Canlı vücudunda enerji üretiminin sağlandığı temel mekanizma, hücrelerimizdeki “mitokondri” isimli organel üzerinden işler. Mitokondrilerin canlı vücuduna sağladıkları enerji, hücrenin diğer organelleri tarafından farklı yolaklarda kullanılır. Böylelikle enerji dönüşümlerinin vücudumuzdaki temel ve ilk örnekleri hücrelerimizde gözlenir.
Kendilerine has genetik materyalleri ve çift zarlı dokusu ile mitokondriler, ancak ve ancak ökaryotik olarak tanımladığımız canlılar tarafından taşınabilirler. Yaşam ağacında arkeleri ve bakterileri dışarıda bırakan ökaryotlarda bulunan ve enerjimizin temelini oluşturan mitokondrilerin, zarlı organel taşımayan canlılardaki temsili ise enerji üretimini sağlayan enzimlerdir. Peki; yaşamsal metabolik aktivitelerden günlük yaşantımıza kadar her noktada ihtiyaç duyduğumuz enerji nasıl üretiliyor? Vücudumuzda ne gibi yolakların etkin çalışması ile enerji üretimi sağlanıyor?
Bu noktada, enerji santrallerimiz olan mitokondrileri içeren canlılar ile içermeyen canlılar üzerinden bir ayrım yapmamız gerekmekte. Mitokondri taşıyan hücrelere sahip organizmalar, bu organelde üretilen kimyasal enerjiyi kullanarak kendi aktivitelerini gerçekleştirebilirler. Mitokondri taşımayan organizmalarda farklı bir süreç işler ancak bu canlılar da kaynakları farklı olsa da temelde aynı kimyasal enerjiyi kullanır. Bu kimyasal enerjinin adı ATP’dir. ATP açılımı itibariyle Adenozin Tri Fosfat; Adenin nükleik bazı ve fosfat moleküllerinden oluşur.
ATP üretimine bakış: Solunum mekanizması
Canlı vücudunda enerjinin üretilmesini sağlayan temel mekanizma solunumdur. Solunum, oksijen vasıtasıyla gerçekleştirilebileceği gibi; oksijensiz olarak da gerçekleştirilebilir. Dolayısıyla vücuttaki enerji üretimi oksijen varlığına bağlı değildir. Mitokondrilerde ise bu durum biraz daha farklı. Mitokondriler, temel olarak oksijenli solunumun gerçekleştiği organellerdir. Oksijenli solunum vasıtasıyla üretilen enerji miktarının daha fazla olması nedeniyle mitokondrilerin, temel yargıda olduğu gibi vücudumuzun enerji santralleri olduğu ifade edilebilir. Bu noktada, temel sorumuzu biraz daha genişletelim ve bu soruya yanıt verelim: Vücudumuz nasıl enerji üretir?
Bu noktada temel odak, solunum mekanizmasında olmalıdır. Bir canlıda solunum gerçekleştiğinde, canlı tarafından tüketilen ve sindirilen besin maddeleri çeşitli mekanizmalar etkisiyle enerjiye dönüştürülür. Bu mekanizmalar hücre içerisinde gerçekleşir. Canlı vücudundaki tüm hücrelerde sentezlenen bu enerji, depolanamaz ancak başka enerjilere dönüştürülerek harcanabilir.
Solunum temel olarak iki farklı şekilde gerçekleşir. Bu farklar, daha önce de ifade edildiği gibi oksijen kullanımına ilişkin farklardır. Aerobik solunum (oksijenli solunum) ile Anaerobik solunum (oksijensiz solunum), mekanizmalarında oksijenin kullanılıp kullanılmamasına göre farklılık gösterir. İlk olarak oksijensiz solunumu ele alıp ardından mitokondriyi ve buradaki enerji üretimine odaklanalım. Oksijensiz solunum, sitoplazmadaki “Glikoliz” yolağının işletilmesi temelinde gerçekleşir. Genellikle “Glikoliz”i, “Etil Alkol Fermantasyonu” ile “Laktik Asit Fermantasyonu” olarak iki ayrı türde gerçekleşen reaksiyonlar izler. Glikoliz’in başlangıç maddesi Glikoz’dur ve bu olay Glikoz’un, Pirüvik asit’e kadar yıkımı ile özetlenebilir. Temel metabolik olaylardan solunumun en temel yolağı olan Glikoliz, bütün canlılarda gözlenir ve Glikoliz’in gerçekleşebilmesi için gerekli enzimler, bütün canlılarda aynıdır. Enzimlerin ve yolağın genel işleyişinin bütün canlılarda birebir aynı olması, evrimsel açıdan da önem taşır.
Metabolik olaylar vasıtasıyla gerçekleşen ATP üretimine “Fosforilasyon” adı verilir ve bu kavram kendi arasında birkaç başlığa ayrılır. Glikoliz safhasında gözlenen ana fosforilasyon şekli, “Substrat Düzeyinde Fosforilasyon”dur ancak enerji üretiminin çokça gözlendiği Aerobik Solunum’da, “Oksidatif Fosforilasyon” temel enerji üretim mekanizmasıdır.
Mitokondriler görevde: Aeobik Solunum ve Oksidatif Fosforilasyon
Glikoliz ile araladığımız perdeyi açalım ve oksijenli solunuma giriş yapalım. Bu solunum türünde Glikoliz’i, Krebs döngüsü ve ETS yolağı izler. Krebs ve ETS mekanizmalarının gerçekleştiği yer, hücrelerimizin temel enerji santralleri olan mitokondrilerdir. Bu noktada belirtmek gerekir ki, ana sorumuzun cevabı mitokondrilerde!
Mitokondriler, ökaryotik hücrelerde metabolik enerji üretiminde rol oynar; Oksidatif Fosforilasyon yoluyla ATP üretiminden sorumludur ve bu organel, kendine özgü bir genom ile bu genomlar tarafından sentezlenen proteinleri taşır. Mitokondri, iç ve dış mitokondriyal membranlar içerir. İç zar organelin iç kısmına doğru uzanan çok sayıda kıvrımlı yapıya sahiptir. Bu kıvrımlı yapılara “krista” adı verilir.
Mitokondrinin iç zarının dışarıdaki alandan ayırdığı sıvı bölge olan matriks, mitokondri genomunu ve oksidatif fosforilasyonun gerçekleşmesi için gereken ana öğeleri taşır. Glikoliz’in gerçekleşmesinin ardından Aeorobik solunum için yoluna devam eden Pirüvik asit, çeşitli kanallar yoluyla mitokondriye taşınır. Burada, Krebs Döngüsü’ne giriş gözlenir; Piruvat, CO2 varlığı ile Asetil CoA’ya dönüştürülür. Bu maddenin üretimi ile Krebs döngüsüne geçirilir. Krebs Devri diğer bir adıyla da Sitrik Asit Döngüsü, hem karbonhidratlar hem de yağ asitleri için oksidatif parçalanmanın görüldüğü merkez yolaktır.
Asetil CoA’nın varlığı ile başlayan Krebs Devri; NAD+ ve FAD koenzimlerinin, NADH ve FADH2’ye indirgenmesiyle sonuçlanır. Burada da “Substrat Düzeyinde Fosforilasyon” gözlenir. Sitrik Asit Döngüsü ile oluşan NADH ve FADH2’ler bir sonraki aşama için “Oksidatif Fosforilasyon”un merkezi olan ETS yolağına aktarılır. Burada NADH ve FADH2’den gelen yüksek enerjiye sahip elektronlar, zar yüzeyinde bulunan bir dizi taşıyıcı üzerinden moleküler oksijene aktarılır. Burada membran boyunca üretilen enerji potansiyel enerjiye dönüştürülür ve ATP üretimi için kullanılır. Bu noktada iç mitokondriyal zarın, Krebs’in ardından geçilen ETS yolağında da ana bölge olduğunu belirtmek gerekir. Bu noktada, “krista” katlanmaları büyük ölçüde önem arz eder. Ayrıca iç mitokondriyal zar, pirüvik asit ve yağ asitlerinin taşınmasında ön açıcı olan çok sayıda protein içerir. Aksi takdirde iç mitokondriyal zar, bu tip maddeler ve hatta iyonlar ile küçük moleküllere karşı geçişe açık değildir. Bu durum, Oksidatif Fosforilasyon’a neden olan proton gradientini korumak için gereken oldukça kritik öneme sahip bir özelliktir. Ancak iç mitokondriyal zarın aksine dış mitokondriyal zar oldukça geçirgendir . Bu durumun temelini ise, küçük moleküllerin difüzyonuna izin veren çok sayıda kanal ile büyük moleküllerin geçişini sağlayan protein kanallarının varlığıdır.
Elektron Taşıma Sistemi olarak adlandırılan yolakta, Oksijen kullanımı ile ATP üretimi gerçekleşir. Bu açıdan bu yolak, Oksidatif Fosforilasyon’un gerçekleştiği yerdir. Aerobik Solunum’da üretilen enerjinin büyük bir miktarı bu evrede oluşturulur.
Mitokondri genomu: Endosimbiyotik Teori ve genom üzerinden soy takibi
Mitokondriler, hücrenin kendi genomunun dışında ayrı bir genetik sistem içerir. Bu durum; “Endosimbiyotik Teori” olarak bilinen ve mitokondri organelinin, daha büyük bir hücre içinde o hücre ile simbiyotik bir ilişki kurarak yaşayan bir bakteriden köken aldığını anlatan teori ile açıklanır. Bu teori, bahsi geçen Rickettsia prowazekii bakterisi ile mitokondri genomunun dizilerinin kıyaslanması ile gözlenen çarpıcı benzerlikler ile doğrulanmıştır. Mitokondriyal genomlar, bakterilerin genom yapısına oldukça benzer şekilde dairesel yapıya sahiptir.
Mitokondrinin sahip olduğu genetik materyal, anne üzerinden kalıtılır. Bu açıdan bakıldığında mitokondriler yoluyla bir canlının ana soyunun takibi yapılabilir. Bu yolla, türün ilk dişi bireyine ulaşılabilecek soy hattı çizilebilir. Ancak son süreçte yapılan çalışmalar, belirli istisnaları ortaya koymuştur. Bu istisnalara göre mitokondriyal genomda babadan aktarılan genetik bilgi de bulunabilir.
Kaynak: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9896/
https://www.nature.com/scitable/topicpage/mitochondria-14053590
https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mitochondria
https://www.pnas.org/content/115/51/13039
