Sitrik Asit Döngüsü Nedir? Oksidatif Fosforilasyon Nasıl Gerçekleşir?

Ökaryotik hücrelerde, glikoliz sürecinin sonunda açığa çıkan pirüvat molekülleri, hücresel solunum bölgeleri olan mitokondriye taşınır. Mitokondride oksijen bulunuyorsa aerobik solunum süreci devam edecek; pirüvat, bir karbondioksit molekülünün çıkarılmasıyla B₅ vitamininden oluşan koenzim A (CoA) adlı taşıyıcı bir bileşik tarafından alınacak iki karbonlu bir asetil grubuna dönüştürülecektir. Ortaya çıkan bileşik, asetil CoA olarak adlandırılır. Asetil CoA, hücre tarafından çeşitli şekillerde kullanılabilir, ancak ana işlevi pirüvattan elde edilen asetil grubunu glukoz katabolizmasındaki bir sonraki yola iletmektir.

Libre Texts

Ökaryotik hücrelerdeki sitrik asit döngüsü de pirüvatın asetil CoA'ya dönüşümü gibi mitokondri matrisi üzerinde gerçekleşir. Sitrik asit döngüsü, glikolizden farklı olarak kapalı bir döngüdür; yani döngünün sonunda üretilen bileşik, döngünün ilk adımında kullanılır. Sekiz adımlı bu döngü sırasında gerçekleşen kimyasal reaksiyonlarla iki karbondioksit molekülü, bir ATP molekülü (veya eşdeğeri), NAD⁺ ve FAD⁺'ın indirgenmiş formları (NADH ve FADH₂) açığa çıkar. Döngü ile üretilen NADH ve FADH₂, elektronlarını sistemde bir sonraki yola aktarır. Bu aktarım işlemi oksijen gerektirmektedir; bu nedenle döngünün bir kısmı aerobik yol olarak kabul edilir. Oksijenin bulunmadığı durumlarda elektron transferi gerçekleşmez.

Sitrik asit döngüsüne katılan her asetil grubundan iki karbon atomu gelir ve her döngü turunda iki karbondioksit molekülü salınır. Bununla beraber salınan karbondioksit molekülleri, asetil gruplarının döngünün ilgili turunda bıraktıkları karbon atomunu içermezler. İki asetil-karbon atomu, döngünün sonraki turlarında salınır ve böylelikle orijinal glikoz molekülünde bulunan altı karbon atomunun tamamı sonunda karbondioksit olarak serbest bırakılır.

Bir glikoz molekülüne eşdeğer bir molekülün oluşabilmesi için döngünün iki tur dönmesi gerekir. Döngünün her turunda üç yüksek enerjili NADH molekülü ve bir yüksek enerjili FADH₂ molekülü oluşur. Bu yüksek enerji içeren moleküller, aerobik solunumun son aşamasında kullanılır ve ATP molekülleri üretilir.

Her bir aerobik döngüde bir ATP (veya eşdeğeri) de üretilmektedir. Sitrik asit döngüsündeki ara bileşiklerin birçoğu esansiyel olmayan amino asitlerin sentezlenmesinde kullanılabilir; bu nedenle döngü hem anabolik hem de kataboliktir.

Oksidatif Fosforilasyon

Glikozun aerobik katabolizması sırasında üretilen ATP'nin büyük bir kısmı glikoliz ve sitrik asit döngüsü ile üretilmemekte; elektronların bir dizi kimyasal reaksiyondan geçerek son elektron alıcısı olan oksijene aktarılmasıyla başlayan oksidatif fosforilasyon süreci ile üretilmektedir. Oksidatif fosforilasyon sürecinde rol oynayan reaksiyonlar, ökaryotik organizmaların mitokondrilerinin iç zarında ve prokaryotik organizmaların hücre zarının iç kısmında bulunan özelleşmiş protein komplekslerinde gerçekleşir. Bu bölgelerde elektronların enerjisi toplanır ve iç mitokondriyal zar boyunca elektrokimyasal bir gradyan oluşturmak için kullanılır. Bu gradyanın potansiyel enerjisi ile de ATP üretilir.

Elektron taşınımı, elektronların bir bileşenden diğerine, oksijenin son elektron alıcısı olduğu ve suyun üretildiği zincirin son noktasına kadar hızla aktarıldığı bir dizi kimyasal reaksiyondur.

Elektron taşıma zinciri, ökaryotların iç mitokondriyal membranında ve prokaryotların plazma membranında birden fazla kopya halinde bulunur, aerobik solunumun son bileşenidir ve metabolizmanın atmosferik oksijen kullanan tek bölümüdür. Oksijen, bu amaçla kullanılmak üzere bitkilerde sürekli olarak difüze olur. Hayvanlarda ise vücuda solunum sistemi yoluyla girer.

Elektron taşıma zincirinin aşağıdaki şekilde I'den IV'e kadar etiketlenmiş proteinlerden oluşan dört kompleksi bulunur. Bu kompleksler, ilişkili mobil ve elektron taşıyıcılar, elektron taşıma zincirinin temel bileşenleridir. Bu zincir boyunca transfer edilen elektronlar, her transferde enerji kaybeder. Bununla beraber bazı transferlerde enerji, hidrojen iyonlarını iç mitokondriyal membrandan membranlar arası boşluğa pompalamak için kullanılarak potansiyel enerji olarak depolanır ve elektrokimyasal bir gradyan oluşturur.

Libre Texts

NADH ve FADH₂'den gelen elektronlar, elektron taşıma zincirindeki protein komplekslerine aktarılır. Elektronlar, bir kompleksten diğerine geçerken enerji kaybeder ve bu enerjinin bir kısmı hidrojen iyonlarının mitokondriyal matristen membranlar arası boşluğa pompalanmasında kullanılır. Dördüncü protein kompleksinde elektronlar, terminal alıcı olan oksijen tarafından alınır. Fazladan elektrona sahip oksijen, daha sonra iki hidrojen iyonuyla birleşerek elektrokimyasal gradyanı daha da güçlendirir ve su açığa çıkarır. Mitokondride oksijen bulunmaması takdirinde elektronlar, sistemden çıkarılamaz ve tüm elektron taşıma zinciri durur; yeni ATP üretilemez ve hücre nihayetinde enerji eksikliğinden ölürdü. Nefes alış verişimizle hücrelerimize sürekli oksijen sağlamamızın nedeni de budur.

Elektron taşıma zincirinde, az önce açıklanan bir dizi reaksiyondan elde edilen serbest enerji, membran boyunca hidrojen iyonlarını pompalamak için kullanılır. H⁺ iyonlarının membran boyunca eşit olmayan dağılımı, H⁺ iyonlarının pozitif yükü ve membranın bir tarafında daha yüksek konsantrasyona sahip olmaları nedeniyle bir elektrokimyasal gradyan oluşturur.

Hidrojen iyonları, ATP sentaz adı verilen integral bir membran proteini aracılığıyla iç membrandan difüze olur. Bu kompleks protein, devinimini difüze olan hidrojen iyonlarının kuvvetinin sağladığı küçük bir jeneratör görevi görür; iyonlar, zarlar arası boşlukta yer alan elektrokimyasal gradyanlarından aşağıya doğru (çoktan aza doğru) hareket eder. Bu moleküler makinenin sağladığı devinim ile ADP'den ATP sentezlenir. Hidrojen iyonlarının ATP sentaz yoluyla membran boyunca bu şekilde akışına kemiyosmoz adı verilmiştir.

Kemiyozmoz, aerobik glikoz katabolizması sırasında üretilen ATP'nin %90'ından sorumludur. Kemiyozmoz çerçevesinde meydana gelen reaksiyonlar, hidrojen atomlarından elektronların ayrılmasına sebep olur. Bu yolla açığa çıkan enerji de ATP üretiminde kullanılır. Hidrojen atomları aslen bir glikoz molekülünün bir parçasıdır; elektron taşıma sisteminin sonunda elektronlar, bir oksijen molekülünün oksijen iyonlarına indirgenmesinde kullanılır. Oksijen iyonlarında bulunan ek elektronlar, çevreden hidrojen iyonlarını (protonları) çeker ve su ortaya çıkar. Elektron taşıma zinciri ve kemiyozmoz yoluyla ATP üretimine oksidatif fosforilasyon adı verilmiştir.

ATP Miktarı

Glikozun katabolizmasından üretilen ATP moleküllerinin sayısı değişkenlik gösterir. Örneğin, elektron taşıma zinciri komplekslerinin membrandan pompalayabildiği hidrojen iyonlarının sayısı türden türe değişmektedir. Değişikliğin bir başka sebebi de mitokondriyal membran üzerinde gerçekleşen elektron alışverişidir: Glikoliz ile üretilen NADH, mitokondriye kolayca giremez. Bu nedenle elektronlar mitokondrinin içinde NAD⁺ veya FAD⁺ ile toplanır. Toplama ve taşıma işlemi FAD⁺ ile gerçekleştiğinde daha az ATP molekülü üretilir. Karaciğerde elektron taşıyıcı olarak NAD⁺, beyinde ise FAD⁺ kullanılır, dolayısıyla ATP verimliliği incelenen dokuya göre farklılık göstermektedir.

Glikozdan üretilen ATP moleküllerinin verimini etkileyen bir diğer faktör de ara bileşiklerin başka amaçlar için de kullanılmasıdır. Glikoz katabolizması, hücrelerdeki diğer tüm biyokimyasal bileşikleri oluşturan veya parçalayan yollarla bağlantılıdır. Dolayısıyla gerçek dünyada işlemler, şimdiye kadar açıklanan ideal durumlardan daha karmaşıktır. Örneğin, glikoz dışındaki şekerler, glikolitik yola aktarılır ve enerjiye dönüştürülür. Böylesi bir durumda normalde glikoliz veya sitrik asit döngüsü yoluyla enerji üretiminde kullanılacak moleküller, nükleik asit, amino asit, lipit veya başkaca bileşikler oluşturmak üzere kullanılabilir. Ana hatlarıyla ele alındığında bu yazıda ifade edilen glikoz katabolizması yolları, glikozun içerdiği enerjinin yaklaşık %34'ünden faydalanabilmektedir.

Pixabay

Kariyer İmkânı: Mitokondriyal Hastalıklar Uzmanı!

Hücresel solunumda kritik rol oynayan reaksiyonlar doğru bir şekilde gerçekleşmediğinde ne olur? Mitokondriyal hastalıklar. Bu hastalıklar, vücut hücrelerinde normalden daha az enerji üretimine sebep olur, kalıtsal metabolizma bozukluklarıdır ve çekirdek veya mitokondriyal DNA'daki mutasyonlardan kaynaklanabilir. Mitokondriyal hastalıkların belirtileri arasında kas güçsüzlüğü, koordinasyon eksikliği, felç benzeri ataklar ve görme ve işitme kaybı sayılabilir. Bu hastalıklardan etkilenen kişilerin çoğuna çocukluk çağında tanı konur, ancak bazı yetişkin başlangıçlı hastalıklar da bulunmaktadır. Mitokondriyal bozuklukların tanısı ve tedavisi, üniversite eğitimi ve tıbbi genetik alanında yüksek lisans gerektiren özel bir tıp alanıdır. Tıbbi genetikçiler, Amerikan Tıbbi Genetik Kurulu gibi kurumlardan sertifika alabilir ve Mitokondriyal Tıp Derneği, Kalıtsal Metabolik Hastalıklar Derneği gibi mitokondriyal hastalık çalışmaları konusunda faaliyet gösteren profesyonel kurumlarda çalışabilirler.