Elektron taşıma sistemi

Pelinsu ödevine şu cümleyi yazmış: «Oksijen hücrenin yakıtıdır; ATP'nin enerjisi oksijenden gelir, oksijen atomları da ATP'nin içine girer.» Dayısı Ökkeş, bir hidroelektrik santralinin kontrol odasında vardiya amiri. Cümleyi okuyunca ekranındaki santral şemasını açıyor: «Bizde elektriği su yapmıyor, suyun yüksekten düşüşü yapıyor. Su türbinden geçer ve olduğu gibi nehre döner; ürettiğimiz elektriğin içinde tek damla su yok.» Sonra şemanın en altındaki kanalı gösteriyor: «Asıl tehlike burada. Türbinden çıkan suyu bu kanal götürür. Kanal tıkanırsa su türbinin altında birikir, yukarıyla aşağı arasındaki fark kapanır ve türbin durur.» Pelinsu ödevine yeniden bakıyor. Oksijen ATP'nin içine girmiyorsa hücrede nereye gidiyor, onsuz neden bütün düzen duruyor?

• Elektron taşıma sisteminin hücredeki yerini ve NADH ile FADH₂'den aldığı elektronların izlediği yolu açıklarsın.
• H⁺ pompalanması ile ATP sentazın çalışmasını oksidatif fosforilasyon adı altında birbirine bağlarsın.
• İşaretli atom sorularında solunum suyunun ve karbondioksitin hangi basamaktan geldiğini belirlersin.
• Seçilen kabulle glikoz başına ATP muhasebesini kurar, oksijen yokluğunun zincirin her halkasına etkisini çıkarırsın.

Oksijen yakıt değil

Pelinsu'nun cümlesindeki yanılgı, oksijene yanlış rol vermesinden doğuyor. Hücrede yakıt olan oksijen değil, besindir: glikozun bağlarındaki enerji, molekül adım adım parçalanırken açığa çıkar. «Krebs döngüsü» dersinde glikozun altı karbonunun da CO₂ olarak koptuğunu, bu basamaklarda O₂ molekülünün hiç kullanılmadığını izlemiştik. Soluk verdiğimiz karbondioksitin karbonu besinden, oksijenleri ise besinden ve yıkım sırasında tepkimeye katılan sudan gelir.

Glikoliz ve Krebs döngüsü boyunca az sayıda ATP kazanılır; enerjinin büyük kısmı ise elektron yüklü taşıyıcı moleküllere aktarılır. Bu taşıyıcılar yüklerini elektron taşıma sistemine (ETS) boşaltır. Ökkeş'in şemasındaki alt kanal gibi, O₂ de bu sistemin en son durağında iş görür: gelen yükü alıp götürür ve akışın sürmesini sağlar.

Yük taşıyan iki koenzim

Bir glikozun yıkımı boyunca NAD⁺ ve FAD koenzimleri, besinden koparılan elektronları hidrojenle birlikte alarak NADH ve FADH₂'ye dönüşür. «Glikoliz» dersindeki 2 NADH'ye, pirüvatın asetil-CoA'ya çevrildiği ara basamaktan gelen 2 NADH eklenir; döngünün iki turu da 6 NADH ile 2 FADH₂ katar. Böylece glikoz başına 10 NADH ve 2 FADH₂ birikir. Bu moleküller enerjiyi kendileri harcamaz; taşıdıkları elektronlar ETS'ye verildiğinde enerji ATP'ye aktarılır. Elektronlarını bırakan NADH yeniden NAD⁺, FADH₂ de yeniden FAD olur ve yeni bir yükü almaya hazır hâle gelir.

İç zardaki basamaklar

Ökaryot hücrede ETS'nin taşıyıcıları mitokondrinin iç zarına gömülüdür. İç zarın içeri kıvrılarak krista denen katlantılar yaptığını ve bu katlantıların yüzeyi büyüttüğünü TYT'nin «Organeller II» dersinden biliyoruz. Yüzey büyüdükçe zara yerleşebilecek taşıyıcı sayısı da artar. Oksijenle solunum yapan bakteriler mitokondri taşımaz; onlarda aynı işi gören taşıyıcılar hücre zarına dizilir.

Taşıyıcıların bir kısmı protein yapılıdır; ders kitaplarında en çok adı geçenler sitokromlardır. NADH elektronlarını zincirin başındaki taşıyıcıya verir. Elektron oradan bir sonrakine, sonra bir sonrakine geçer ve her geçişte daha düşük bir enerji düzeyine iner. Enerji, bir merdivenden inen top gibi basamak basamak bırakılır; tek bir sıçrayışla boşalsaydı büyük kısmı ısı olarak kaybolurdu. FADH₂ ise elektronlarını zincirin başına değil, biraz daha aşağıdaki bir taşıyıcıya bırakır. Daha geç giren elektron daha az basamak dolaşır ve daha az iş yaptırır; FADH₂'nin NADH'den daha az ATP kazandırmasının nedeni budur.

H⁺ pompası ve ATP sentaz

Elektronların bıraktığı enerji, bazı taşıyıcıların H⁺ iyonlarını matriksten iç zar ile dış zar arasındaki boşluğa, yani zarlar arası boşluğa taşımasında harcanır. Pompalama sürdükçe bu dar boşlukta H⁺ birikir, matrikste azalır. İç zar H⁺ iyonlarını serbestçe geçirmez; iyonların derişim farkı yönünde matrikse dönebildiği yol, zardaki ATP sentaz enziminin kanalıdır. Kanaldan geçen iyon akışı enzimi çalıştırır, ADP ile fosfat birleşir ve ATP matrikste kurulur.

Ökkeş'in santrali burada işe yarıyor. Barajın gölünde biriken su aşağıya ancak türbinin içinden inebildiği için türbini çevirir. Mitokondride göl zarlar arası boşluktaki H⁺ birikimi, türbin ATP sentazdır; türbinden geçen su elektriğin içine girmediği gibi H⁺ da ATP'nin yapısına girmeden matrikse döner. Benzetmenin aksadığı yer suyun göle nasıl çıktığıdır: barajı yağmur doldurur, zarlar arası boşluğu ise elektronların enerjisiyle çalışan taşıyıcılar doldurur. BY17'nin ilk dersi, derişim farkının ATP'ye bağlanmasına kemiozmoz, besinden koparılan elektronlarla yürüyen bu üretime de oksidatif fosforilasyon adını vermişti. Burada eksik kalan parça, H⁺'ların hangi bölmeden hangisine aktığıydı: matriksten zarlar arası boşluğa pompalanır, ATP sentazdan matrikse geri döner.

Zincirin son durağı: oksijen

Basamakları inen elektronlar zincirin sonunda bir yere bırakılmak zorundadır; aksi hâlde taşıyıcılar dolar ve akış tıkanır. Oksijenli solunumda bu son alıcı O₂'dir. Oksijen atomu iki elektronu ve matriksteki iki H⁺ iyonunu alarak suya dönüşür:

½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O

Aynı tepkime tam sayılarla O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O biçiminde de yazılır. İki yazımda da atomlar denktir; soldaki artı ve eksi yükler birbirini götürür. Glikoz başına 6 O₂ tüketildiğinden ETS'de 12 su molekülü oluşur. Solunumun genel denklemi

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP ve ısı biçiminde enerji

yalnız net 6 su gösterir, çünkü önceki basamaklarda bir miktar su tepkimeye girerek harcanır. Bazı kitaplar bunu C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O → 6CO₂ + 12H₂O + enerji diye açık yazar; iki denklemde de her elementin atom sayısı sağda ve solda eşittir.

Pelinsu'nun sorusunun cevabı buradadır. İçimize çektiğimiz O₂ molekülünün atomları hücrede ilk olarak ETS'de oluşan suda, yani solunum suyunda görünür; karbondioksite girmez. Ağır oksijen izotopu ¹⁸O ile işaretlenmiş O₂ kullanılan deneylerde işaretin önce suda belirmesi de bu yüzdendir. Karbondioksit pirüvatın kırpıldığı basamakta ve döngüde, solunum suyu ise zincirin sonunda doğar; ETS'den CO₂ çıkmaz. Ökkeş'in alt kanalı da kabaca bunu anlatır: oksijen türbini çeviren güç değil, zincirin sonunda biriken elektronları götürüp akışı açık tutan çıkıştır.

Oksijen yetişmeyince

Son alıcı gelmezse zincirin sonundaki taşıyıcı elektronunu kimseye veremez, arkasındakiler de dolu kalır ve akış baştan sona durur. H⁺ pompalanması kesilir, oksidatif fosforilasyon biter. Etkisi zincirle sınırlı kalmaz. NADH elektronunu bırakamadığı için NAD⁺'ya dönemez; hücredeki NAD⁺ stoku tükenir. Pirüvatı asetil-CoA'ya çeviren basamak da Krebs döngüsü de NAD⁺ olmadan yürüyemez ve durur. Glikoliz de NAD⁺ ister; elindeki NAD⁺ biten bir hücrede o da yavaşlayıp durur. Oksijenin hücre için hayati olmasının nedeni budur: O₂ bir yapı taşı olarak değil, elektronları toplayan son alıcı olarak gereklidir.

Aynı tablo, oksijen bol olsa bile zincirdeki bir taşıyıcıyı çalışmaz hâle getiren varsayımsal bir engelleyiciyle de oluşur: elektron geçişi durur, O₂ tüketimi düşer, NADH birikir ve CO₂ üreten basamaklar da yavaşlar.

Glikoz başına ATP muhasebesi

ATP sayımında ders kitabının kabulü şudur: ETS'ye verilen her NADH yaklaşık 3, her FADH₂ yaklaşık 2 ATP kazandırır. Bu kabulle hesap tablodaki gibidir:

ETS'nin payı 10 · 3 + 2 · 2 = 34 ATP, substrat düzeyinde kazanılan 4 ATP ile birlikte glikoz başına 38 ATP eder. Bu sayının 34'ü, yani büyük çoğunluğu, oksidatif fosforilasyondan gelir. Bazı kaynaklar ökaryot hücre için 36 yazar: glikolizin sitoplazmada ürettiği NADH'nin elektronları mitokondriye taşınırken bir kayıp olur. Güncel ölçümler ise daha düşük, yaklaşık 30–32 ATP verir. Sorularda hangi kabulün kullanıldığı her zaman söylenir; hesap o kabulle kurulur. Bu derste kullanılan kabul 3, 2 ve 38'dir.

Kloroplasttaki zincirle farkı

Kloroplastın tilakoit zarında da bir ETS çalışır; «Işığa bağlı tepkimeler» dersi onu ayrıntısıyla izlemişti. İki zincir aynı düzeni paylaşır: taşıyıcılar bir zara gömülüdür, elektron basamak basamak enerji bırakır, H⁺ bir bölmeye pompalanır ve ATP sentazdan geri akarken ATP kurulur. Ayrıldıkları yer şu tabloda:

Tablonun son satırı fotosentez ile solunumun oksijen alışverişini özetler: yaprakta sudan kopan oksijen, hücre solunumunda yeniden suya döner.

Son alıcı yoksa ne olacak?

Oksijen gelmediğinde zincir duruyor ve NAD⁺ tükeniyorsa, oksijensiz kalan bir maya ya da yoğun çalışan bir kas hücresi glikolizi nasıl döndürmeyi sürdürür? NADH'nin elektronları O₂ yerine glikolizin kendi ürünü olan pirüvata ya da pirüvattan oluşan başka bir organik moleküle bırakılabilir mi? Böyle bir boşaltma hücreye yeni ATP kazandırır mı, yoksa yalnız glikolize boş taşıyıcı mı sağlar; bir yolda CO₂ çıkarken ötekinde neden çıkmaz? «Fermantasyon» dersi etil alkol ve laktik asit yollarını bu sorular üzerinden açıyor.

Örnek 1 — Mitokondride yüklenen taşıyıcılar

Soru: Bir NADH'nin ETS'de 3, bir FADH₂'nin 2 ATP kazandırdığı kabul ediliyor. Bir glikozun yıkımında glikoliz dışarıda bırakılıp yalnız mitokondri matriksinde yüklenen NADH ve FADH₂ sayılırsa, bunlar zincirde toplam kaç ATP kazandırır?

• A) ATP = 24
• B) ATP = 22
• C) ATP = 30
• D) ATP = 28
• E) ATP = 34

Çözüm: Pirüvatın kırpıldığı basamaktan 2, döngünün iki turundan 6 NADH gelir; toplam 8 NADH, 8 · 3 = 24 ATP eder. Krebs döngüsünün 2 FADH₂'si 2 · 2 = 4 ATP ekler. Sonuç 28'dir. A FADH₂'yi unutuyor, E glikolizin NADH'sini de katıyor, C ise bütün taşıyıcılara 3 ATP veriyor. Cevap: D.

Örnek 2 — İşaretli oksijenin izi

Soru: Varsayımsal bir deneyde hücre kültürüne yalnız ¹⁸O izotopuyla işaretlenmiş O₂ veriliyor. Hücrenin içinde ¹⁸O'yu taşıyan ilk ürün hangisi olur?

• A) Krebs döngüsünde açığa çıkan CO₂
• B) ETS'nin sonunda oluşan su
• C) ATP'nin fosfat grupları
• D) Glikoliz ürünü pirüvat
• E) NADH

Çözüm: O₂ yalnız zincirin sonunda, elektron ve H⁺ alarak suya dönüşürken tepkimeye girer. Karbondioksit matriksteki yıkım basamaklarında, O₂'ye hiç dokunulmadan oluşur; ATP'nin fosfatı ise ortamdaki serbest fosfattan gelir. Cevap: B.

Örnek 3 — Oksijen kesildiğinde

Soru: Bir insan hücresine oksijen ulaşmadığında olayların doğru sırası hangisidir?

• A) Glikoliz durur → Krebs durur → ETS durur
• B) ETS hızlanır → NAD⁺ artar → Krebs hızlanır
• C) ETS durur → NADH NAD⁺'ya dönemez → NAD⁺ azalır → Krebs durur
• D) Krebs durur → CO₂ birikir → ETS hızlanır
• E) NAD⁺ artar → glikoliz durur → ETS durur

Çözüm: Önce son alıcı eksik kalır ve zincir durur. Elektronunu bırakamayan NADH yükseltgenemez, NAD⁺ stoku azalır, NAD⁺ isteyen Krebs döngüsü de durur. A olayları sondan başa diziyor; E ise NAD⁺'nın yönünü ters kuruyor. Cevap: C.

Örnek 4 — İki zincir

Soru: Mitokondrideki ve kloroplasttaki elektron taşıma sistemleri için hangisi ortaktır?

• A) H⁺ derişim farkının ATP sentazdan akışıyla ATP kurulması
• B) Son elektron alıcısının O₂ olması
• C) Elektronların sudan gelmesi
• D) Ancak aydınlıkta çalışabilmesi
• E) ATP'nin zarlar arası boşluğa bırakılması

Çözüm: Kemiozmoz iki zincirde de aynı biçimde işler. Son alıcı mitokondride O₂, kloroplastta NADP⁺'dır; elektron kaynağı mitokondride NADH ve FADH₂'dir. Işık yalnız kloroplasttaki zincir için gerekir, mitokondride ATP matrikse bırakılır. Cevap: A.

• Soluduğumuz oksijenin karbondioksite dönüştüğünü sanmak. O₂ ETS'nin sonunda suya katılır; karbondioksit glikozun karbonundan, pirüvatın kırpılmasında ve döngüde kopar.
• ETS'de CO₂ açığa çıktığını düşünmek. Zincirde karbon iskeleti yıkılmaz; ETS'nin ürünleri su ve ATP'dir.
• Oksijenin ATP'nin yapısına girdiğini sanmak. ATP'ye eklenen fosfat ortamdaki serbest fosfattan gelir; O₂'nin işi elektronları toplamaktır.
• Oksijen kesilince yalnız ETS'nin durduğunu sanmak. NAD⁺ yenilenemediği için matriksteki yıkım da durur, glikoliz de NAD⁺ bulamayınca yavaşlar.
• H⁺ pompalanmasının yönünü ters kurmak. Pompalama matriksten zarlar arası boşluğa, ATP sentazdaki geri akış zarlar arası boşluktan matrikse doğrudur.
• NADH ile FADH₂'nin aynı ATP'yi verdiğini varsaymak. FADH₂ zincire daha aşağıdan girer; kabulde NADH 3, FADH₂ 2 ATP kazandırır.