Oksijenli Solunum

Vücudumuzun enerji üretmek için kullandığı yönteme oksijenli solunum denir. Bu süreçte, besinlerdeki enerji içeren maddeler, oksijen yardımıyla parçalanır ve ortaya ATP adı verilen enerji molekülü çıkar. Bu olay çoğunlukla hücrenin enerji santrali diyebileceğimiz mitokondride (prokaryotlarda mezozom) gerçekleşir.

Oksijenli solunum, aerobik solunum olarak da bilinir. Oksijenli solunum, organik besinlerin oksijen yoluyla yakılarak ATP elde etme işidir. Oksijenli solunum sonucunda net 38 ATP üretilir.

Mitokondrinin Yapısı

Mitokondriler, hücrelerin enerji fabrikalarıdır. Hücrelerimizin içinde bulunan bu organeller, oksijenli solunumda kilit rol oynar. Mitokondrilerin bazı özellikleri:

• Kendine ait DNA ve RNA’ları vardır. Bu özellik sayesinde kendi proteinlerini üretebilir.
• Çift katlı zardan oluşur; dış zar ve iç zar.
• İç zarın kıvrımlı yapısına krista adı verilir ve bu kıvrımlar yüzey alanını artırarak enerji üretimini hızlandırır.
• Kristanın içinde bulunan matriks bölümünde çeşitli enzimler bulunur. Bu enzimler enerji üretimini gerçekleştirir.

Basitçe düşünecek olursak, mitokondriyi enerji üreten bir fabrikaya benzetebiliriz. Dış zar fabrikanın duvarları, iç zar fabrikadaki makineler, matriks ise makinelerde çalışan işçiler gibi düşünülebilir.

Oksijenli Solunum Aşamaları

Oksijenli solunum üç temel aşamada gerçekleşir:

• Elektron taşıma sistemi (ETS)
• Glikoliz
• Krebs döngüsü

Glikoliz Tepkimeleri

Glikoliz, besinlerden aldığımız glikozun hücre içinde parçalanmaya başladığı ilk aşamadır. Bu olay hücrenin sitoplazmasında gerçekleşir ve oksijen gerekmez. Glikoliz tepkimeleri sitoplazmada gerçekleştiği için, bütün canlıların sitoplazmalarında gerçekleşir; yani glikoliz tepkimelerinde gerçekleşen adımların hepsi ortaktır. Bu bilgi canlılarda glikoliz reaksiyonlarını kontrol eden kalıtsal yapı ve enzim benzerliğini kanıtlar. 

Glikoliz tepkimeleri her hücrede aşağıdaki gibi gerçekleşir.

Glikoliz tepkimelerinde temel 2 amaç vardır:

• Enerji üretmek
• Glikozun mitokondrinin içine girecek kadar küçültmek (oksijenli solunum yapan ökaryotlar için)

Glikoliz tepkimeleri sonucunda;

• 6 karbonlu glikoz, iki adet 3 karbonlu piruvat molekülüne parçalanır.
• Başlangıçta 2 ATP harcanır ancak sonunda 4 ATP üretilir. Bu nedenle net kazanç 2 ATP olur.
• NAD+ molekülü NADH’a dönüşerek enerji taşıyıcı görevini üstlenir.

Glikoliz tepkimelerinden sonra oluşan NADH’lar (oksijenli solunum yapan canlılar için), elektron taşıma sisteminde kullanılarak ATP üretilmesini sağlarlar.

Pirüvatın Oksidasyonu

Glikolizde oluşan piruvatlar, mitokondri içine girer ve burada önce asetil-CoA’ya dönüştürülür. Piruvat oksidasyonu sırasında gerçekleşen olaylar:

• Her piruvattan bir molekül karbondioksit (CO₂) ayrılır.
• NAD+ molekülleri NADH’a dönüşerek enerji taşır.
• Geriye kalan yapı, asetil-CoA’ya dönüşerek Krebs döngüsüne katılır.
• Piruvat, ortamda yeterince oksijen bulunmazsa asetil CoA’ya dönüşemeyeceği için mitokondriye geçemez

Krebs Döngüsü Tepkimeleri

Krebs döngüsü, oksijenli solunum tepkimelerinin; glikoliz tepkimesinden sonra gerçekleşen ikinci basamağıdır. Krebs döngüsü, mitokondrinin matriksinde gerçekleşir ve asetil-CoA’nın tamamen parçalandığı süreçtir. Enzimatik bir reaksiyondur, bundan dolayı; ısı, sıcaklık, ph değeri gibi dış etmenlerden kolayca etkilenebilir.

Krebs döngüsünü Hans Krebs ortaya atmış, geliştirmiştir. Aynı zamanda Hans Krebs bu çalışmalarından dolayı 1953 yılında Nobel ödülünü almaya hak kazanmıştır.

Kerbs döngüsü sonucunda:

• Karbondioksit (CO₂) açığa çıkar ve vücuttan dışarı atılır.
• NAD+ ve FAD molekülleri, NADH ve FADH₂ şeklinde enerji depolayarak ETS’ye aktarılır.
• Döngü başına 1 ATP üretilir, 1 glikozdan toplam 2 ATP kazanılır. (not: krebs çemberinden 1 glikoz için 2 pirüvat geçeceğini unutmayınız).

Krebs döngüsünü bir çark gibi düşünebiliriz. Dönen çarkın her dönüşünde enerji molekülleri oluşur ve CO₂ gazı çıkar.

Elektron Taşıma Sistemi (ETS)

Mitokondri iç zarlarinda (krista) gerçekleşir. Glikolizde ve krebste açığa çıkan hidrojenlerin ETS’den geçerek yine ETS elemanı olan oksijen ile birleşerek suyun oluştuğu evredir.

ETS aşamasında gerçekleşen olaylar:

• NADH ve FADH₂ elektronlarını ETS proteinlerine verir.
• Elektronlar bir dizi proteinden geçerek oksijene ulaşır.
• Oksijen elektronları alır ve hidrojenle birleşerek suyu (H₂O) oluşturur.
• Elektronların taşınması sırasında açığa çıkan enerji ile ATP sentezlenir. Bu aşamada yaklaşık 26-28 ATP üretilir.

ETS’deki çalışma sistemi barajlardaki gibidir. Hidrojenler çok olan yerden az olan yere doğru akarken, ATP sentaz enziminden geçerek, ATP üretilmesini sağlar. ETS’den geçen her FADH₂ 2 atp üretebilirken her NADH₂ 3 atp üretebilmektedir.

Oksijenli Üretim Sonucunda Ortaya Çıkan Ürünler

• Oksijenli solunum sonucunda ATP sentezlenir.
  • Oksijenli solunumda tüketilen bir glikoz molekülünden substrat düzeyinde fosforilasyonla 4 ATP,
  • Oksidatif fosforilasyon ile NAD+ ve FAD tarafından taşınan hidrojen elektronlarının enerjisiyle 26 ya da 28 ATP
  • Böylece glikoz başına 30 ya da 32 ATP üretilir.
  • ATP sayısındaki bu farklılık, sitoplazmada glikolizle oluşturulan NADH moleküllerinin değişik dokularda ETS’ye farklı mekanizmalarla katılmasından kaynaklanır.
  • Örneğin iskelet kası ve beyin hücrelerinde 30; karaciğer, böbrek ve kalp hücrelerinde 32 ATP üretilir
• 1 molekül glikozdan,
  • net 6 molekül CO₂
  • net 6 molekül H₂O açığa çıkar

Besinlerin Oksijenli Solunuma Katılma Yolları

Vücudumuz enerji üretirken sadece karbonhidratları değil, yağları ve proteinleri de kullanabilir. Örneğin, uzun süre aç kaldığımızda, vücudumuz enerji için önce karbonhidratları tüketir, sonra yağları ve son olarak proteinleri kullanır.

Her besin yukarıdaki gibi glikoliz adımından başlayamaz. Proteinler ve yağlar (hidrolize uğradıktan sonra) içerdikleri karbon sayılarına göre uygun bulunan yerlerden oksijenli solunum tepkimelerine katılırlar.

Besinlerin oksijenli solunuma katılma sıralaması karbonhidratlar, yağlar ve en son proteinlerdir.

• Karbonhidratlar önce glikoza dönüşerek enerji sağlar.
• Yağlar, yağ asitleri ve gliserole ayrılarak enerjiye çevrilir.
• Proteinler amino asitlere parçalanır, daha sonra enerji üretim yollarına katılır.

Solunum Katsayısı

Solunum katsayısı (Rq), vücudumuzun enerji üretirken hangi tür besin kullandığını anlamamıza yardımcı olur. Solunum katsayısı,

formülüyle ifade edilir.

Solunum Katsayısının Yorumlanması

• Rq < 1
  • Solunum sırasında yakılan besinler; yağ, protein ve alkol olduğu durumlarda gözlemlenir.
• Rq = 1
  • Solunum sırasında, karbonhidratlar kullanılırsa Rq değeri 1 olur.
• Rq >1
  • Oksijen bakımından zengin asitlerin enerji ihtiyacı için tüketildiğini ifade eder.

Solunum katsayısı sayesinde, sporcuların antrenman sırasında kullandığı enerji kaynağı yorumlanabilir.