Aerobik (oksidatif) sistem; dinlenme, yürüyüş ve jogging gibi düşük şiddetli ve uzun süre yapılan aktivitelerde ATP üretiminden sorumlu ana sistemdir. Bu sistem kas hücresi içinde bulunan mitokondrilerde faaliyet gösterir, yüksek oranda ATP üretimi sağlar ancak bunun için oksijenin varlığına ihtiyaç duyar. Detaylar için yazının tamamını dikkatli bir şekilde okuduğunuzdan emin olun.
Aerobik enerji üretiminde 2 sistem bulunur. İlki krebs döngüsü. Krebs döngüsü 8 reaksiyonluk bir döngüdür. Bu 8 reaksiyonluk döngünün hız sınırlayıcı enzimi izositrat dehidrogenaz (IDH).
Krebs döngüsünde en başta reaksiyona giren yapı (Acetyl-CoA) tamamen parçalanır. 1 turluk krebs döngüsünü takiben elde edilen ürünler ise, ATP, NADH, FADH ve karbondioksittir (CO2). Hangi maddeden ne kadar üretildiğini şuan için dert etmeyin.
ATP hücresel faaliyetler için kullanılır, CO2 ise solunum ile uzaklaştırılır. Geriye kalan yapılar (NADH ve FADH) bir sonraki adım olan elektron taşıma sistemine giderek daha fazla ATP sentezini sağlayacaklar, okumaya devam edin.
GÖRSEL - Krebs döngüsü
Egzersizin başında (ilk 1-4 dakikada) hücredeki oksijen miktarı az. Oturduğunuz yerden direkt jog atmaya başlarsanız kaslarınızda ilk 1-4 dakika yeterince oksijen bulunmayacaktır. Bunun sebebi kalp atış hızımız ve nefes alış-verişimizin artmasının zaman almasıdır.
Burada kritik olan şu, "insan bir anda istediği hızda koşmaya başlayabilir ve koşuya devam edebilir ancak kalp atış hızının egzersize göre ayarlanması 1-4 dakikalık zaman alır".
Oksijenin az olduğu ancak enerji üretmemiz gereken bu dönemde anaerobik sistemleri kullanmamız şart, çünkü hareket ediyoruz yani enerji harcıyoruz, ancak oksijen az dolayısıyla oksijensiz olarak (anaerobik olarak) enerjiyi üretiyoruz. Şunu hemen hatırlayın, anaerobik glikolizin işlemesi için reaksiyon 6'ya NAD+ gerekliydi.
Oksijen olmayan kasta, yani egzersizin ilk dakikalarında, pirüvatın çoğunluğu laktata döndürülerek NADH'tan NAD+ elde ediliyordu. Az olan oksijen miktarının yettiği kadarıyla da az bir miktar pirüvat yine Acetyl-CoA'ya dönüştürülüp işlenmeye elbette devam ediyor.
GÖRSEL - NAD elde etmek için laktat oluşumu
Egzersiz devam edip kasa ulaşan oksijen arttıkça pirüvatların laktata döndürülme oranı azalır. Pirüvatın çoğunluğu laktat yerine Acetyl-CoA'ya dönüştürülür ve daha fazla ATP üretimi için daha çok parçalanır. Glikolizde son ürün olarak laktat üretilmek yerine pirüvattan Acetyl-CoA elde edilebilir. Pirüvatın laktata dönüştürülmeyip Acetyl-CoA'ya dönüştürüldüğü bu yol aerobik glikoliz olarak isimlendirilir.
Anaerobik glikolizde 2 ATP kazancı varken bu değer aerobik glikolizde 32 ATP'dir. Bir kontrol merkezi varsa ve ekonomi odaklı çalışıyorsa (bu beynimiz oluyor) aerobik yolu takip eder. Bu yüzden, merkezi sinir sistemimiz egzersiz başladığı anda kalp atışını ve solunum hızını artırmaya çalışır. Bu sistemler yeterince hızlı çalışmaya başlayana kadar da mecburen anaerobik yolla enerji üretilir.
Egzersiz başında PCr ve anaerobik glikolizle ATP üretilirken, 1-4 dakika sonra ATP üretiminden sorumlu sistem aerobik glikoliz olacaktır. Şiddetten bağımsız olarak egzersiz başında laktat birikimi olması ancak devam eden aynı egzersizde bunun yaklaşık 2 mmol/L civarlarına dönmesinin sebebi de budur. Çünkü artık kalp atışımız ve solunum sıklığımız yeterince artmıştır, hatta sabitlenmiştir. Steady-state dediğimiz bu durumda aerobik sistemin egzersizin ihtiyaç duyduğu enerji tedariğini sağladığını biliyoruz.
GÖRSEL - Devam eden uzun süreli egzersizde laktatın düşüşü
Şimdi aerobik glikolizin nasıl daha fazla ATP üretimi sağladığına bakmak için krebse geri dönelim. Krebs döngüsü Acetyl-CoA ile başlar. Kas hücresinde oksijenin bol bulunmasından ötürü glikoliz reaksiyonları sonunda pirüvat moleküllerinin hepsi laktata dönüştürülmez. Pirüvat, laktat yerine Acetyl-CoA'ya dönüştürülür. Bu dönüşümü sağlayan olay hücrede oksijenin bol oluşudur.
Krebs döngüsünün kendisi en yoğun ATP sentezinin gerçekleştiği olay değildir. Ancak, bu döngü, yüksek miktarda ATP sentezlenmesine öncülük edecek olan yapıların meydana gelmesini sağlar. Bu yapılar NADH ve FADH isimli elektron ve hidrojen taşıyıcılarıdır. Görsele tekrar bir bakın.
GÖRSEL - Krebs döngüsü
Metabolik reaksiyonlar esnasında bazı moleküllerden H+ kopar. Bunlar ortamın pH dengesizini bozmasın diye bahsettiğimiz yapılarla mitokondriye taşınır. Mitokondri, çift zarlı özel yapısı sayesinde elektronların hareket enerjisini ve protonların (artı yüklü parçacıkların) birbirini itme kuvvetini kullanarak ATP sentezler. Şimdi bu işleyişin tam olarak nasıl olduğuna yakından bakalım.
GÖRSEL - Mitokondrinin çift zarlı yapısı
Mitokondrinin iç zarında yan yana konumlanmış 5 farklı kompleks yapı bulunur. NADH mitokondriye getirdiği hidrojen ve elektronları bu yapıların birincisine, yani Kompleks 1'e bırakır. NAD+ artık serbesttir ve ihtiyaç duyulduğu noktalara gidebilir.
Kompleks 1'e bırakılan elektronlar sırayla Kompleks 4'e kadar taşınır. Elektronların bu enerjisi hidrojenleri mitokondrinin iki zarı arasına sıkıştırmak için kullanılır. Mitokondrinin iç zarında elektron taşıma zinciri var, zarları arasında yani intermembran boşlukta ise sıkıştırılmış hidrojen iyonlar bulunur.
Kompleks 4 kendisine gelen elektronları ve ortamdaki 2 hidrojeni oksijen molekülüne ekleyerek su oluşumunu sağlar. Normalde hücre dengesini bozan hidrojenler, bu sistem sayesinde oksijene eklenerek faydalı bir moleküle dönüştürülmüş olur.
GÖRSEL - ETC: elektron taşıması, su üretimi, ATP sentezi
Elektronların taşınması esnasında intermembran boşluğa sıkıştırılan hidrojen iyonlarının hepsi "+" yüklüdür. Hidrojen normalde 1 proton ve 1 elektron barındırır. Elektronu mitokondri zarındaki komplekslere verildiği için artık sadece protonu kalmıştır, bu yüzden kendisinden direkt olarak proton olarak da bahsedilir.
Aynı yükler birbirini itme eğilimi gösterdiğinden bu yapılar sıkıştırıldıkları boşluktan çıkmak ister. Kompleks 5, iyonların itme kuvvetiyle oluşturdukları hareketi ATP sentezlemek için kullanan bir mekanizmadır.
Kompleks 5'in diğer adı ATPsentazdır. Hidrojenler dışarı çıkmak istiyorsa ATPsentaz içinden geçmelidir. ATPsentaz, iyonların itme kuvvetini ADP+P reaksiyonunu gerçekleştirmek yani ATP resentezlemek için kullanır.
NADH aktarımını Kompleks 1'e yapar. Bu yapı elektron taşıması esnasında intermembran boşluğa H+ pompalar. FADH ise aktarımını Kompleks 2'ye yapar. Kompleks 2 elektron taşıması esnasında H+ pompalaması yapamaz, çünkü yapısı zarı tamamen geçmez ve intermembran boşluğa kadar uzanmaz.
GÖRSEL - Suyun oluşumu
ATPsentazın çalışmasını sağlayan şey elektronların taşınması esnasında H+'ların sıkıştırılmasıdır. NADH daha fazla H+ pompalanmasını ve sıkıştırılmasını sağlar (toplamda 10 H+). Bir ATP üretimi için 4 H+ gerekli olduğundan; 1 NADH molekülü için net 2.5 ATP kazancı varken 1 FADH molekülü için 1.5 ATP kazancı vardır.
Bu noktada şunu mutlaka belirtelim. ATP'nin yarım olarak bulunması gibi bir durum mümkün değildir. Burada 2.5 olarak belirttiğimiz sayı H+ pompalama miktarlarının farklı olmasından ötürü NADH ve FADH'ın farklı miktarlarda ATP üretimi sağlayacaklarıdır.
Anaerobik glikoliz net 2-3 ATP kazancı sağlar. Aerobik glikolizde bu değer 32 ATP'dir. Bu büyük ekonomik farktan ötürü vücudumuzdaki kontrol merkezi anaerobik yerine aerobik sistemi baskın kullanmak ister. Ancak bu sistemin verimli çalışmaya başlaması 1-4 dakikadan erken olamaz. Egzersiz başında çoğunlukla pirüvattan laktat, ancak devam eden süreçte çoğunlukla pirüvattan Acetyl-CoA elde edilecektir.
Aerobik sistemde karbonhidratlar, yağlar ve proteinler substrat olarak kullanılabilir. Düşük şiddetli egzersizler için yağ asitleri ana enerji kaynağıyken, orta ve yüksek şiddetli egzersizler için karbonhidrat ana enerji kaynağıdır. Uzun açlık periyotları veya 90 dakikadan daha uzun süren egzersizler yapılmıyorsa proteinlerin enerji üretimine katkısı %10'dan daha azdır.
GÖRSEL - Makrobesinlerin enerji metabolizmasına katılımı
Glukoz, glikoliz ile parçalanarak ATP sentezine katkı sağlar. Trigliseritler, lipolizle gliserol ve serbest yağ asitlerine ayrılır. Gliserol pirüvata dönüştürülebilir. Serbest yağ asitleri ise beta-oksidasyon ile 2 karbon, 2 karbon parçalanır devamında da 2 karbonlu yapı olan Acetyl-CoA olarak enerji metabolizmasına katılır. Proteinler ilk olarak amino asitlerine ayrılır. Farklı özellikteki amino asitler farklı konumlardan enerji metabolizmasına dahil olur.
Sonuç olarak, aerobik enerji sisteminin işlemesi için oksijene ihtiyaç duyulur. Aerobik sistem krebs ve elektron taşıma zincirinden meydana gelir. 2 karbonlu yapı olan Acetyl-CoA krebsin başlangıç maddesidir. Krebs 8 reaksiyondan oluşur ve sonucunda ATP, NADH, FADH ve CO2 meydana gelir. ATP hücresel faaliyetler için kullanılırken CO2 solunumla uzaklaştırılır. Hidrojen ve elektron taşıyıcılar fazlalıklarını ETC'ye aktardıktan sonra tekrar görev yerlerine döner. ETC çift zarlı mitokondrinin iç zarındaki 5 özel yapıdan oluşur. 4'üncü yapı hidrojen ve elektronları oksijene aktararak su oluşturur. 5'inci yapı olan ATPsentaz intermembran boşlukta biriken aynı yüklü iyonların itiş kuvvetiyle ADP+P reaksiyonunu gerçekleştirerek ATP sentezler. NADH molekülü aktarımını 1'inci komplekse yapıp 2.5 ATP kazancı sağlarken, FADH molekülü aktarımını 2'nci komplekse yaptığı için 1.5 ATP kazancı sağlar. Glukozdan anaerobik glikolizde 2 ATP kazanç sağlanırken aerobik sistemde 32 ATP kazanç sağlanır. Aerobik sistem egzersizin başında aktifleşir ancak baskın hale gelmesi kalp atış hızı ve solunum artışından ötürü zaman alır. Makrobesinlerin hepsi aerobik enerji metabolizmasına katılabilir.
Konuya ilişkin bilginizi tamamlamak ve kendinize seviye atlatmak için önceki ve sonraki yazılara göz atmayı ihmal etmeyin. Linklere aşağıdan ulaşabilirsiniz.
SSPS - level up yourself
Bu ve sitemizde yer alan diğer yazılar SSPS spor ve sağlık bilimleri kütüphanesi kaynakları kullanılarak hazırlanmıştır.