Ana içerik
AP®︎/Üniversite Biyoloji
Konu: AP®︎/Üniversite Biyoloji > Ünite 3
Ders 5: Hücresel SolunumHücresel Solunum ve Redoks
Hücresel solunumda redoksa giriş. Substrat seviyesi ve oksidatif fosforilasyonun karşılaştırılması. Elektron taşıyıcıları ve daha fazlası hakkında bilgi edinmek ister misiniz?
Giriş
Bir hücre olduğunuzu hayal edin. Kocaman, sulu bir glikoz molekülü alıyorsunuz ve metabolik tepkimelerinizi gerçekleştirebilmek için bu glikoz molekülünde bulunan enerjinin bir bölümünü daha kullanılabilir bir hale getirmek istiyorsunuz. Bunu yaparken nasıl bir yol izlerdiniz? Bu glikoz molekülünden mümkün olduğu kadar fazla enerji elde etmek için ne yapardınız? Elde ettiğiniz enerjinin kullanılabilir bir enerji olması gerekiğini de unutmayın!
Biz ve diğer canlı organizmalar, bu konuda oldukça şanslı varlıklarız çünkü hücrelerimiz glikozdan ve diğer organik moleküllerden (yağlar ve aminoasitler gibi) enerji elde ederken mükemmel bir performans gösteriyor.
Bu bölümde hücrelerin bu yakıtları nasıl parçaladığını inceleyeceğiz, daha sonra bu süreç için son derece önemli olan elektron taşıma tepkimeleri (redoks tepkimeleri) ile ilgili bazı örneklere yer vereceğiz.
Yakıt parçalama patikaları (özet)
Glikoz gibi moleküllerden enerji elde eden tepkimelere katabolik tepkimeler adı verilir. Katabolik tepkimeler büyük molekülleri daha küçük parçalara ayırırlar. Örneğin; glikoz oksijenle bir araya geldiğinde parçalanır, altı karbondioksit ve altı su molekülü ortaya çıkar. Bu işlemin tepkimesini şu şekilde yazabiliriz:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text delta, G, equals, minus, 686, start text, k, k, a, l, slash, m, o, l, end text
Bu tepkimenin tamamı bir hücrede daha küçük adımlara ayrılabilir. Glikoz bağlarında bulunan enerji küçük patlamalar halinde ortaya çıkar, bu enerjinin bir kısmı ise adenozin trifosfat (ATP) (hücredeki tepkimelere güç veren küçük bir molekül) şeklinde alınır. Glikozdan elde edilen enerjinin çoğu ısı şeklinde dağılsa da metabolizmanın hücreyi çalıştırması için gereken enerji sağlanır.
Bir glikoz molekülü yavaşça parçalara ayrılırken, bazı ayrıştırma aşamalarında doğrudan ATP formunda enerji açığa çıkar. Bu aşamalarda bir fosfat grubu ADP'ye 180 derece açıyla ara bir yoldan transfer edilir. Bu süreç alt tabaka fosforilasyonu olarak bilinir.
Buna ek olarak, dolaylı yoldan ATP üretilmesini sağlayan aşamalar da vardır. Bu aşamalarda glikozun elektronları, elektron taşıyıcıları olarak bilinen küçük moleküllere transfer edilir. Elektron taşıyıcıları elektronları mitokondrinin iç zarında bulunan elektron taşıma zinciri olarak bilinen bir grup proteine götürürler. Elektronlar elektron taşıma zinciri üzerinde hareket ettikleri sırada daha yüksek bir enerji seviyesinden daha düşük bir seviyeye ve en sonunda da oksijene aktarılarak su oluşumuna sebep olurlar.
Bir elektron, elektron taşıma zincirinden geçerken serbest bıraktığı protonları (start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript) mitokondrinin matrisinden dışarı pompalar ve böylece elektrokimyasal bir gradyan üretir. start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript gradyandan geri aktıklarında ATP sentaz ismi verilen bir enzimin içinden geçerler ve ATP sentezini tetiklerler. Bu süreç oksidatif fosforilasyon olarak bilinir. Aşağıdaki grafik oksidatif ve alt tabaka düzeyinde fosforilasyon örnekleri göstermektedir.
Glikoz gibi organik yakıtların elektron taşıma zinciri kullanılarak parçalara ayrılmasına hücresel solunum adı verilir.
Elektron taşıyıcıları
Elektron servisleri olarak da adlandırlan elektron taşıyıcıları, hücresel solunumda önemli bir rol oynayan küçük organik moleküllerdir. İsimleri yaptıkları işin iyi bir tanımıdır: bir molekülden elektronları alıp başka bir moleküle bırakırlar. Yukarıdaki grafikte elektron taşıyıcılarını glikozun parçalanması tepkimelerinde elektron taşıma zincirlerine elektron taşırken görebilirsiniz.
Hücresel solunumda önemli olan iki tip elektron taşıyıcısı vardır: NADstart superscript, plus, end superscript (aşağıda gösterilen nikotinamid adenin dinükleotid) ve FAD (flavin adenin dinükleotid).
NADstart superscript, plus, end superscript ve FAD elektron aldıklarında aynı zamanda bir ya da daha fazla hidrojen atomu da kazanarak biraz daha farklı bir forma dönüşürler:
start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text, start superscript, plus, end superscript plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript right arrow start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end textstart text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text plus start text, space, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, end text plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, space, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript right arrow start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start subscript, start color #9d38bd, 2, end color #9d38bd, end subscript
Elektronları bıraktıklarında da, düzenli bir şekilde orijinal formlarına geri dönerler:
start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end textstart text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text right arrow start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text, start superscript, plus, end superscript plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start subscript, start color #9d38bd, 2, end color #9d38bd, end subscript right arrow start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, end text plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, space, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
NADstart superscript, plus, end superscript ve FAD'ın elektron kazandıkları veya kaybettikleri tepkimeler, redoks tepkimeleri olarak adlandırılan bir tepkime sınıfına örnektir. Bu tepkimelerin ne olduklarını ve hücresel solunumda neden bu kadar önemli olduklarını daha yakından inceleyelim.
Redoks tepkimeleri nedir?
Hücresel solunum elektronların bir molekülden diğerine geçtiği bir sürü tepkime gerektirir. Elektron transferi gerektiren tepkimeler, yükseltgenme-indirgenme tepkimeleri (ya da redoks tepkimeleri) olarak bilinirler.
Kimya dersinde redoks tepkimelerinin, bir molekül elektronları kaybedip yükseltgenirken, başka bir molekülün elektron kazanarak (bu elektronlar birinci molekül tarafından kaybedilenlerdir) indirgenmesi ile gerçekleştiğini öğrenmiş olabilirsiniz. Aklınızda kalması için şöyle kısaltabilirsiniz: "EKY-EKİ": Elektron Kaybet, Yükseltgen ve Elekton Kazan İndirgen.
Magnezyum klorürün oluşumu yukarda tanımladığımız redoks tepkimelerine verilebilecek iyi bir örnektir:
Bu tepkimede, magnezyum atomu iki elektron kaybettiği için yükseltgenir. Bu iki elektron indirgenmiş olan klor tarafından kabul edilir.
Ancak, Sal Khan'ın yükseltgenme ve indirgenmehakkındaki videosunda da bahsettiği gibi redoks tepkimelerini tanımlarken, "elektron kazanma" ve "elektron kaybetme" terimlerine şüpheyle yaklaşmalıyız. Bunun nedeni bir molekülün elektronlarını tuttuğu ve dolayısıyla tamamen elektronlarını kazanmadığı veya elektronları tutulduğu için tamamen kaybetmediği tepkimelerin de olabileceği olasılığıdır.
Bu ne mi demek? Örneklemek için Sal Khan'ın videosundaki örneği kullanalım:
2start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript plus start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 2start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text plus start text, ı, s, ı, end text
Bu tepkime belirgin bir elektron transferi içermemesine rağmen bir redoks tepkimesidir. Bunun nedeni ise start text, H, end text and start text, O, end text atomlarındaki elektron yoğunluklarının, tepkimeye giren maddeler ile ürünler arasında farklı olmasıdır.
Bunun neden doğru olduğu, çok da anlaşılır olmadığı için atomların özelliklerini kullanarak açıklayalım. start text, H, end text atomları birbirleriyle start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript içinde bağ kurduklarında elektronlarını eşit olarak paylaşırlar. Aynı durum start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript içinde birbirleriyle bağ kuran start text, O, end text atomları için de geçerlidir. Ancak durum, ürün olan start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text için farklıdır. Bir su molekülünün içindeki start text, O, end text, minus, start text, H, end text bağında elektronlar, oksijen, hidrojenden daha elektroegatif ya da elektrona daha aç olduğundan, start text, O, end text atomuna start text, H, end text olduklarından daha yakın olurlar.
Yukarıdaki tepkimede elektronların tamamen kaybedilmemesine veya kazanılmamasına rağmen:
- start text, O, end text atomunun tepkimeden sonra, öncesine göre daha fazla elektron yoğunluğu bulunur (indirgenmiştir).
- start text, H, end text atomunun elektron yoğunluğu ise azalmıştır (oksitlenmiştir).
Kimyaya ilgi duyanlar için tepkime sırasındaki elektron yakalama, daha detaylı olarak start text, O, end text ve start text, H, end text atomlarının yükseltgenme basamaklarındaki değişimle açıklanabilir. Yükseltgenme basamaklarının, elektron paylaşımı değişimlerinde bir gösterge olarak nasıl kullanabilecekleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için Sal Khan'ın videosuna göz atabilirsiniz.
Peki start text, H, end text ve start text, O, end text atomları kazanıp kaybetmek ne anlama geliyor?
Yükseltgenme ve indirgenme tepkimeleri, özünde elektronların transferi veya yakalanması ile ilgilidir. Ancak, biyoloji bağlamında, elektronların nereye gittiklerini anlamak için kullanabileceğimiz küçük bir hile var. Bu hile, start text, H, end text ve start text, O, end text atomlarının elektron kazanımlarını veya kaybetmelerini, elektronların transferini anlamak için kullanmamızı sağlıyor.
Genel olarak:
- Karbon içeren bir molekül, bir tepkime sırasında start text, H, end text atomları kaybederse veya start text, O, end text atomları kazanırsa büyük ihtimalle indirgenmiştir (elektronlar ya da elektron yoğunluğu kazanmıştır)
- Diğer yandan, karbon içeren bir molekül start text, H, end text atomları kaybederse ya da start text, O, end text atomları kazanırsa büyük ihtimalle yükseltgenmiştir (elektronlar veya elektron yoğunluğu azalmıştır)
Örneğin, glikoz ayrıştırma tepkimesine geri dönelim:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text
Glikozda, karbon start text, H, end text atomları ile bağdaştırılırken, karbon dioksitte start text, H, end texts ile bağdaştırılmamaktadır. Benzer bir şekilde, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript içindeki start text, O, end text atomları, start text, H, end texts ile tepkimeden sonra daha çok bağdaştırılır. Buna bağlı olarak, oksijenin indirgendiğini tahmin edebiliriz (Sal Khan, bunu elektron transferi bakımından solunumda redoks tepkimeleri üzerine olan videosunda doğruluyor.
Bu hile neden işe yarıyor? İşte Sal Khan'ın biyolojide yükseltgenme ve indirgenme hakkındaki videosundan bunun hakkında düşünebileceğiniz bir yol:
- start text, H, end text'nin bağ kurduğu atomlar genellikle start text, C, comma, space, O, comma, space, N, comma, end text ve start text, P, end text gibi organik ve start text, H, end text'in kendisinden daha elektronegatiflerdir. O yüzden eğer bir start text, H, end text atomu ve elektronu bir moleküle katılırsa büyük ihtimalle yeni start text, H, end text ile bağ kuran herhangi bir şey elektron alacak ve böylelikle de indirgenmiş olacak.
- start text, O, end text biyolojik moleküllerde yaygın bulunan diğer önemli atomlar arasında en elektronegatif olanıdır. Eğer bir moleküle katılırsa, büyük ihtimalle bağ kurduğu şeyden elektron yoğunluğunu çekerek onun yükseltgenmesini sağlayacaktır.
Redokstan neden bu kadar çok bahsettik?
Artık bir redoks (yükseltgenme-indirgenme) tepkimesinin ne olduğunu daha iyi anladığımıza göre, nasıl işlediği hakkında düşünmeye başlayabiliriz. Neden bir hücre, uzun redoks tepkimeleri serisinde, elektronları glikozdan ayırmaya, onları elektron taşıyıcılarına transfer etmeye ve bir elektron taşıma zincirinden geçirtmeye uğraşıyor?
Basit cevap: glikoz molekülünden enerji almak için! İşte makalenin başında gördüğümüz glikozun parçalanmasına ait tepkime:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text Δ, G, equals, minus, 686, start text, k, k, a, l, slash, m, o, l, end text
Bunu daha açık bir şekilde şöyle yazabiliriz:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text + start text, e, n, e, r, g, y, !, end text
Sal Khan'ın da solunumda redoks tepkimeleri hakkındaki videosunda da açıkladığı gibi, elektronlar start text, C, end text ya da start text, H, end text gibi daha az elektronegatif atomlarla bağlantılı olduklarında daha yüksek bir enerji seviyesinde olurlar. start text, O, end text gibi daha çok elektronegatif atomlarla beraber olduklarında ise daha düşük bir enerji seviyesinde bulunurlar. Öyleyse, yukarıdaki gibi bir glikoz parçalama tepkimesinde olduğu gibi, elektronlar glikozdan oksijene geçerken daha "rahat" bir düşük enerji durumuna vardıkları için enerji açığa çıkar.
Elektronlar olarak açığa çıkan enerji, düşük enerji durumuna geçerken yakalanabilir ve iş yapmak için kullanılabilir. Hücresel solunumda, glikozdaki elektronlar azar azar oksijene doğru elektron taşıma zincirinin içinden hareket eder, her biri öncesinden daha düşük enerji seviyelerinden geçer ve her seviyede enerji serbest bırakır. Hücresel solunumun hedefi bu enerjiyi ATP formunda yakalamaktır.
Gelecek makalelerde ve videolarda hücresel solunumun üstünden adım adım geçeceğiz ve redoks transferlerinde enerjinin ATP olarak nasıl yakalandığını göreceğiz.
Tartışmaya katılmak ister misiniz?
Henüz gönderi yok.