç zarında oluşur ve mitokondrinin sıvı fazında (matriks) sona erer. Mitokondrinin iç zarında ve kristalarında ETZ’nin enzim ve Co-enzimleri ve fosforilasyon olayı ile ATP sentezleten (ör: F0F1 ATP sentetaz kompleksi gibi) fosforilasyon enzimleri bulunur.
III. Son Oksidasyon Evresi (ETZ = Elektron Taşıma Zinciri) (ETS=Elektron Taşıma Sistemi)
ETZ bir seri ATP sentezleme kabiliyetine sahip olan ve redoks potansiyeline göre dizilmiş olan molekül dizisinden yapılmıştır. Fosforilasyon ile ATP sentezlenir. Bu reaksiyonların devam etmesi için sürekli olarak O2 ’in bulunması, CO2’in dışarı atılması gerekir. Bu ise iç ve dış solunum ile olur.
Sonuç olarak:
2 ATP Glikolizdeki net kazanç
30 ATP Glikoliz ve Krebs
evresinde oluşan NADH + H+‘lardaki elektron çiftinin ETZ’den geçişinde.
4 ATP Her iki Krebs siklusundaki 2FADH2 ’ye karşılık.
2 ATP Her iki Krebs siklusundaki 2GTP
yolu ile meydana gelir.
________________
Toplam: 36 - 38 ATP (sitozolde elektronların NADH’dan taşınma
şekline göre değişir)
NADH hidrojenin biyolojik formudur. Saf hidrojen çok reaktiftir. Örneğin su içine metalik sodyum eklediğinizde saniyenin onda biri kadar süre içinde hidrojen oluşur. Ancak bu reaksiyon sırasında o kadar çok enerji oluşur ki
hidrojen anında tutuşur. Eğer hidrojen canlı hücrelerde bu şekilde reaksiyon verirse hücreler patlayacaktır. NAD’ye bağlı olduğunda ise patlayıcı bir davranış göstermeyecektir. Bu nedenle NADH oluşmaktadır. Hidrojen bu bileşiğin içindeyken de çok reaktiftir ancak anında yanmaz. Bunun yerine hücredeki oksijenle tepkimeye girerek su ve enerji oluşturur.
Bu olay her canlı hücrede gerçekleşir. Dolayısıyla hidrojen ve oksijen enerji üretimi için hücrelerimizde bulunan en önemli elementlerdir. Bir hücrede bulunan NADH miktarı o hücrenin enerji ihtiyacına bağlıdır.
Kalbimiz ve beynimiz tüm organlarımızın arasında en fazla enerjiye ihtiyaç duyan organlardır. NADH vücutta yapılabildiği gibi dışarıdan da (yiyecek şeklinde veya gıda katkısı olarak) alınabilir.
