Hücresel Solunum ve Enerji Üretimi

Konu Anlatımı

Hücresel Solunum ve Enerji Üretimi

Bu derste ne öğreneceğiz?

Hücresel solunum, canlı hücresinde besinlerin oksijenli ya da oksijensiz ortamda parçalanarak kullanılabilir enerjiye dönüştürülmesidir. Bu derste solunumun dört aşamasını, her aşamada hangi moleküllerin oluştuğunu, oksijenin neden son alıcı olduğunu, aerobik ve anaerobik solunumun ATP verimi farkını ve mitokondri sayısının enerji ihtiyacıyla ilişkisini öğreneceğiz.

Dersten sonra şunları yapabiliyor olmanız gerekiyor: bir glikoz molekülünün yıkımında toplam kaç ATP oluştuğunu aşamalara ayırarak hesaplamak, oksijen tüketimini aşamalarıyla ilişkilendirmek, bir dokudaki mitokondri sayısını verilen bilgilerle hesaplamak ve bir hücrenin enerji ihtiyacının neden mitokondri sayısıyla ilişkili olduğunu açıklamak.

• Kazanım 1: Hücresel solunumun aşamalarını ve organel içindeki konumlarını belirtir.
• Kazanım 2: Glikolizin sitoplazmada gerçekleştiğini ve net iki ATP kazandırdığını açıklar.
• Kazanım 3: Krebs döngüsünde elektron taşıyıcılarının üretildiğini ve mitokondrinin merkezî rolünü izah eder.
• Kazanım 4: Oksijenin son alıcı olduğunu ve eksikliğinde ne olduğunu açıklar.
• Kazanım 5: Mitokondri sayısı ile enerji ihtiyacı arasındaki ilişkiyi yorumlar.

Ön bilgi

Bu konunun ön bilgisi Enzimler ve Enzim Aktivitesi konusudur. Solunumdaki her basamak bir enzimin yardımıyla yürür; enzimlerin substrata özgü olması, solunumun belirli basamaklarda durup başka yollara geçebilmesini açıklar.

İkinci ön bilgi, Fotosentez ve Enerji Dönüşümü konusudur. Fotosentezde depolanan kimyasal enerji hücresel solunumla kullanılabilir hâle gelir; iki süreç birbirinin tamamlayıcısıdır. Üçüncü ön bilgi, Hücre Bölünmeleri konusundaki hücre döngüsüdür; büyüyen ve bölünen hücrelerin enerji ihtiyacı artar.

Hücresel Solunum Nedir, Nerede Gerçekleşir?

Hücresel solunum, hücrede depolanmış organik besinlerin oksijen kullanılarak ya da kullanılmadan parçalandığı ve bu sırada kimyasal enerjinin adenozin trifosfata aktarıldığı dizi tepkimelerdir. Oluşan karbondioksit ve su atılır, karbondioksit atmosfere verilir. Solunumun temel işlevi, besinden enerji çekmektir.

Solunum ikiye ayrılır. Oksijen kullanılan solunuma aerobik solunum, kullanılmayana anaerobik solunum denir. Oksijenli solunumda başlıca organel mitokondridir; ökaryotlarda mitokondrinin iç zarında elektron taşıma zinciri bulunur. Sitoplazmada ise yalnız glikoliz basamağı yürür. Prokaryotlarda mitokondri olmadığı için solunumun tamamı sitoplazmada gerçekleşir.

Glikoliz: Sitoplazmanın İlk Aşaması

Glikoliz, bir glikoz molekülünün iki molekül pirüvik aside parçalandığı dokuz basamaklı tepkimeler dizisidir. Bu basamaklar sitoplazmada yürür ve mitokondriye ihtiyaç duyulmaz. Glikoz molekülünün altı karbon atomu, iki molekül pirüvik aside aktarılır.

Glikolizde dört ATP üretilir ancak tepkimenin başlangıcında iki ATP harcanır; bu yüzden net kazanç iki ATP olur. Ayrıca iki yüksek enerjili elektron taşıyıcısı oluşur. Bu elektron taşıyıcıları, glikozun hidrojen atomlarını mitokondriye taşır. Glikoliz, oksijene ihtiyaç duyurmaz; bu yüzden anaerobik solunumda da yürür.

Mitokondride: Dekarboksilasyon ve Krebs Döngüsü

İkinci basamakta iki molekül pirüvik asit mitokondriye geçer. Bu moleküllerin karbonundan karbondioksit ayrılır ve asetil grubu oluşur. Bu basamakta iki ATP ve iki yüksek enerjili elektron taşıyıcısı üretilir. Karbondioksitin ilk çıkışı burada gerçekleşir.

Üçüncü basamakta Krebs döngüsü, matrikste yürür. Asetil grubu bir dört karbonlu bileşikle birleşir; sonuçta altı karbonlu sitrik asit oluşur. Döngüde altı molekül karbondioksit, altı yüksek enerjili elektron taşıyıcısı, iki elektron taşıyıcısı ve iki ATP oluşur. Döngü, elektron taşıyıcılarını yükleyerek mitokondrinin iç zarına aktarır.

Elektron Taşıma Zinciri ve Oksijenin Rolü

Yüksek enerjili elektron taşıyıcıları, elektronlarını mitokondrinin iç zarında bulunan elektron taşıma zincirine verir. Elektronlar bir hücre zarı proteininden diğerine aktarılırken enerji açığa çıkar; bu enerji protonların matriksten zarın aralığına pompalanmasında kullanılır.

Zarın iki yanı arasında biriken proton farkı, protonların geri akışı sırasında adenozin difosfat ve fosfatın birleşmesini sağlar ve adenozin trifosfat oluşur. Zincirin son basamağında elektronlar oksijene verilir ve su oluşur. Oksijen bu basamakta son alıcı görevi görür; elektronların birikmesini önler.

Aerobik ve Anaerobik Solunum Karşılaştırması

Aerobik solunumda bir glikozdan otuz sekiz adenozin trifosfat elde edilir. Anaerobik solunumda ise yalnızca iki elde edilir; çünkü elektron taşıma zinciri çalışmaz. Anaerobik verimin aerobik verime oranı 2 ÷ 38 = 0,053 katına, yani yüzde 5 düzeyine denk gelir.

Anaerobik solunumda pirüvik asit etil alkole ya da laktik aside dönüştürülür. Mayalarda etanol, kas hücrelerinde laktik asit oluşur. Laktik asit birikmesi kaslarda yanma hissini açıklar. Oksijen yetersizliğinde kalp kası gibi sürekli çalışan organlar anaerobik solunuma geçemez; çünkü laktik asit birikimi bu hücrelerde kalıcı zarar verir.

ATP Neden Sürekli Üretilir?

Adenozin trifosfat, hücresel solunumun temel enerji taşıyıcısıdır. Hidrolizle parçalandığında enerji açığa çıkar ve bu enerji hücresel işlerde kullanılır. Ancak hücrede adenozin trifosfat miktarı çok azdır; vücut ağırlığının binde biri düzeyindedir. Bu nedenle sürekli yenilenmesi gerekir.

Örneğin vücut ağırlığı 70 kilogram olan bir kişide adenozin trifosfat miktarı 70 × 0,001 = 0,07 kilogramdır. Bu miktar saniyeler içinde tüketilebilir. Kalp kası, sinir hücresi ve böbrek gibi organlar bu yüzden enerji depolarını sürekli doldurmak zorundadır. Özellikle kalp kası hücresinde mitokondri sayısı çok yüksektir.

Mitokondri Sayısı ve Enerji İhtiyacı

Mitokondri sayısı, hücrenin enerji ihtiyacıyla doğru orantılıdır. Kalp kası hücresi sürekli çalıştığı için en çok mitokondriyi taşır; karaciğer hücresi metabolik faaliyet nedeniyle fazla mitokondri içerir; olgun alyuvar ise mitokondrisini kaybetmiştir ve enerjisini anaerobik olarak üretir.

Bu sayıyı ölçmek için sayım yapılabilir. Örneğin bir dokuda 2000 hücre bulunuyor ve her hücrede 2500 mitokondri varsa toplam mitokondri sayısı 2000 × 2500 = 5000000 olur, yani beş milyondur. Bu sayı, dokunun enerji tüketim kapasitesi hakkında doğrudan bilgi verir ve hücrenin büyüme hızıyla ilişkilendirilebilir.

Basit örnek

Bir molekül glikozun tam yıkımında elde edilen adenozin trifosfatı aşamalara ayırarak hesaplayalım. Glikolizde net 2 adenozin trifosfat, dekarboksilasyon basamağında 2 adenozin trifosfat, Krebs döngüsünde 2 adenozin trifosfat elde edilir. Bu doğrudan kazanç 2 + 2 + 2 = 6 adenozin trifosfattır. Kalan, elektron taşıma zincirinden gelen kısımdır ve toplamdan çıkarılarak bulunur.

İleri örnek

Bir hücrenin enerji tüketimi ölçülerek 1 saniyede 0,02 gram adenozin trifosfat tüketildiği bulunmuştur. Buna göre hücrenin saniyedeki tüketimi, günlük tüketimle karşılaştırılabilir. Önce günlük tüketim bulunur: 0,02 × 3600 = 72 gram adenozin trifosfat. Bu değerin büyüklüğü, hücrenin enerji ihtiyacının yalnız küçük bir kısmının stokla karşılandığını ve sürekli üretim gerektiğini gösterir.

Adım adım çözülmüş örnek

Aşağıdaki örnekte bir glikozun tam yıkımında toplam kaç adenozin trifosfat üretildiği adım adım hesaplanmaktadır.

• Adım 1: Glikolizde dört adenozin trifosfat üretilir, iki adenozin trifosfat harcanır; net kazanç 2 adenozin trifosfattır.
• Adım 2: Dekarboksilasyon basamağında 2 adenozin trifosfat ve 2 elektron taşıyıcısı oluşur.
• Adım 3: Krebs döngüsünde 2 adenozin trifosfat elde edilir.
• Adım 4: Doğrudan kazanç toplanır: 2 + 2 + 2 = 6 adenozin trifosfat.
• Adım 5: Toplam kazanç 38 adenozin trifosfat kabul edildiğinden zincirden gelen kısım 38 − 6 = 32 adenozin trifosfattır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Hücresel solunumun tamamı mitokondride gerçekleştiğini düşünmek: Glikoliz sitoplazmada yürür, mitokondrinin katıldığı kısımda elektron taşıma zinciri çalışmaz. Doğrusu, solunum iki hücre bölgesine yayılır.
• Solunumda oksijen üretildiğini düşünmek: Oksijen üreten süreç fotosentezin ışık tepkimeleridir. Doğrusu, aerobik solunumda oksijen tüketilir.
• Adenozin trifosfatın sonsuza dek biriktirildiğini düşünmek: Hücredeki adenozin trifosfat miktarı çok azdır ve sürekli tüketilip yenilenir. Doğrusu, stok küçük üretim süreklidir.
• Anaerobik solunumda hiç enerji üretilmediğini düşünmek: Anaerobik solunumda iki adenozin trifosfat üretilir. Doğrusu, verim çok düşük olsa da sıfır değildir.
• Oksijenin yalnız bir başlangıç maddesi olduğunu düşünmek: Oksijen elektron taşıma zincirinin son alıcısıdır ve su oluşumunu sağlar. Doğrusu, oksijensiz solunumda zincir durur.
• Krebs döngüsünün sitoplazmada yürüdüğünü düşünmek: Krebs döngüsü mitokondri matriksinde yürür. Doğrusu, sitoplazmada yalnız glikoliz gerçekleşir.
• Olgun alyuvarın mitokondri bulunduğunu düşünmek: Olgun alyuvar mitokondrisini kaybetmiştir. Doğrusu, enerjisini anaerobik olarak üretir.
• Mitokondri sayısının hücrede sabit olduğunu düşünmek: Mitokondri sayısı hücrenin enerji ihtiyacına göre değişir. Doğrusu, kalp kası hücresinde çok, olgun alyuvarda sıfırdır.

Özet

Hücresel solunum, depolanmış organik besinlerin parçalanarak adenozin trifosfata aktarıldığı enerji üretim sürecidir. Glikoliz sitoplazmada yürür, bir glikozdan iki molekül pirüvik asit ve net iki adenozin trifosfat oluşur. Mitokondride gerçekleşen dekarboksilasyon basamağında karbondioksit açığa çıkar ve iki adenozin trifosfat üretilir. Krebs döngüsü mitokondri matriksinde yürür; altı karbondioksit, yüksek enerjili elektron taşıyıcıları ve iki adenozin trifosfat oluşur. Elektron taşıma zinciri mitokondrinin iç zarında bulunur, proton farkı oluşturur ve en büyük adenozin trifosfat kazancını sağlar; oksijen bu zincirin son alıcısıdır ve su oluşumunu sağlar. Bir glikozun tam yıkımında 6 adet doğrudan, 32 adet elektron taşıma zincirinden olmak üzere toplam 38 adenozin trifosfat üretilir. Oksijensiz solunumda verim 2 adede düşer ve verim oranı 2 ÷ 38 = 0,053 katına denk gelir. Hücredeki adenozin trifosfat miktarı çok az olduğundan üretim süreklidir. Mitokondri sayısı hücrenin enerji ihtiyacıyla doğru orantılıdır; kalp kası hücresinde çok, olgun alyuvar hücresinde ise hiç yoktur.

Kendini dene

Üç soruyu yanıtlamadan önce her biri için puan ver. Birincisi, bir glikozun yıkımında adenozin trifosfat kazancını dört aşamaya bölerek hesaplayıp hangi aşamanın en büyük katkıyı sağladığını yazman gerekiyor. İkincisi, oksijenin tüketilmesinin hangi basamakları durduracağını ve bunun hücrede neye yol açacağını açıklaman gerekiyor. Üçüncüsü, kalp kası hücresi ile olgun alyuvarın mitokondri sayısının neden farklı olduğunu karşılaştırman gerekiyor. Puanlarken hesap adımlarını, kullandığın kavramı ve yorumun temelli olup olmadığını ayrı ayrı not et.

İlgili konular

• Fotosentez ve Enerji Dönüşümü — depolanan enerinin hücresel solunumla kullanılması.
• Enzimler ve Enzim Aktivitesi — solunumun her basamağında görevli enzimler.
• Hücrenin Yapısı ve Organeller — mitokondrinin iç zarındaki elektron taşıma zinciri.
• Hücre Döngüsü ve Mitoz Bölünmenin Evreleri — büyüme için gereken enerjinin sürekli üretimi.