Yandaki deney düzeneğinde bir hücreden izole edilmiş mitokondri, pH’sı 9 olan bir ortama konulur. Burada bir süre bekletilerek mitokondrinin iç zarının her iki tarafında pH yükseltilir. Daha sonra mitokondri hızla nötr bir ortama (pH=7) taşınır. Hidrojen iyonlarının matrikse geçişi ile elektron taşımını olmadığında bile ATP sentezinin gerçekleştiği görülür.
Mitokondri öncelikle pH’ı 9 olan ortamda tutularak hidrojen iyonu konsantrasyonunun her iki tarafta eşitlenmesi amaçlanmıştır. Böylece, elektron taşıma sisteminin çalışmadığı bir durumda, hidrojen iyonlarının matrikse geçişinin ATP sentezine katkısı gözlemlenebilir. Ortamlarda asitliği ve bazikliği sağlayan moleküller asitler ve bazlardır. Asitler hidrojen iyonu (H+) verirken, bazlar hidroksil iyonu (OH-) alırlar. pH’sı 9 olan ortamda hidroksil iyonu konsantrasyonu yüksek olduğundan, mitokondrinin iç zarının her iki tarafında hidrojen iyonu konsantrasyonu düşüktür. Nötr bir ortama (pH=7) taşındığında ise, hidrojen iyonu konsantrasyonu artar ve matrikse doğru bir akım oluşur. Bu akım ATP sentaz enzimini çalıştırarak ATP üretimini sağlar
.
4. Nötr ortama alınan mitokondride pH’ın düşmesi için ortamın iyon derişimi nasıl olmalıdır?
Cevap:
Nötr ortama alınan mitokondride pH’ın düşmesi için ortamın hidrojen iyonu derişiminin yüksek olması gerekir. Çünkü hidrojen iyonu asitliği artırır ve pH’ı düşürür.
5. Mitokondrinin nötr ortama alınması zarlar arası boşlukta nasıl bir değişim oluşturmuştur?
Cevap:
Mitokondrinin nötr ortama alınması zarlar arası boşlukta hidrojen iyonu konsantrasyonunun artmasına ve elektriksel potansiyel farkının oluşmasına neden olmuştur. Bu da hidrojen iyonlarının matrikse doğru akmasını ve ATP sentezini tetiklemiştir.
6. Bu deneye göre mitokondri zarlarında ATP sentezi için gerekli temel molekülleri ve ATP sentezle- mesini nasıl açıklarsınız?
Cevap:
Bu deneye göre mitokondri zarlarında ATP sentezi için gerekli temel moleküller hidrojen iyonları ve ADP’dir. ATP sentezlemesi, ATP sentaz adı verilen bir enzim kompleksi tarafından gerçekleştirilir. ATP sentaz, mitokondrinin iç zarında bulunan ve F0 ve F1 olarak adlandırılan iki alt birimden oluşur. F0 alt birimi, hidrojen iyonlarının zarı geçmesine izin veren bir kanal görevi görür. F1 alt birimi ise, hidrojen iyonlarının akımından kaynaklanan enerjiyi kullanarak ADP ve fosfatı ATP’ye bağlar. Böylece, hidrojen iyonu konsantrasyonu farkı ve elektriksel potansiyel farkı sayesinde ATP sentezi sağlanmış olur.
7. Yukarıdaki deneyde mitokondri iç zarında ETS elemanları elektron taşımını yapmadığı hâlde ATP sentezinin gerçekleştiğini görüyoruz. İnsan hücrelerinde mitokondrilerin iç zarı üzerinde ETS elemanlarının bulunmasının rolü nedir? ETS elemanları bulunmadan hücre içindeki mitokondrilerde de ATP sentezlenebilir mi?
Cevap:
İnsan hücrelerinde mitokondrilerin iç zarı üzerinde ETS elemanlarının bulunmasının rolü, oksijenli solunumda elektron taşıma zincirini oluşturmak ve proton hareket gücünü sağlamaktır. ETS elemanları, NADH ve FADH2 moleküllerinin getirdiği elektronları alır ve oksijene aktarır. Bu sırada elektronların enerjisi kademe kademe sisteme aktarılır ve protonlar matriksten zarlararası boşluğa pompalanır. Protonların zarı geçmesi için ATP sentaz enzimini kullanması gerekir. ATP sentaz, protonların akımından kaynaklanan enerjiyi kullanarak ADP ve fosfatı ATP’ye bağlar. Böylece, ETS elemanları oksijenli solunumda ATP sentezinin en verimli aşamasını gerçekleştirir.
ETS elemanları bulunmadan hücre içindeki mitokondrilerde de ATP sentezlenebilir, ancak çok daha az miktarda olur. Çünkü ETS olmadan sadece glikoliz ve krebs döngüsü gerçekleşebilir. Bu aşamalarda substrat düzeyinde fosforilasyon ile ATP üretilir. Ancak bu yöntem, ETS ile kıyaslandığında çok daha az verimlidir. Bir molekül glikozdan substrat düzeyinde fosforilasyon ile sadece 4 ATP üretilirken, ETS ile 34 ATP üretilir. Dolayısıyla, ETS elemanları oksijenli solunumda enerji üretiminin büyük bir kısmını sağlar.
8. Oksijenli solunumda esas enerji ETS ile üretilmektedir. ETS elemanları mitokondri iç zarında yer almaktadır. Prokaryot canlılarda oksijenli solunum reaksiyonlarının hücrenin hangi kısımlarında ve nasıl gerçekleşeceğini, ayrıca ETS’nin nasıl çalışacağını açıklayınız.
Cevap:
Prokaryot canlılarda oksijenli solunum reaksiyonlarının hücrenin sitoplazmasında ve hücre zarı kıvrımlarında gerçekleştiği bilinmektedir. Prokaryot canlılarda mitokondri bulunmadığı için, oksijenli solunumun büyük bir kısmı sitoplazmada yapılır. Sitoplazmada glikoliz, pirüvat oksidasyonu ve krebs döngüsü gerçekleşir. Bu aşamalarda organik besinler parçalanarak CO2, NADH ve FADH2 üretilir. NADH ve FADH2, elektron taşıma sistemi (ETS) için elektron kaynağıdır.
ETS, prokaryot canlılarda hücre zarının sitoplazmaya doğru yapmış olduğu kıvrımlar olan mezozomlarda gerçekleşir. Mezozomlar, mitokondri iç zarına benzer şekilde ETS elemanlarını taşırlar. ETS elemanları, NADH ve FADH2’den aldıkları elektronları oksijene aktararak su oluştururlar. Bu sırada elektronların enerjisi proton pompalamak için kullanılır. Protonlar sitoplazmadan mezozom boşluğuna taşınır. Protonların mezozom boşluğundan sitoplazmaya geri dönmesi için ATP sentaz enzimini kullanması gerekir. ATP sentaz, protonların akımından kaynaklanan enerjiyi kullanarak ADP ve fosfatı ATP’ye bağlar. Böylece, ETS ile ATP sentezi sağlanır.
Özetle, prokaryot canlılarda oksijenli solunum reaksiyonlarının hücrenin sitoplazmasında ve hücre zarı kıvrımlarında gerçekleştiği söylenebilir. ETS’nin çalışması ise mezozomlardaki proton hareket gücüne bağlıdır.
9. Yukarıdaki deney “Hücrelerden izole edilen mitokondrilerin bulunduğu ortama hidrojen atomu geçişinin sağlanması ile ATP sentezlenebilir.” hipotezi için yapılmış bir deneydir. Siz de bu deney düzeneği ile ilgili farklı bir hipotez oluşturunuz.
Cevap: Olası cevap: ATP sentezi için ATP sentaz gereklidir.
