Svar 1:
Du har stillet et klassisk spørgsmål inden for biologi, og det er naturligvis et meget vigtigt spørgsmål. Hvordan levende væsener producerer brugbar energi er vigtigt, ikke kun ud fra en forståelse af livet, men det kunne også hjælpe os med at designe mere effektive produkter til at høste og producere energi – hvis vi kunne “efterligne”, hvordan levende celler håndterer deres energibalance, ville vi måske kunne forbedre vores teknologi betragteligt. F.eks. er en plante en meget bedre opsamler af sollys end selv vores bedste solpanel. Og hvis vi forstår energiforbruget, kan det naturligvis også hjælpe os med at håndtere menneskelige sygdomme som f.eks. diabetes.
Svaret på dit spørgsmål kan du finde i en hvilken som helst grundbog i biologi, men nogle gange er der så mange oplysninger pakket ind i en sådan bog, at det kan være svært at uddrage de oplysninger, du har brug for, eller oftere, at se alle disse oplysninger i en større sammenhæng. Lad os prøve at tage fat på dit spørgsmål i flere dele.
Først skal vi vide, hvad ATP egentlig er – kemisk set er det kendt som adenosintrifosfat. ATP er en brugbar form for energi for cellerne – energien er “fanget” i en kemisk binding, som kan frigives og bruges til at drive andre reaktioner, der kræver energi (endergoniske reaktioner).
Fotosyntetiske organismer bruger energi fra sollyset til at syntetisere deres egne brændstoffer. De kan omdanne det høstede sollys til kemisk energi (herunder ATP) for derefter at drive syntesen af kulhydrater fra kuldioxid og vand. Når de syntetiserer kulhydraterne, bliver der frigivet ilt. Globalt set “fikseres” mere end 10 milliarder tons kulstof af planter hvert år – det betyder, at kulstofmolekyler omdannes fra at være en del af en simpel gas (kuldioxid) til mere komplekse, reducerede molekyler (kulhydrater), hvilket gør kulstof tilgængeligt som føde for ikke-fotosyntetiserende planter (og naturligvis giver ilt). De bruger nogle af kulhydraterne til deres egen vækst og formering. Det er ret bemærkelsesværdigt, når man tænker over det – har du været i Sequoia National Park eller set rødtræerne langs vores nordvestlige kyst? Massive træer, ikke sandt? Tænk på, at det meste af denne masse er i form af kulstof, der blev trukket ud af luften som kuldioxid!
Fotosynteseprocessen består af to dele. Først er der lysreaktionerne, hvor lys omdannes til kemisk energi (en reduceret elektronbærer og ATP). Dette sker i thylakoiderne (de stablede membraner) i kloroplasterne. ATP og elektronbærerne anvendes derefter i et andet sæt reaktioner, de såkaldte lysuafhængige reaktioner. Dette sker også i kloroplasterne, men i et område, der kaldes stromaet. I dette tilfælde bliver kuldioxid brugt til at producere sukkerstoffer i en række reaktioner kaldet Calvin-cyklusen, C4-fotosyntese og crassulacesyremetabolisme. Du kan kigge i en hvilken som helst grundlæggende lærebog om bio for at se, hvor meget “energi” eller “sukker” der produceres i hvert trin af processen.
I ikke-fotosynteser skal brændstoffet forbruges. Det mest almindelige kemiske brændstof er sukkerstoffet glukose (C6H12O6) … Andre molekyler, som f.eks. fedtstoffer eller proteiner, kan også levere energi, men de skal (normalt) først omdannes til glukose eller et mellemprodukt, der kan bruges i glukosemetabolismen.
Dette bringer os nu til næste del – hvordan går vi fra glukose til ATP? Det sker gennem processen “oxidation” – og det sker gennem en række metaboliske veje. Komplekse kemiske transformationer i cellen sker i en række separate reaktioner for at danne hver vej, og hver reaktion er katalyseret af et specifikt enzym. Interessant nok ligner de metaboliske veje hinanden i alle organismer, fra bakterier til mennesker. Hos eukaryoter (planter og dyr) er mange af stofskiftevejene opdelt i rum, idet visse reaktioner finder sted i specifikke organeller. I bund og grund opfanger cellerne den frie energi, der frigøres ved nedbrydningen (metabolismen) af glukose. Denne energi bliver fanget i ATP, når det konverteres fra ADP til ATP ved tilsætning af fosfat.
Der er 3 hovedveje til at høste energi fra glukose:
Glykolyse – begynder glukosemetabolismen i alle celler for at producere 2 molekyler pyruvat. Forekommer uden for mitokondrier, normalt i cytoplasmaet.
Cellulær Respiration – bruger ilt fra omgivelserne og omdanner hvert pyruvat til tre molekyler kuldioxid, mens den energi, der frigives i denne proces, fanges i ATP. Der er 3 underveje i den cellulære respiration – pyruvatoxidation, citronsyrecyklus (Krebs- eller tricarboxylsyrecyklus) og elektrontransportkæden. Foregår i forskellige underkompartmenter af mitokondrier.
Fermentering – omdanner pyruvat til mælkesyre eller ethanol; har ikke brug for ilt. Den er ikke så effektiv som celleånding; den foregår i cytoplasmaet.
Med hensyn til hvor meget ATP der produceres, kan du kigge i dine grundtekster og vurdere hvor mange ATP’er der bruges i forhold til hvor mange der produceres for hvert aspekt af metabolismen