Yediğimiz yiyecekler açlık hissini ortadan kaldırmak dışında çok daha önemli bir göreve hizmet eder. Hayatsal faaliyetlerimizi gerçekleştirmemiz için ihtiyacımız olan enerji, yediğimiz besinler sayesinde hücresel solunum ile karşılanır.
Hücresel solunum kısaca yediğimiz besinlerin hücrelerimizde parçalanması olarak açıklanabilir. Yiyecek ve içecekler yoluyla sindirim sistemimize ulaşan besinler, en küçük yapı taşlarına dek ayrıştırılır. Ayrışan bu moleküller hücrelerimize gönderilir. Hücrelerimiz elde ettikleri besin moleküllerini ATP adı verilen bir bileşiği üretmek için kullanırlar. Hücrelerimiz taşıma ve hareket etme gibi görevleri yerine getirebilmek için ihtiyacı olan enerjiyi ATP adı verilen bir bileşikten alır.
ATP (adenozin trifosfat), hücrelerin enerjiye ihtiyaç duyduğu zamanlarda parçalanarak enerji üreten bir moleküldür. Bu molekül, bir adet adenin bazına bir riboz şekerinin ve üç adet fosfatın bağlanmasıyla oluşur. Fosfatların bir arada bulunmasını sağlayan fosfodiester adlı çok güçlü bir bağ vardır. Bu bağlar oldukça kuvvetli oldukları için onları yıkmak epey zordur. Ancak bağlar yıkıldığı zaman büyük miktarda enerji açığa çıkar. Hücrelerimizin ihtiyaç duyduğu enerji, tam olarak ATP’nin yıkılmasıyla oluşan enerjidir. Elbette ATP molekülünü parçalamak için ATP’nin üretilmesi gereklidir. ATP’nin üretildiği yer, hücrelerin enerji kaynağı olan mitokondri organelidir.
Mitokondri, hücrelerimizin enerji ihtiyacını karşılayan, çift zara sahip bir organeldir. Zarlar arası boşluk ve iç zarın çevrelediği sıvı bir yapıdan oluşmaktadır. Bu sıvı matriks sıvısıdır ve mitokondriye ait moleküller bulundurur. Matriksin etrafını saran zar, kıvrımlara sahiptir ve kıvrımlar, aynı anda pek çok elemanın aynı anda çalışmasına olanak sağlayarak hücresel solunumun verimini artırır.
Tükettiğimiz besinler sindirim olayları sonucunda glikoz, fruktoz, amino asitler ve yağ asitleri gibi parçalara ayrılırlar. Hücresel solunum aşamalarını açıklarken glikoz molekülü üzerinden anlatım yapacağım. Diğer moleküllerin solunuma nasıl dahil olduklarına yazının devamında yer vereceğim.
Hücresel solunumun dört farklı aşamada gerçekleştiği söylenebilir. Bunlar sırasıyla; glikoliz evresi, piruvat oksidasyonu, krebs döngüsü ve elektron taşıma sistemidir. Glikoliz evresi hücrenin sitoplazmasında gerçekleşirken diğer tüm evreler mitokondride gerçekleşir.
Hücreler elde ettiği altı karbonlu glikoz molekülünü bu evrede parçalarlar. Ancak glikoz molekülü oldukça kararlı bir bileşiktir ve formunu kaybetmek istemez. Bu yüzden glikoz molekülü doğrudan parçalanamaz. Glikoliz evresinde glikoz, bir dizi kimyasal tepkime sonucu üç karbonlu iki adet piruvata dönüşür. Bu dönüşüm esnasında birçok ara molekül oluşur ve NAD+ adı verilen bir taşıyıcı, ara moleküllerden hidrojen (H+) ve elektron (e-)yakalayarak NADH haline gelir. Bu durumda NAD+ molekülünü elektron ve hidrojen taşıyıcısı olarak düşünmek yanlış olmayacaktır.
Glikoliz evresi sonucu 2 NADH molekülünün yanında 2 adet de ATP oluşur. Piruvat molekülü de mitokondriye geçerek krebse hazırlık evresine girer.
Piruvat oksidasyonu, bir diğer ismiyle krebse hazırlık, mitokondrinin matriksinde gerçekleşir. Burada amaç üç karbonlu pirüvat bileşiğini iki karbonlu asetil-KoA bileşiğine dönüştürmektir. Bu dönüşüm, pirüvattan bir karbondioksit molekülü eksiltilerek sağlanmaktadır. Karbondioksit (CO2) bir karbon içerdiğinden pirüvattan çıktığı zaman iki karbonlu asetil-KoA’ya dönüşür. Bu evrede de NAD+ molekülü e- ve H+ alarak NADH haline gelir. Oluşan asetil-KoA molekülü krebs döngüsüne aktarılır.
Krebs döngüsü, iki karbonlu asetil-KoA’nın bir önceki krebs döngüsü sonucu oluşmuş dört karbonlu okzaloasetikasitle birleşerek altı karbonlu sitrat molekülüne dönüşmesiyle başlar. Altı karbonlu bu bileşik, toplamda iki karbondioksit açığa çıkaran bir sıra tepkime sonucunda yeniden dört karbonlu okzaloasetikasite dönüşmektedir. Bu sayede döngü yeni gelen asetil-KoA ile devam edebilmektedir. Bu tepkimeler esnasında toplam 2 adet ATP molekülü üretilir ve NAD+ ile FAD molekülleri e- ve H+ alarak NADH VE FADH2 haline gelir. FAD da tıpkı NAD+ gibi elektron ve hidrojen alıcısıdır.
Bu zamana kadarki evrelerde toplam ATP geliri 4 adetken NAD+ ve FAD hep elektron ve hidrojen taşıdılar. Peki onca tepkimede e- ve H+ alan bu moleküller, aldıkları maddelerle ne yapacaklar dersiniz?
Bu zamana kadar NADH VE FADH2 molekülleri sayesinde taşınan elektron ve hidrojenler, elektron taşıma sistemi sayesinde serbest bırakılır. Elektron taşıma sistemi, kısaca ETS, mitokondrinin iç zarında bulunan protein yapılarından oluşan bir sistemdir. Bu sistemde adından anlaşılacağı üzere elektronlar aktarılır. NADH ve FADH2 molekülleri üzerinde taşınan elektronlar, sırasıyla zar üstündeki yapılara aktarılarak enerji açığa çıkmasını sağlarlar. Elektron aktarımı şu şekilde gerçekleşir: Elektronu ilk kabul eden yapı elektronu alır almaz sıradaki yapıya aktarır. Bu aktarım sırasında elektron, enerjisinin bir kısmını kaybeder. Bu enerji ETS boyunca açığa çıkan enerjidir. Enerjisinin bir kısmını kaybeden elektron, bir sonraki ETS elemanına gitmek için adeta yorulmuştur ancak sıradaki ETS elemanı elektronu almak için bir önceki elemana göre daha isteklidir. Yeni eleman da elektronu alır ve sıradakine aktararak süreci devam ettirir. Bu sayede elektron enerji kaybede kaybede yoluna devam eder. Bu durumda son elektron alıcısının elektron alma isteği çok olmalıdır. Zira elektron neredeyse tüm enerjisini kaybetmiştir. İşte elektronu son kez alan yapı, elektronegatifliği yüksek olan yani elektron çekme gücü en fazla olan oksijen (O2) molekülüdür. ETS boyunca açığa çıkan enerji direkt olarak solunuma katkı sağlamaz ancak kemiozmoz adı verilen ve hücresel solunum için büyük öneme sahip bir olayın gerçekleşmesini sağlar.
NADH ve FADH2’den ETS boyunca elektronların aktarılmasına ek olarak H+ molekülleri de serbest kalır. Matriks sıvısında serbest kalan hidrojen iyonları, iç zar üzerinden zarlar arası boşluğa pompalanırlar. Geçiş tamamlandıktan sonra zarlar arası boşluktaki hidrojen iyonları o bölgedeki hidrojen yoğunluğu farkının artmasına neden olur. Oluşan bu fark, hidrojen iyonlarının matrikse geri dönmesi gerektiğini söyler. Ancak iç zar hidrojen iyonlarını doğrudan geri gönderemez. Hidrojen iyonlarının zardan geçmesinin tek yolu, zar üzerinde bulunan özel bir proteindir. Bu protein ATP sentaz enzimidir. Hidrojen iyonlarının geçişini sağlayan ATP sentaz, bu geçiş esnasında ATP üretimini gerçekleştirmektedir. Bu sayede hücresel solunumda bu evreye dek üretilenden çok daha fazla, yaklaşık 28-30 adet, ATP molekülü üretilir. Bu yolla ATP üretilmesi, 1961 yılında Peter Mitchell tarafından keşfedilmiş ve adına kemiozmoz denilmiştir. Kemiozmozda ATP sentaz enzimi yardımıyla matrikse dönen H+ ler de matrikste bulunan oksijenin yapısına katılarak su (H2O) molekülünü oluşturur.
Hücresel solunum aşamaları esnasında bir adet glikoz molekülünden toplamda 30-32 adet ATP üretilmektedir. Bu ATP’ler onlarca tepkime sonucunda adeta taksit taksit üretilmektedir. Peki bunun nedeni nedir? Bankadan yüklü miktarda para çekmeniz gerektiğini hayal edin. ATM parayı size bir bütün olarak vermek yerine ufak banknotlar halinde sunacaktır. Bunun sebebi parayı daha kolay harcayabilmeniz içindir. Tıpkı bu örnekte olduğu gibi solunum sonucunda oluşacak 30-32 adet ATP’nin bir anda üretilmek yerine aşama aşama üretilmesi, ATP’nin daha kolay harcanabilmesi içindir.
Peki glikoz haricinde hücresel solunuma katılan moleküller nelerdir, ve nasıl ATP üretirler?
Sindirim yoluyla hücrelerimize ulaşan ve solunuma katılan tek besin molekülü glikoz değildir. Protein ve yağ içeren yiyecek-içecekler tükettiğimizde sindirim sonucunda amino asit, yağ asidi ve gliserol gibi küçük parçacıklara ayrılır. Bu moleküller de hücresel solunuma farklı yollarla giriş yaparak enerji üretimini sağlarlar.
Proteinler amino asitlere kadar parçalandıktan sonra bazıları yeni proteinleri üretmek için kullanılır, bazıları ise yapılarında bulunan amino grubu (-NH2) amino asitten ayrılır. Bu olaya deaminasyon denmektedir. Azotlu atık madde, idrar yoluyla insanların vücudundan atılmaktadır. Amino asitten kalan parça, glikoliz evresine veya sitrik asit döngüsüne katılarak hücresel solunumu gerçekleştirmiş olur.
Vücudumuzdaki yağ hücrelerinden veya yiyeceklerimizden elde ettiğimiz yağ molekülleri, yağ asidi ve gliserole kadar parçalanır. Gliserol molekülü glikoliz evresinin ortasına giriş yaparken yağ asitleri asetil-KoA’ya çevrilerek sitrik asit döngüsüne katılır. Yağ asitlerinin dönüşümüne beta oksidasyonu denmektedir. Bu sayede yağ molekülleri de hücresel solunuma katılarak ATP üretilmesine yardımcı olur.
Glikoz, amino asit, gliserol ve yağ asitleri; ATP üretmek için hücrelerimizde bir dizi tepkimeye girerler. Üretilen ATP molekülü de hayatsal faaliyetlerimiz için ihtiyaç duyduğumuz enerjiyi üretir.
