SOLUNUM

Birçok canlı yaşamlarını sürdürebilmek için bulundukları ortamdan oksijen alır metabolizmalarında oluşan karbondioksiti de ortama verirler. Canlılarda meydana gelen bu olaya gaz alışverişi (solunum) denir. Solunum, birçok canlıda solunum organları ile gerçekleştirilir. İnsanlarda soluk alma ile akciğerlere dolan havadaki oksijen difüzyonla kana geçerek dolaşım sistemi aracılığı ile tüm hücrelere taşınır. Hücrelerde oluşan karbondioksit ise kanla akciğere taşınır ve soluk verme ile vücuttan uzaklaştırılır. Hücrelere ulaşan oksijen, organik moleküllerin parçalanmasında kullanılır. Hücresel solunum adı verilen bu olay ile organik moleküller parçalanarak hücrenin metabolik olayları için gerekli olan ATP elde edilir.

Canlılar yaşamak için ihtiyaç duydukları enerjiyi besinlerden karşılar. Fotosentezin ışığa bağımlı reaksiyonlarında ışık enerjisi kullanılarak önce ATP üretilmişti. Daha sonra karbon tutma (Calvin devri) reaksiyonlarında bu ATP’ler kullanılarak organik besin üretilmişti. Yani fotosentezde üretilen besinlerin yapısında kimyasal bağ enerjisi mevcuttur.

Canlılar metabolizmalarında sadece ATP enerjisi kullanabilirler. ATP üretebilmek için hammadde olarak organik besin kullanılır. Peki, canlılar besinlerde depolanmış olan enerjiyi nasıl kullanılabilir hâle getirirler?

Hücre içerisinde besin molekülleri enzimler yardımıyla oksijenin kullanılarak veya kullanılmayarak yıkılır ve ATP şeklinde enerji elde edilir. Bu olaya hücresel solunum adı verilir. Ekosistemde organik madde üretimi ve solunum birbirine bağımlı olaylardır.

Peki, oksijene neden ihtiyaç duyarız?

Spor veya yoğun egzersiz yaptığımızda kalp atışlarımızla birlikte soluk alıp vermemiz hızlanır. Soluk alışverişimiz hızlanınca daha fazla oksijen vücudumuza alınır. Bu da harcanan enerji ile ihtiyaç duyulan oksijen miktarının birbiriyle ilişkili olduğunu göstermektedir. Gerçekten de oksijen hücrede enerji elde edilen kimyasal reaksiyonlarda kullanılır. Besinlerde depolanmış olan enerji hücrede oksijen kullanılarak açığa çıkarılır. Bu olay oksijenli solunum olarak adlandırılır.

Hücresel solunum, organik besinlerin enerji açığa çıkarmak için yıkılmasıdır.

Hücresel solunum glikozun oksidasyonu ile gerçekleşir. Bir atom ya da molekülün elektron kaybetmesine oksidasyon (yükseltgenme), elektron almasına ise redüksiyon (indirgenme) denir. Glikozun oksidasyonu sırasında protonlar (H⁺) da elektronlarla birlikte (hidrojen atomu şeklinde) molekülden ayrılırlar. Hücresel solunumda glikoz molekülünden ayrılan H atomları nikotinamid adenin dinükleotit (NAD⁺) ve flavin adenin dinukleotit (FAD) adlı koenzimler tarafından taşınırlar.

Hücresel solunumda glikozun oksidasyonu her zaman oksijen varlığında gerçekleşmez. Glikoz molekülünden ayrılan hidrojen atomları oksijen yerine başka bir moleküle aktarılabilir. Ancak bu durumda glikoz CO₂ ve H₂O’ya kadar parçalanamaz, yani tamamen okside olmaz. Besin moleküllerinin hücrede oksijen kullanılmadan daha küçük organik birimlere parçalanarak enerji elde edilmesine oksijensiz solunum denir. Oksijensiz solunumla elde edilen enerji miktarı oksijenli solunuma göre daha azdır.

Hücreler ATP üretmek için karbonhidrat, yağ ve protein gibi organik molekülleri kullanırlar. Fakat hücresel solunumda yaygın olarak kullanılan substrat glikozdur.

Glikoz molekülünün hücre solunumuyla parçalanması, her basamağında farklı bir enzimin görev yaptığı bir dizi tepkime sonucunda kademeli olarak gerçekleşir. Bu süreçte açığa çıkan enerjinin bir kısmı ATP sentezinde kullanılırken büyük bir kısmı da ısı olarak hücreye yayılır. Hücreler, metabolik aktiviteleri için gerekli olan enerjiyi ATP molekülünden sağlarlar.

SOLUNUM

Oksijensiz solunum (Glikoliz – Krebs – ETS) (Son elektron alıcısı H₂S, NO₃^–, CO₂, Fe⁺³, S)

Oksijenli solunum (Glikoliz – Krebs – ETS) (Son elektron alıcısı oksijen)

NOT:

1.      Glikozun kademeli olarak parçalanması ATP üretimini daha verimli hale getirir. Glikozun parçalanması bir anda gerçekleşseydi üretilen ATP miktarı azalıp açığa çıkan ısı miktarı artardı. Bu durum hücrelerin ölümüne neden olurdu

A.     OKSİJENSİZ SOLUNUM

Bazı bakteriler oksijen olmaksızın ETS’yi kullanarak enerji elde ederler. Bunlar besin moleküllerinden kopardıkları elektronları oksijen dışında bir inorganik moleküle aktarırlar. Sülfat (SO4)^–2, kükürt (S), Nitrat (NO₃^–), CO₂ ve Fe⁺³ oksijensiz solunumda son elektron alıcısı olarak kullanılan inorganik moleküllerdir.

Bataklık gibi oksijensiz ortamda yaşayan bazı bakteriler besin moleküllerinden kopardıkları elektronları ETS üzerinden sülfat iyonuna aktarırlar.

Elektronların ETS’de taşınması sırasında açığa çıkan enerji ile ATP sentezlenir.

Sülfat iyonunun elektron alarak indirgenmesi sonucunda hidrojen sülfür (H₂S) oluşur.

Bataklıklardan gelen çürük yumurta kokusunun sebebi buradaki oksijensiz solunum yapan bakterilerin oluşturduğu H₂S’dir.

Ayrıca H₂S ile demirin (Fe) reaksiyonu sonucunda Fe-S sedimenti oluşur. Bu sediment (çökelti) suyun renginin siyah renk almasına neden olur.

*        Toprakta ve suda bulunan nitrat (NO3^–), oksijensiz solunum yapan bakteriler tarafından moleküler azota (N₂) dönüştürülür. Bu bakteriler oksijensiz ortamda ETS’lerinde son elektron alıcısı olarak nitratı kullanır. Nitrat elektron alarak birkaç basamakta moleküler azota dönüşür. Denitrifikasyon adı verilen bu olay biyosferdeki azot dengesinin korunmasına katkı sağlar. Aşağıdaki şekilde azot döngüsünde denitrifikasyon olayını gerçekleştiren bakteriler (9 nolu basamakta) ETS kullanarak oksijensiz solunum yaparak ATP sentezlerler.

*        Oksijensiz solunum, canlıların denizin derin bölgeleri, bataklık, toprak ya da hayvanların sindirim sistemi gibi oksijensiz ortamlarda yaşayabilmelerine olanak sağlar. Örneğin insanların bağırsaklarına yerleşen zararlı bir bakteri türü olan Escherichia coli (Eşerişya koli) burada oksijensiz solunum yapar. Bu bakteri oksijen varlığında ise oksijenli solunumu tercih eder.