Odpověď 1:
Položil jste klasickou a samozřejmě velmi důležitou otázku v biologii. To, jak živé organismy produkují využitelnou energii, je důležité nejen z hlediska pochopení života, ale mohlo by nám to také pomoci navrhnout účinnější produkty pro získávání a výrobu energie – pokud bychom dokázali „napodobit“, jak živé buňky řeší svou energetickou bilanci, mohli bychom výrazně zlepšit naše technologie. Například rostlina je mnohem lepším sběračem slunečního světla než náš nejlepší solární panel. A samozřejmě, pokud porozumíme využívání energie, může nám to také pomoci vypořádat se s lidskými nemocemi, jako je například cukrovka.
No, odpověď na vaši otázku najdete v každé základní učebnici biologie, ale někdy je v takové učebnici nacpáno tolik informací, že může být obtížné z ní vytěžit potřebné informace nebo častěji všechny tyto informace vnímat v širším kontextu. Pokusíme se vaši otázku řešit v několika částech.
Nejprve musíme vědět, co to vlastně ATP je – chemicky se nazývá adenosintrifosfát. ATP je pro buňky využitelná forma energie – energie je „uvězněna“ v chemické vazbě, kterou lze uvolnit a použít k pohonu dalších reakcí, které vyžadují energii (endergonické reakce).
Fotosyntetické organismy využívají energii ze slunečního světla k syntéze vlastních paliv. Mohou přeměnit sklizené sluneční světlo na chemickou energii (včetně ATP), která pak pohání syntézu sacharidů z oxidu uhličitého a vody. Při syntéze sacharidů se uvolňuje kyslík. V celosvětovém měřítku je každoročně rostlinami „fixováno“ více než 10 miliard tun uhlíku – to znamená, že molekuly uhlíku jsou přeměněny z části jednoduchého plynu (oxidu uhličitého) na složitější, redukované molekuly (sacharidy), čímž je uhlík k dispozici jako potrava pro nefotosyntetizující rostliny (a samozřejmě poskytuje kyslík). Část sacharidů využívají pro svůj vlastní růst a rozmnožování. Je to docela pozoruhodné, když se nad tím zamyslíte – byli jste v národním parku Sequoia nebo viděli sekvoje na našem severozápadním pobřeží? Mohutné stromy, že? Zamyslete se nad tím, že většina této hmoty je ve formě uhlíku, který byl vytažen ze vzduchu jako oxid uhličitý!“
Proces fotosyntézy je dvoudílný. Nejprve probíhají světelné reakce, při nichž se světlo přeměňuje na chemickou energii (redukovaný nosič elektronů a ATP). K tomu dochází v tylakoidech (skládaných membránách) chloroplastů. ATP a nosiče elektronů jsou pak použity v druhé skupině reakcí, které se nazývají reakce nezávislé na světle. K tomu dochází také v chloroplastech, ale v oblasti zvané stroma. V tomto případě se oxid uhličitý využívá k výrobě cukrů v sérii reakcí nazývaných Calvinův cyklus, fotosyntéza C4 a metabolismus krassulových kyselin. V každé základní učebnici biologie se můžete podívat, kolik „energie“ nebo „cukru“ se vyrobí v jednotlivých krocích tohoto procesu.
U nefotosyntetizérů se palivo musí spotřebovat. Nejběžnějším chemickým palivem je cukr glukóza (C6H12O6)… Energii mohou dodávat i jiné molekuly, například tuky nebo bílkoviny, ale (obvykle) musí být nejprve přeměněny na glukózu nebo nějaký meziprodukt, který lze využít v metabolismu glukózy.
Tím se dostáváme k další části – jak přejdeme od glukózy k ATP? Toho se dosáhne procesem „oxidace“ – a ten probíhá prostřednictvím řady metabolických drah. Složité chemické přeměny v buňce probíhají v řadě samostatných reakcí, které tvoří každou dráhu, a každá reakce je katalyzována specifickým enzymem. Zajímavé je, že metabolické dráhy jsou podobné u všech organismů, od bakterií po člověka. U eukaryot (rostlin a živočichů) je mnoho metabolických drah kompartmentalizováno, přičemž určité reakce probíhají ve specifických organelách. Buňky v podstatě zachycují volnou energii uvolněnou při rozkladu (metabolismu) glukózy. Tato energie se zachytí v ATP při přeměně ADP na ATP přidáním fosfátu.
Existují 3 hlavní cesty získávání energie z glukózy:
Glykolýza – začíná metabolismus glukózy ve všech buňkách za vzniku 2 molekul pyruvátu. Probíhá mimo mitochondrie, obvykle v cytoplazmě.
Buněčné dýchání – využívá kyslík z prostředí a přeměňuje každý pyruvát na tři molekuly oxidu uhličitého, přičemž energii uvolněnou při tomto procesu zachycuje v ATP. Existují 3 dílčí cesty buněčného dýchání – oxidace pyruvátu, cyklus kyseliny citronové (Krebsův cyklus nebo cyklus kyseliny trikarboxylové) a elektronový transportní řetězec. Probíhá v různých podčástech mitochondrií.
Fermentace – přeměňuje pyruvát na kyselinu mléčnou nebo etanol; nepotřebuje kyslík. Není tak účinná jako buněčné dýchání; probíhá v cytoplazmě.
Pokud jde o to, kolik se vyprodukuje ATP, můžete se podívat do základních textů a posoudit, kolik ATP se spotřebuje oproti tomu, kolik se vyprodukuje pro jednotlivé aspekty metabolismu
.