Canlılarda Enerji Dönüşümleri

Canlılarda Enerji Dönüşümleri

Canlılarda Solunum: Enerjinin Açığa Çıkışı

Canlı hücrede gerçekleşen tüm metabolik olaylar enerji gerektirir. Hayvanlar enerjilerini yedikleri besinlerden alır.

Besinlerdeki bu enerji, fotosentez yoluyla güneşten alınan ışınım enerjisinin organik maddelerin kimyasal bağlarındaki potansiyel enerjiye çevirilmiş şeklidir.

Hücresel solunumda enzimler aracılığıyla besinler karbondioksit ve suya parçalanırken kimyasal bağ enerjisi açığa çıkarak, ATP molekülünde depolanır.

Hücreler ATP’nin yapısındaki yüksek enerji bağlarını yıkarak elde ettiği enerjiyi biyolojik işte kullanır.

Özetle;

Işık Enerjisi   —Fotosentez—>   Kimyasal Bağ Enerjisi   —Solunum—>  ATP —> Canlılık Olayları

A. Enerjinin Temel Molekülü ATP

Canlıların yaşamsal etkinliklerinde doğrudan kullanabildiği tek tek enerji molekülü ATP’dir. ATP yalnız hücre içinde sentezlenir. ATP depo edilmez. ATP hücreden hücreye transfer edilmez. ATP yapımı ve yıkımı birbirinin tersi olaylardır.

ATP oluşması ve harcanması

ATP’den fosfat ayrılması ya da ADP‘ye fosfat bağlanması enzimler kontrolünde gerçekleşir.

ATP üretim reaksiyonlarına fosforilasyon adı verilir. Yaşamsal faaliyetler için gerekli olan ATP üretimi canlılarda substrat seviyesinde fosforilasyon, oksidatif fosforilasyon ve fotofosforilasyon olmak üzere farklı şekillerde gerçekleşir.

Metabolik faaliyetlerde enerji açığa çıkaran tepkimelere ekzergonik (enerji veren ) , enerji ihtiyacı olan tepkimelere endergonik tepkime denir.

B. Canlılarda Enerji İhtiyacı

Canlı yapısını oluşturan hücrelerin molekülleri sürekli bir kimyasal değişim içindedir. Bu değişme biyokimyasal tepkimelerle gerçekleşir. Canlılardaki bu biyokimyasal olaylara metebolizma denir.

Metebolizma anabolizma (yapım) ve katabolizma (yıkım) olaylarının bütünüdür. Metebolizma faaliyetleri sırasında enerjiye ihtiyaç duyulur. Canlıların enerji gereksinimi fiziksel aktivitelere bağlı olarak değişir. Metabolizma hızı arttıkça ihtiyaç duyulan enerji miktarı da artar. İnsanlarda metabolizma yaş, cinsiyet hormonal etkiler ve vücut büyüklüğü gibi faktörlerden etkilenir.

C. Oksijenli Solunum

Enerji verici organik besinlerin oksijenli ortamda parçalanarak ATP üretilmesidir. Mezozomu olan prokaryotlarda solunum enzimleri yardımıyla, ökaryotlarda ise mitokondri yardımıyla gerçekleşir.

Glikozun oksijen ile tepkimeye girmesi sonucu H2IO ve CO2 gibi inorganik maddelere kadar parçalandı için enerji verimide yüksektir. Açığa çıkan enerjinin bir bölümü ATP enerjisi olarak depolanırken, bir kısmı ise ısı enerjisi olarak açığa çıkar.

Oksijenli solunum tepkimeleri

Glikoz molekülünün yapısına katılan atomların radyoaktif izotopları kullanılarak solunum son ürünleri izlenmiştir.

İzotop atom izleme yöntemi ile;

• Havadan alınan oksijenin suyun yapısına ,
• Glikozun hidrojenlerinin suyun yapısına ,
• Glikozun karbon ve oksijenlerinin karbon dioksitin yapısına katıldığı tespit edilmiştir.

Mitokondri

Mitokondri çift zarla çevirili bir organeldir. Yapısal olarak dış zar düz ve esnektir. İçteki zar krista denilen kıvrımlardan oluşur. Kristada ETS elemanları bulunur. Mitokondirinin içini dolduran sıvıya matriks denir. Matrikste ve krista da solunum enzimleri bulunur. Görevi karbonlu moleküllerdeki enerjiyi ATP‘ye dönüştürmektir.

Mitokondrinin içyapısı

Oksijenli solunum reaksiyonları üç aşamada gerçekleşir;

1) Glikoz evresi

2) Krebs döngüsü

3) ETS (elektron taşıma sistemi) evresi

1. Glikoz

Glikozun üç karbonlu piruvata çevrilmesi sırasında bir miktar ATP’nin üretildiği tepkime dizisine glikoliz denir.

Oksijenli ve oksijensiz solunum tepkimelerinde glikoliz ortaktır. Bu da glikoliz olayını kontrol eden kalıtsal yapı ve enzimlerin tüm hücrelerde benzer olduğunu gösterir. Glikoliz bütün hücrelerde sitoplâzmada gerçekleşir.

Glikoz evresi tepkimeleri

Glikoz evresinde;

• Glikoz ATP moleküllüleri bağlanarak aktif hale getirir.
• Organik bileşik parçalanarak iki tane üç karbonlu fosfogliseraldehit (PGAL) oluşur.
• PGAL ‘den ayrılan proton ve elektronlar NAD+ koenzimine aktarılır. 2 molekül NADH +H+ oluşur.
• Her iki PGAL’e bir fosfat bağlanır, difosfogliserik asit (DPGA) oluşur.
• Oluşan her iki DPGA’dan fosfatlar ayrılır ADP’lere bağlanarak subsrat seviyesinden 4 ATP sentezlenmesi sağlanır.
• Glikoliz tepkimeleri sonucu iki pirüvat oluşur.

Glikolizde;

• Oksijen kullanılmaz, karbondioksit açığa çıkmaz.
• Elektron taşıma sistemi (ETS) kullanılmaz.
• Enerji verimi düşüktür.

2. Krebs Döngüsü Tepkimeleri

Krebs döngüsü, krebse hazırlık ve krebs çemberinden oluşmaktadır.

Krebse hazırlık evresinde; pirüvat oksijen varlığında mitokondriye girer, karbon ve hidrojen kaybetmesiyle asetil CoA ya dönüşür. 2 molekül NEADH + H+, 2 molekül CO2 meydana gelir.

Krebs çemberinde; asetil CoA, 4C’lu okzaloasetik tarafından yakalanır ve altı karbonlu sitrik asit oluşur. Sitrik asit bir dizi tepkimeyle 5C ‘lu ve 4C’lu bileşiklere dönüşür. Son olarak tekrar okzaloasetik asit oluşur. Bir molekül glikozdan iki tane pirüvik asit olduğu için, iki tane krebs tepkimesi gerçekleşir.

Krebs döngüsü sırasında 6CO2 6 NADH + H+ , 2FADH2 subsrat seviyesinde fosforilasyonla 2 ATP sentezlenir.

Krebs tepkimeleri

3. Elektron Taşıma Sistemi (ETS)

Mitokondrinin krista zarında gerçekleşir. Bu zar elektron taşıma sistemi (ETS) ve ATP sentaz enzimi taşır. Bu sistem elektron alma ilgilerine göre sıralanmış çoğu protein yapıda olan moleküller den oluşur. Bunlar NADH-Q redüktaz, sitokrom redüktaz, sitokrom oksidaz ve sitokrom C ‘dir. Protein yapıda olmayan görevi olan molekül ise ubikinondur. Glikoliz ve krebs çemberinde üretilen NADH + H + ve FADH + H+’nın hidrojen ve elektronları ETS elemanlarından geçerken açığa çıkan enerji ATP şeklinde depolanır.

Mitokondri ve kloroplastlarda ETS ‘de ATP sentezi kemiozmotik hipoteze dayandırılmaktadır. Bu hipoteze göre oksidatif fosforilasyonda zar yüzeyleri arasındaki proton derişimi farklı ATP sentezini sağlar.

ETS doğrudan ATP üretmez. Bu zincirin amacı, besinden H2 halinde koparılan elektronların enerjisini düşürerek oksijene aktarılmasını sağlamaktır. Bu sırada açığa çıkan enerjinin bir kısmı ısı olarak ortama yayılırken geri kalanı mitokondri matriksindeki protonları, mitokondrinin iç ve dış zarı arasında bulunan boşluğa pompalamada kullanır. Protonlar, ETS molekülleri aracılığıyla pompalanır. Böylece zar arasındaki boşlukta yüksek proton derişimi ve elektriksel yük farkı oluşur. Bu durum potansiyel enerji oluşturur. Zarlar arası boşlukta biriken protonlar, ATP sentaz enziminden geçerek matrikse döner. ATP sentaz hidrojen iyonlarını akışıyla güç sağlayan bir değirmen gibi çalışır. Böylece ADP’ye bir fosfat eklenerek ATP sentezlenmesini sağlar. ETS’ler aracılığıyla elektronların oksijene taşınması ve ATP sentezlenmesine oksidatif fosforilasyon denir.

Proton ve elektronlar NAD tarafından ETS ‘ ye iletilirse 3 ATP, FAD tarafından alınıp ETS’ye iletilirse 2 ATP sentezlenir.

ATP üretimi

1. Subsrat düzeyinde fosforilasyonla

a) Glikolizde… 4ATP

b) Krebs çemberinde… 2ATP

2. Oksidatif fosforilasyonla

a) Glikolizden gelen 2 NADH2’ den… 6 ATP

b) Pirüvat Asetil CoA’ya dönüşürken oluşan 2 NADH2’den… 18 ATP

c) Krebs çemberinde oluşan 6 NADH2… 6 ATP 2 FADH2 ‘ den… 4 ATP

Toplam üretilen… 40 ATP

Glikolizde harcanan… 2 ATP

Net kazanç… 38 ATP

Suyun Oluşumu

Oksijenli solunumda ETS ‘ye aktarılan bir çift hidrojen atomunun oksijen ile birleşmesi 1 molekül H2O oluşur. NAD ve FAD molekülleri aracılığıyla 24 hidrojen atomu oksijenle birleşerek 12 molekül H2O oluşturur.6 mol su ortama verilirken 6 mol su krebs çemberinde kullanılır.

Karbondioksitin Oluşumu

2 pirüvattan asetil CoA oluşumu sırasında 2 CO2 ,Krebs çemberi reaksiyonları sırasında 4 CO2 olmak üzere toplam 6 CO2 çıkışı olur

D. Besinlerin Oksijenli Solunuma Katılım Yolları

Yağlar, karbonhidratlar ve proteinler monomerleri solunum olayında yıkılırken farklı kademelerden reaksiyona katılır.

Farklı organik bileşiklerin solunumda yakılması

Karbonhidratlar ve lipitler solunum tepkimelerinde kullanıldığında CO2,H2O ve HN3meydana gelir.

E.Oksijensiz Solunum(Fermantasyon)

Organik besinlerin oksijen kullanımda enzimler parçalanarak ATP sentezlemesinefermantasyon denir. Besin CO2 ve H2O’ye kadar parçalandığından enerjinin büyük bir bölümü son ürünlerin kimyasal bağlarında gizli kalır.

Fermantasyon tepkimeleri hücre sitoplazmasında gerçekleşir. Glikoz tepkimeleri oksijenli solunumdaki gibi aynı şekilde gerçekleşir. Glikoz evresinden sonraki tepkimelerden farlı enzimler kullanılmasıyla farklı fermantasyon reaksiyonları görülür.

1. Etil Alkol Fermantasyonu

Maya mantarı, bazı bakteriler ve çeşitli bitki tohumlarında görülür. Glikoz oksijensiz ortamda etil alkolle yıkılır.

Glikoz önce glikoz tepkimeleriyle 2 molekül pirüvata kadar parçalanır. ATP sentezi glikoz safhasında olur. Pirüvat,2 karbon dioksit vererek 2 aset aldehite dönüşür. Aset aldehitte glikoz evresinde sentezlenen 2 NADH+H+ molekülünden hidrojen alarak 2 etil alkol’e dönüşür. Serbest kalan NAD+ molekülleri glikolizin devamı ve ATP üretimi için gereklidir.

Bir molekül glikozdan fermantasyon sonrası 2 etil alkol, 2 CO2 ve net 2 ATP oluşurken bir miktarda ısı açığa çıkar.

Alkol fermantasyonu yapan canlılarda açığa çıkan son ürün %18’ aşarsa hücrelerin ölümüne sebep olur. Etil alkol fermantasyonu ile alkollü içecekler ve hamur gibi ticari önemi olan ürünler elde edilir.

2.Laktik Asit Fermantasyonu

Bazı mantar, bakteri ve omurgalı hayvanları çizgili kas hücrelerinde görülür.

Glikoliz tepkimeleri sonucu oluşan piruvat yine glikolizde oluşan 2NADH+H+moleküllerinden hidrojen alarak 2 laktik asite dönüşür. Böylece NADH+H+ molekülü yükseltgenerek glikolizin devamı için NAD+molekülü ortama kazandırılır

Laktik asit fermantasyonu sonucunda bir molekül glikozdan 2 molekül laktik asit ve net 2 ATP oluşur.ATP sentezi glikoliz safhasında oluşur.Bir miktar ısı enerjisi açığa çıkar.

Laktik asit çizgili kaslarda birikirse kas yorgunluğu görülür. Eğer daha sonra doku yeterince oksijen sağlarsa laktik asit H vererek tekrar piruvata döner.

Bakteri ve mantarlar laktik asit fermantasyonu ile peynir yoğurt ve turşu gibi ürünlerin üretiminde ticari amaçla kullanılmaktadır.

Oksijensiz ve oksijenli solunum arasındaki farklar

Oksijensiz solunum	Oksijenli solunum
Oksijen kullanılmaz	Oksijen kullanılır.
Sitoplazmada kullanılır.	Sitoplazmada ve mitokondride gerçekleşir.
ETS görev yapmaz.	ETS görev yapar.
Sadece substrat düzeyinde fosforilasyonla ATP üretilir.	Hem substrat düzeyinde hem de fosforilasyonla ATP üretilir.
Enerji verimi %2-10 arasında.	Enerji verimi %40’dır.
Koenzim olarak NAD kullanılır.	Koenzim olarak NAD ve FAD kullanılır.
Son elektron alıcısı etil alkol fermantasyonunda asetaldehit, laktik asit fermantasyonunda pirüvattır.	Son elektron alıcısı oksijendir.
1 molekül glikozdan 4 ATP üretilir. Net kazanç 2 ATP’dir.	1 molekül glikozdan 40 ATP üretilir. Net kazanç 38 ATP’dir.
Glikoz, etil alkole ve laktik asite vb. parçalanır.	Glikoz, su ve karbondioksite parçalanır.
Bazı bakterilerde, maya hücrelerinde ve oksijen yetersizliğinde çizgili kas hücrelerinde görülür.	Bazı bakterilerde ve çok hücreli canlılarda görülür.

Laktik Asit ve Etil Alkol Fermantasyonlarının Ortak Özellikleri

• Enzim kullanılması
• Sitoplazmada meydana gelmesi
• 4 ATP üretmesi,2 ATP harcaması, net ATP kazancının 2 olması
• NAD’ın glikolizde indirgenip glikolizden sonra yükseltgenmesi
• ATP sentezinin substrat düzeyinde fosforilasyonla olması
• Glikolizden sonra ATP sentezinin olmaması

Kaynakça: http://www.biyolojidersnotlari.com