Oksijenli Solunum Nasıl Evrimleşti? İlkel Hücreler Nasıl Oldu da Oksijeni Kullanabilecek Biçimde Evrimleştiler?

Pozitif bilimlerde araştırmanın güzel tarafı, bir gizemi çözmekten çok, o gizemin kendisi olmaktadır. Gizli olan bir şey açığa çıktığında artık, çekiciliğini yitirir. Öte yandan mitokondri, hem ökaryotik hücreler için enerji üretme mekanizması olarak, hem de ökaryotik hücreye evrimleşmedeki rolü ile hala cevaplanmayı bekleyen gizemlere sahiptir.

Birçok soru cevaplanmayı beklemektedir: İlkel hücreler nasıl oldu da spontan proton aşamalı değişimini kullanabilir hale geldi? Mitogenomda (Mitokondriyal genomda) bulunan genler neye göre ve nasıl konak hücrenin nükleer genomuna entegre oldu?

İlkel prokaryotik hücreler oksijenli solunum yapamıyordu. Ancak, zaman içinde bazı prokaryotik hücreler solunum amacıyla oksijeni kullanabilir hale (aerobik) evrimleşmişti. Eğer ki, yaşamın ilk zamanlarındaki canlılık şartları aynı idiyse iki prokaryotik hücreden bir tanesi aynı kalırken, diğeri nasıl oksijen kullanabilir hale gelmiştir? İlkel prokaryotik hücre ile aerobik prokaryotik hücre nasıl oldu da bir araya gelebildiler?

1. Giriş

Her hücre kendi içinde bir evren gibidir. Bu evrende, detaylı mekanizmalara sahip olan organeller bulunur. Bu organellerden dikkat çeken bir tanesi de mitokondriyumdur. Mitokondri organelleri, ökaryotik hücrelerde, biyokimyasal enerjinin üretildiği yerdir. Mitokondriyumda, biyokimyasal enerji olan ATP (Adenin trifosfat) molekülü, kimyasal tepkimeler ile açığa çıkan kimyasal enerjinin aşamalı olarak iş birimine (Watt (W)) dönüşmesiyle sentezlenir. Ayrıca evrimsel olarak, mitokondri organelleri çeşitli açılardan tek hücreli canlılıktan çok hücreli canlılığa geçişte kilit bir rol oynamıştır (bkz. endosimbiyotik kuram).

2. Genel Bakış

Enerji üretimi, canlılığın temel şartlarından bir tanesidir. Tüm canlılar, enerji üretebileceği bir veya birkaç mekanizmaya sahiptir ve bunlar, substrat düzeyinde fosforilasyon, oksidatif fosforilasyon, kemofosforilasyon ve fotofosforilasyon olarak bilinir. Canlının dışarıdan besin yoluyla aldığı inorganik fosfat (HPO₄^-2) grubunun ADP (Adenin difosfat) molekülüne aktarılması yoluyla ATP elde edilmesi işlemi, subsrat düzeyinde fosforilasyon olarak bilinmektedir. Bu biyokimyasal mekanizma, Glikoliz ve Krebs Döngüsü süreçleri ile gerçekleşir. Glikoliz süreci sitoplazmada gerçekleşen bir dizi biyokimyasal işlemdir ve canlılık açısından evrensel bir olgudur, çünkü her canlıda gerçekleşmektedir.

Ökaryotik hücrelerin Mitokondri organellerinde ve oksijen kullanabilen (aerobik) bakterilerin hücre zarlarının özelleşmiş ve Mezozom adı verilen kısımlarında, oksidatif fosforilasyon adı verilen mekanizma ile biyokimyasal enerji üretilir. Kloroplast içeren ökaryotik hücreler ve fotosentez sürecini gerçekleştirebilen mikroorganizmalar olan siyanobakterlerde (mavi-yeşil alg), biyokimyasal enerji fotofosforilasyon ile üretilir. Oksidatif fosforilasyon ve fotofosforilasyon, kavram olarak enerjinin hücre içinde nerede (mitokondri, kloroplast veya mezozom) üretildiğine atıfta bulunur. Ancak her iki kavram, kemiozmoz (elektrokimyasal ozmoz hareketi) adı verilen ortak bir mekanizma ile enerji üretimi içerir.

Hücre içinde protonların aşamalı değişimi, ökaryotlarda mitokondri ve kloroplast organellerinde, mikroorganizmalarda ise mezozom denilen hücre zarı kısımında, elektron taşıma sistemi (ETS) ile gerçekleşir. Ökaryotik hücreler için, elektron ve proton (H⁺) iyonları, bu iyonları yakalayıcı molekülleri (NAD⁺ [Nikotinamid Adenin Dinükleotit] ve FAD⁺ [Flavin Adenin Dinükleotit]) tarafından sitoplamazdaki glikoliz ve Krebs Döngüsü süresince toplanır ve toplanan iyonlar, Mitokondriyumda ETS’ye aktarılır. Kloroplast içeren ökaryotik hücreler için elektron kaynağı su (H₂O) molekülüdür. Proton kaynağı ise hem H₂O molekülüdür hem de stroma denilen bitki hücresi bağdokusunda serbest formda bulunan hidrojen iyonlarıdır (H⁺). ETS’ye aktarılan elektronlar, ETS boyunca moleküler bir merdiveni tırmanarak, redoks tepkimeleri ile indirgenir. İndirgenme reaksiyonu neticesinde açığa biyokimyasal enerji çıkar.

2.1. İndirgenme ile Ne Kastedilmektedir?

Negatif sayılardan, pozitif sayılara doğru uzanan bir sayı doğrusu düşünürsek bu doğru “..., -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, ...” şeklindedir, yani bir tarafta negatif sayılar, diğer tarafta ise pozitif sayılar yer almaktadır. Bu sayı doğrusunda -3 sayısı, -2 sayısına göre daha negatif bir değerdir. Aynı şekilde 3 sayısı da, 2 sayısına göre daha pozitif bir değerdir. Nötr olan 0 ise, negatif ya da pozitif olmadığı için doygun noktayı temsil eder. Bu durum moleküller için iyonik doygunluk noktasını temsil eder. Herhangi bir sayıya negatif değerli bir sayı eklenmesi, mevcut sayıyı negatif yöne çekecektir, yani sayının değerini ilk değerine göre indirgeyecektir.

Elektronlar da negatif yük barındıran parçacıklardır ve kuramsal olarak negatif değerli bir sayı gibi davranır. Eğer ki, herhangi bir molekül dışarıdan elektron kabul ederse, alıcı molekülün başlangıçtaki yük değeri, kabul ettiği elektron miktarınca negatif yöne kayacaktır. Yani elektronları kabul eden molekülün iyon yükü negatif yöne kayarak indirgenecektir (Ör: Başlangıç yükü -2 olan bir molekül, bir adet elektron kabul ederse, son yükü -3 olacaktır) ve elektron veren molekülün ise başlangıç yükü pozitif değere kayarak yükseltgenecektir (Ör: Başlangıç yükü +2 olan bir molekül, bir adet elektron verirse, son yükü +3 olacaktır).

Hücre içinde bu indirgenme ve yükseltgenme işlemleri eş zamanlı gerçekleştiği için, bu işlemlerin hepsine birden redoks tepkimeleri adı verilir.

2.2. Enerjinin Ortaya Çıkması

Klasik manyetizma kuramı olarak bilindiği üzere, aynı yükleri birbirine yaklaştırmak aynı değerdeki iyonların oluşturacağı itme kuvveti nedeniyle oldukça zordur. Dolayısıyla, benzer değerlikteki yükleri birbirlerine yaklaştırmak için sistemin haricinden enerji girişi gerekir. Nötr molekül, yük dengesi doygun olduğundan negatif yüklü elektrona göre alıcı gibi davranabilir. Elektrona göre pozitif değerli durumda olan alıcı molekül, bu şekilde negatif yükü kendine çekebilecektir. Yani, elektronun ETS üzerinde bulunan moleküllere aktarımı için dışarıdan enerji girişine gerek yoktur. Dahası, bu süreç spontan gerçekleşeceğinden dışarı enerji salacaktır.

Açığa çıkan bu enerjiyle, protonlar mitokondriyumda matriks ile dış ve iç zarlar arası bölgede ve kloroplastta ise stromaya komşu olan tilakoit boşlukta birikir (bkz. Şekil 1). ETS boyunca aktarılan elektronlardan açığa çıkan enerji, artık protonlara geçmiştir. Mitokondriyumda, zarlar arası bölge ile matriks sınırında, iyon derişim farkı ile elektrokimyasal potansiyel farkı aynı anda gerçekleşir. İyonlar, iyonik derişimin yoğun olduğu yerden yoğunluğun daha az olduğu yere doğru gitmek isteyecektir ve bu durumda biriken protonlar birbirlerine karşı itici olacaklardır. İyonik derişim farkı ile birlikte elektrokimyasal potansiyel farkı ortamda itici bir kuvvetin şekillenmesine neden olur ki bu da protonların aşamalı değişimi adını alır ve böylece protonlar bir yöne doğru hareket eder. Protonların bu şekilde doğrusal olarak ATP sentaz enzimine olan hareketleri kemiozmotik hareket adını alır. Protonlar, kemiozmotik hareketleri ile mitokondriyumda matrikse ve kloroplastta stromaya ulaşır ve sıra ATP sentezine gelir.

3. ATP Sentaz Enzimi ve ATP Sentezlenmesi

Bir molekül olarak Adenin trifosfat (ATP), hücre solunumunda iki farklı şekilde sentezlenmektedir. Sitoplazmada, Glikoliz ve Krebs Döngüsü süreçlerinde, stokiyometri (element ölçümü) şeklinde ATP sentezlenir. ETS’de ise, ATP sentaz denen enzim tarafından sentezlenir. Sitoplazmik solunum ve ATP sentaz aracılı sentez birbirini takip eden farklı süreçlerdir.

ATP sentaz enzimi, molekül olarak alt birimlerden oluşmuş bir enzim kompleksidir yani multimerik bir enzimdir. Bu alt birimlerin adeti, isimleri ve temsili renkleri ise şöyle sıralanır: 3 adet alfa (kırmızısı), 3 adet beta (sarı), birer adet gama (pembe), epsilon (yeşil), delta (mor), a (mor), b (mor), c (mavi) (bkz. Şekil 2). Gama alt birimi; alfa ve beta alt birimlerinden teşekkül etmiş olan silindirik yapıya dolanarak yerleşir. Bu tur atma hareketi, beta alt birimlerinde konformasyon (yerleşim) değişiklikleri meydana getirir. Üç adet beta alt birimi vardır ve yapısal farklıları nedeniyle farklı işleri görmek üzere özelleşmişlerdir.

 H⁺ iyonları yani protonlar, mitokondriyumda zarlar arası bölgeden matrikse göçerken, ATP sentaz kompleksini oluşturacak olan a bileşeninin yapısında yer alan iyon kanalından hareket ederek c bileşeninin oluşturduğu halkasal yapıyı dolanmasını sağlar. Bu dolanım ile protonların aşamalı değişimdeki ısı enerjisi, ATP sentaz enzim kompleksine doğru kinetik enerji olarak dahil olur. Kısacası toplam enerji değişmeksizin, ısı enerjisi kinetik enerjiye dönüşmüştür. Enzim kompleksindeki c bileşeninin halkasal yapısı, kendisine tutunan gama alt birimini helezon yapısına zorlar. Bu helezon yapısı ile beta alt birimleri yapısal değişikliğe uğrar. Bu yapısal değişikliklerden sonra ise, kompleklerdeki b ve delta alt birimleri, beta ve alfa alt birimlerinden teşekkül etmiş olan silindirik yapıyı sabitler.

ATP sentaz kompleksinde açık konformasyonda olan (O) beta alt birimi, Adenin difosfat (ADP) ve inorganik fosfat iyonunu yakalar. Kompleksin gama alt birimi helezon formuna dönünce,beta alt birimi, gevşek konformasyona (L) dönüşür ve böylece yakalanmış olan ADP ve inorganik fosfat sabit tutulur. Daha sonra beta bileşeni tekrar konformasyon değişimine uğrar ve sıkı konformasyona (T) dönüşür ve bu şekilde ATP sentezi mümkün olur. Sentezlenen ATP molekülünün serbest bırakılabilmesi için beta alt birimi konformasyon değişimine uğrayarak açık konformasyona (O) geri dönerek, hapsedilen ATP’yi serbestleştirir (bkz. Şekil 3). Bu döngü sürekli devam eder ve her döngüde, ADP ve inorganik fosfat yakalanır, ATP sentezlenir ve ATP salınır.

Klasik olarak, kimyasal bir tepkime, tepkimeye girenler ve tepkime sonucunda oluşanlar olarak iki ana kısımda incelenir. Bir tepkimede, tepkimeye girenlerden, tepkime neticesindeki ürünler elde edilir. Her kimyasal tepkime kendi içinde dengededir, yani tepkimelerde girenler ile ürünler arasında dengeyi sağlayan bir orantı vardır. Bu orantıya göre, herhangi bir tepkimede giren çıkan miktarları ölçülebilir. Açığa çıkan veya gereken enerji miktarı da orantılı olarak oluşur veya tüketilir ancak sistemin toplam enerjisi değişmez çünkü ürün miktarı iki katına çıkarsa, açığa çıkan veya gereken enerji de iki katına çıkar. Tepkimelerin sistemsel ölçülebilirliği, terimsel olarak stokiyometri adını alır. Buradan hareketle, bir tepkime sisteminde girenler, ürünler ve toplam enerjideki şekil değişimleri ise stokiyometri değerleridir denilir.

4. Protonların Aşamalı Değişiminin Kökenleri

Alkali özellikteki, yani baz yapısındaki minerallerden meydana gelmiş olan kılcal kayaçlar ilk canlıların yaşamlarını sürdürmeleri için uygun barınaklar olmuştur. Söz konusu bu alkali kayaçlar, Hidrojen ve karbondioksit gazları yönünden zengin olduklarından, kayaçların yapısını oluşturan minerallerin tepkimeye girmesi için de uygundur. Yine bu kılcal kayaçlar yapılarında bulunan ve film gibi ince zarlara sahip mikropor yapıları sayesinde birbirleriyle de bağlantılı oluşumlardır (bkz. Şekil 4).

Günümüzde kabul edilen haliyle, günümüzden yaklaşık dört milyar yıl önce, primordiyal (ilkel) okyanuslar, bugün bildiğimiz okyanuslara göre binlerce kat fazla asidikti. Bu yüksek asitliğin sebebinin CO2 gazının suda çözünmesi ve su ile tepkimeye girerek zayıf asit olan karbonik asit meydana getirmesi olduğu düşünülmektedir. Bilgilerimiz dahilinde primordiyal okyanusların, bahsettiğimiz alkali yapıdaki kayaçlarda bulunan sıvı ortamdan yaklaşık dört birim daha fazla asidik olduğu kabul edilmektedir. Bu sebeple primordiyal okyanusların kıyı yaptığı kayaçlarda sıvılar arası H⁺ iyonu derişim farkı meydana gelmiştir. Birbirleri ile temas eden yerlerde oluşan asitlik farkı nedeniyle H⁺ iyonu (proton) derişimindeki farklılaşma, mikroporların zar yapıları boyunca bir kutuplaşmaya ve dolayısıyla iyonik potansiyel farkına neden olmuştur. Bahsedilen bu ilkel iyonik potansiyel farkı günümüzde canlı hücrelerin sahip olduğu hücre zarı potansiyeli (yaklaşık 200 mV) ile aynı değerde şekillenmiştir. İyonik potansiyel fark ve derişim farkı doğal olarak protonların aşamalı olarak değişimine imkan sağlamıştır.

5. Evrim Açısından Mitokondriyum Organeli

Basit bir anlatımla, ilkel prokaryotik hücrelerden biri, oksijenli solunum yapabilen başka bir ilkel prokaryotik hücreyi yutarak simbiyotik bir ilişki kurmaya başlamıştır. Yutularak diğer hücrenin içine alınan bu aerobik hücre ilk mitokondriyumdur. İlkel ökaryotik hücrenin bu şekilde evrimleştiği kabul edilmektedir. Bu aşama ile ortaya çıkan ilkel ökaryotik hücrelerden bazıları ise ışık enerjisinden yararlanabilen (fotosentetik) ilkel prokaryotik hücreyi yutarak başka bir simbiyotik ilişki kurmuştur. İlkel ökaryotik hücrenin yuttuğu bu fotosentetik ilkel prokaryotik hücre ise ilk kloroplast olmuştur. Fotosentez yapabilen ilk ökaryotik hücre de bu şekilde ortaya çıkmıştır.

Anlatılan bu süreçler, evrimsel biyolojide endosimbiyotik kuram olarak bilinir. Her ne kadar tartışmalar devam ediyor olsa da, endosimbiyotik kuramın birçok kanıtı gösterilmiştir. Günümüzdeki prokaryotların ve günümüzdeki ökaryotların içerdiği mitokondri ve kloroplastın taşıdığı evrimsel açıdan ortak özellikleri endosimbiyotik kuramın kanıtlarını oluşturmaktadır. En can alıcı noktayı belirtmek gerekirse, her üçünün de kendine ait bağımsız genetik sistemleri (Kendi genomları, DNA replikasyonu ve protein sentezi için gerekli diğer tüm özgün bileşenleri) vardır ve halkasal genom taşırlar. İki organel de tıpkı prokaryotlar gibi, ökaryotik hücre içerisinde bölünerek çoğalır.

Bu kavram üzerine biraz düşünülürse, hem aerobik hem de fotosentetik ilkel prokaryotik hücrelerin kendi hücre zarlarına sahip olduklarını anlarız. Hücre zarı olan bir hücre, dış ortamdan hücre içine bir yapı dahil edeceği zaman, endositoz adı verilen bir mekanizma ile bunu yapar (bkz. Şekil 5). Bu mekanizmada hücre içine dışarıdan alınacak olan madde, alıcı olan hücrenin zarında oluşacak olan bir çöküntünün hücre içine doğru kopması suretiyle alınır ve hücre içine alınan maddenin etrafı, alıcı hücrenin zarı ile kapatılmış olur, yani bir vezikül oluşur. Buradan hareketle, ilkel alıcı prokaryotik hücre, ilkel aerobik ve fotosentetik prokaryotik hücreleri yutarken, aldığı hücrelerin kendilerine ait hücre zarlarının etrafını kendisine ait hücre zarı ile çevreleyerek iç ortamına almıştır.

Organel olarak hem mitokondriyum hem de kloroplast, diğer organellerden farklı olarak iki adet hücre zarı ve zarlar arası boşluk taşıyan organellerdir. Bu kurama göre, organellerin sahip olduğu dış zar, alıcı hücrenin kendi zarından oluşan vezikülün devamı ve iç zarın ise yutulan orijinal prokaryotik hücrelerinin kendi zarları olduğu anlaşılmaktadır. Endosimbiyotik kuramın önerilen bir diğer kanıtı ise taşıma proteini olan porin isimli proteinin, bu organellerde alıcı hücrenin zarından teşekkül etmiş olan dış zarda ama serbest prokaryotların hücre zarında bulunuyor olmasıdır. Ayrıca ETS, bu organellerde iç zar üzerinde konumlanmış olmasına karşın serbest prokaryotlarda hücre zarınde yer alır. Bu anlatılanlardan, alıcı hücre ile alınan hücre arasında zamanla bir işbirliği geliştiğini ve alınan hücrelerin alıcı hücrenin yaşam sistemine entegre olduğu yani ökaryotik hücrenin evrimleştiği anlaşılmaktadır (bkz. Şekil 6).

Mitokondri, prokaryotik hücrenin ökaryotik hücreye evrimleşmesinde kilit rol oynamıştır. Günümüzde serbest prokaryotlar bir araya gelerek çok hücreli bir canlıya evrimleşme eğiliminde değildir. Kısacası, rastgele prokaryotik hücreler birbirine tutunarak çok hücreli bir organizma meydana getirememektedir. Sadece yüksek yapılı ökaryotik canlılar olan bitki ve hayvan hücreleri çok hücreli hayata evrimleşerek, dokulaşma, organlaşma ve sistemleşmeyi mümkün kılmıştır.

Genom açısından da düşünüldüğünde benzer bir ilişki dikkat çekmektedir. Mitokondri organellerinin hücre içindeki temel görevlerini yapabilmeleri için gerekli olan proteinlerin (ör: ETS kompleksleri, ATP sentaz enzimi) bir kısmının genetik kodu mitogenomda (mitokondriyal DNA) taşınırken, birçok diğer proteinin genetik bilgisi ise konak hücrenin nükleer DNA’sı tarafından taşınır. Buradan da anlaşılacağı üzere, ökaryotik hücreye evrimleşme sürecinde ilkel aerobik prokaryotik hücrenin genomunda bulunan bazı genler konak hücrenin DNA’sına geçmiştir ve zamanla alıcı prokaryot hücrenin çekirdek yapısına kavuşması ile asimile edilen bu genetik bilgi ökaryotik hücrenin nükleer DNA’sının bir parçası haline gelmiştir. Burada cevaplanmayı bekleyen sorulardan bir tanesi de konak hücre mitokondriyum için protein sentezleyebilecek imkana ve genetik bilgiye sahipse, neden mitokondriyum kendi DNA’sını da korumaya ihtiyaç duydu?

Hem mitokondriyum hem de kloroplast organellerinin kendi genetik materyalini koruma yoluna gitmesinin açıklaması olarak, bu organellerin düzgün işleyişlerini çekirdekten de bağımsız olarak sürdürebilme yetenekleri öne sürülmektedir. Mitokondri organelleri, hücrenin oksijen miktarı ile kısmi hava basıncındaki değişmelere ve kloroplast ise ışık miktar ve yoğunluğu ile CO₂ miktarındaki değişmelere karşı kısa sürede tepki verebilmek için ETS boyunca cereyan eden redoks tepkimelerini sürekli olarak denetim altında tutmak zorundadır. Bu denetimin yüksek hassasiyeti nükleer DNA tarafından sağlanamaz ve yüksek hassasiyetli denetimin vakit kaybedilmeksizin süreklilik arz etmesi için bu organeller kendi genetik materyallerini korumaya devam etmişler ve evrimsel açıdan konak hücreye genetik materyal açısından da yardımcı olmuşlardır. Bahsedilen bu durum kuramsal olarak, “redoks düzenlemesi için birlikte yerleşim” (CORR, co-location for redox regulation) mekanizması olarak adlandırılır.

Teşekkür: Bu yazıyı hazırlayan Esma Dede'ye teşekkür ederiz.