Hücresel Solunum

Yüzme, koşma gibi yoğun kas hareketi gerektiren faaliyetlerde başta iskelet ve kas sistemi olmak üzere tüm vücut bol miktarda enerji tüketir. Fiziksel aktivitede bulunurken, otururken, düşünürken, konuşurken, hatta uyurken bile insan enerjiye ihtiyaç duyar. Vücudun ihtiyaç duyduğu bu enerji, besinlerin hücrelerde hücresel solunum ile parçalanmasıyla elde edilir.

Hücresel solunum, sık sık nefes alıp vermeyle karıştırılır; oysa iki kavram farklıdır. Nefes alıp verme, solunum organlarındaki gaz değişimini ifade ederken hücresel solunum, organizmaların yaşamını sürdürebilmesi için organik besin moleküllerinin hücre içinde parçalanarak enerji elde edilmesidir. Hücresel solunum, oksijenli ve oksijensiz solunum olmak üzere iki şekilde gerçekleşir.

Oksijenli Solunum

Oksijen varlığında enzimler ve elektron taşıma sistemi (ETS) yardımıyla organik moleküllerin karbondioksit ve suya kadar parçalanarak ATP üretilmesine oksijenli solunum (aerobik solunum) denir; son elektron alıcısı oksijendir. Glikoliz sonucu oluşan piruvat, CO₂ ve H₂O gibi inorganik maddelere kadar tam olarak parçalandığından diğer hücresel solunum çeşitlerine göre daha fazla ATP üretilir. Oksijenli solunum bazı prokaryotlarda ve tüm ökaryotlarda gerçekleşir; prokaryotlarda sitoplazma ve hücre zarının iç yüzeyinde, ökaryotlarda sitoplazmada başlayıp mitokondride tamamlanır.

Genel denklemi şöyledir:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP + ısı

Oksijenli solunum; glikoliz, Krebs döngüsü ve ETS olmak üzere üç aşamada gerçekleşir.

Glikoliz

Hücresel solunumda glikoz kullanıldığında ilk tepkime glikoliz ile başlar. Glikoliz, glikozun çeşitli enzimler kontrolünde hücrenin sitoplazmasında 2 molekül piruvata kadar parçalandığı tepkime dizisidir; solunum ve fermantasyon gibi farklı metabolik yollarda ortak şekilde gerçekleşir. Başlangıçta glikoz molekülünü aktifleştirmek için 2 ATP harcanır; sonraki aşamalarda 6 karbonlu glikoz, 3 karbonlu 2 piruvata dönüşürken 4 ATP ve 2 NADH sentezlenir. Başlangıçta harcanan 2 ATP düşüldüğünde net kazanç 2 ATP'dir. Ara ürünlerden ayrılan hidrojenler NADH formunda mitokondriye aktarılıp ETS'de ATP sentezinde kullanılır.

Krebs (Sitrik Asit) Döngüsü

Glikoliz sonucu oluşan piruvat molekülleri ökaryot hücrede mitokondriye taşınır; ancak doğrudan Krebs döngüsüne katılamaz. Her piruvat molekülü, bir CO₂ çıkışı ve NADH oluşumuyla iki karbonlu Asetil-CoA (Asetil koenzim A) bileşiğine dönüşür — glikoliz ile Krebs döngüsü arasındaki bu bağlantıya piruvatın oksidasyonu denir.

Krebs döngüsü tepkimeleri, 1937'de Alman bilim insanı Hans Krebs tarafından açıklanmıştır; oksijenli solunumun ikinci aşamasıdır ve mitokondrinin matriksinde gerçekleşir. Asetil-CoA, döngünün son aşamasındaki dört karbonlu bileşikle birleşerek altı karbonlu bir molekül oluşturur; bu molekül sırasıyla beş ve dört karbonlu bileşiklere dönüşürken her karbon azalışında bir CO₂ çıkışı olur. Bir glikoz molekülü için Krebs döngüsü iki kez (iki Asetil-CoA için) gerçekleşir; toplamda 4 CO₂, 6 NADH, 2 FADH₂ ve 2 ATP üretilir. Oluşan NADH ve FADH₂, ETS'de ATP sentezinde kullanılır.

ETS Evresi

Oksijenli solunumda kazanılan ATP'lerin büyük kısmı ETS evresinde üretilir. Prokaryotlarda hücre zarının iç yüzeyinde, ökaryotlarda mitokondrinin krista adı verilen kıvrımlı iç zarlarında gerçekleşir. Önceki evrelerde oluşan NADH ve FADH₂'nin taşıdığı elektronlar, indirgenme-yükseltgenme tepkimeleriyle ETS boyunca taşınıp sonunda oksijene ulaşır; oksijen bu elektronları alıp protonlarla birleşerek su oluşturur. Bu tepkimeler sonucunda ATP üretilir, enerjinin bir kısmı ısı olarak açığa çıkar. Oksijenli solunum enzim kontrolünde gerçekleştiğinden sıcaklık değişimlerinden etkilenir.

Oksijensiz Solunum

Hücresel solunum yalnızca oksijen varlığında gerçekleşmez. Son elektron alıcısı olarak oksijenin kullanılmadığı hücresel solunum şekline oksijensiz solunum (anaerobik solunum) denir; çoğunlukla bazı bakteri ve arkelerde görülür. Bu canlılarda ETS'nin son basamağında oksijen yerine nitrat (NO₃⁻), sülfat (SO₄²⁻) veya karbondioksit (CO₂) gibi inorganik maddeler son elektron alıcısı olarak kullanılır. Bu canlılar genellikle bataklık, dip çamuru, derin toprak katmanları, bağırsak gibi oksijenin az olduğu ortamlarda yaşar.

Oksijensiz solunumda da organik moleküllerin parçalanmasıyla açığa çıkan enerji ATP sentezinde kullanılır; süreç glikozun parçalanmasıyla başlar, açığa çıkan elektronlar ETS boyunca taşınır (fermantasyondan farkı, burada ETS'nin görev yapmasıdır). Ancak son elektron alıcısı oksijen olmadığından oksijenli solunuma göre daha az ATP üretilir.

Özet

• Hücresel solunum, organik besin moleküllerinin hücre içinde parçalanarak enerji (ATP) elde edilmesidir; oksijenli ve oksijensiz solunum olmak üzere iki şekilde gerçekleşir.
• Oksijenli solunum glikoliz (sitoplazma, net 2 ATP), Krebs döngüsü (mitokondri matriksi, 2 ATP + NADH/FADH₂) ve ETS (mitokondri kristası, çoğu ATP + son elektron alıcısı O₂) aşamalarından oluşur.
• Oksijensiz solunumda ETS çalışır ama son elektron alıcısı oksijen değildir (nitrat, sülfat, CO₂ vb.); bu yüzden oksijenli solunuma göre daha az ATP üretilir.