Antwort 1:
Sie haben eine klassische Frage der Biologie gestellt, und natürlich eine sehr wichtige. Wie Lebewesen nutzbare Energie erzeugen, ist nicht nur wichtig, um das Leben zu verstehen, sondern könnte uns auch helfen, effizientere Produkte zur Energiegewinnung und -erzeugung zu entwickeln – wenn wir „nachahmen“ könnten, wie lebende Zellen mit ihrem Energiehaushalt umgehen, könnten wir unsere Technologie erheblich verbessern. Eine Pflanze zum Beispiel ist ein viel besserer Sammler von Sonnenlicht als selbst unser bestes Solarpanel. Und wenn wir die Energienutzung verstehen, kann uns das natürlich auch bei der Behandlung menschlicher Krankheiten wie Diabetes helfen.
Die Antwort auf Ihre Frage finden Sie in jedem grundlegenden Biologie-Lehrbuch, aber manchmal sind so viele Informationen in ein solches Lehrbuch gepackt, dass es schwierig sein kann, die benötigten Informationen herauszufiltern oder, was noch häufiger vorkommt, all diese Informationen in einem größeren Zusammenhang zu sehen. Lassen Sie uns versuchen, Ihre Frage in mehreren Teilen anzugehen.
Zuerst müssen wir wissen, was ATP wirklich ist – chemisch gesehen ist es als Adenosintriphosphat bekannt. ATP ist eine für die Zellen nutzbare Energieform – die Energie ist in einer chemischen Bindung „gefangen“, die freigesetzt und zum Antrieb anderer Reaktionen verwendet werden kann, die Energie benötigen (endergonische Reaktionen).
Photosynthetische Organismen nutzen die Energie des Sonnenlichts, um ihre eigenen Brennstoffe zu synthetisieren. Sie können geerntetes Sonnenlicht in chemische Energie (einschließlich ATP) umwandeln, um dann die Synthese von Kohlenhydraten aus Kohlendioxid und Wasser zu betreiben. Bei der Synthese der Kohlenhydrate wird Sauerstoff freigesetzt. Weltweit werden jedes Jahr mehr als 10 Milliarden Tonnen Kohlenstoff von Pflanzen „gebunden“ – das bedeutet, dass Kohlenstoffmoleküle von einem einfachen Gas (Kohlendioxid) in komplexere, reduzierte Moleküle (Kohlenhydrate) umgewandelt werden, wodurch Kohlenstoff als Nahrung für Nicht-Photosynthesen zur Verfügung steht (und natürlich Sauerstoff bereitgestellt wird). Sie verwenden einen Teil der Kohlenhydrate für ihr eigenes Wachstum und ihre Fortpflanzung. Es ist ziemlich bemerkenswert, wenn man darüber nachdenkt – waren Sie schon einmal im Sequoia-Nationalpark oder haben Sie die Redwoods an unserer Nordwestküste gesehen? Riesige Bäume, nicht wahr? Denken Sie daran, dass der größte Teil dieser Masse in Form von Kohlenstoff besteht, der als Kohlendioxid aus der Luft gezogen wurde!
Der Prozess der Photosynthese besteht aus zwei Teilen. Zunächst gibt es die Lichtreaktionen, bei denen das Licht in chemische Energie (reduzierte Elektronenträger und ATP) umgewandelt wird. Dies geschieht in den Thylakoiden (gestapelte Membranen) der Chloroplasten. Das ATP und die Elektronenträger werden dann in einer zweiten Reihe von Reaktionen verwendet, den sogenannten lichtunabhängigen Reaktionen. Diese finden ebenfalls in den Chloroplasten statt, allerdings in einem Bereich, der Stroma genannt wird. In diesem Fall wird Kohlendioxid zur Herstellung von Zuckern in einer Reihe von Reaktionen verwendet, die als Calvin-Zyklus, C4-Photosynthese und Krassulasäure-Stoffwechsel bezeichnet werden. Sie können in jedem grundlegenden Bio-Lehrbuch nachsehen, wie viel „Energie“ oder „Zucker“ in jedem Schritt des Prozesses produziert wird.
Bei Nicht-Photosynthesemitteln muss der Brennstoff verbraucht werden. Der häufigste chemische Brennstoff ist der Zucker Glukose (C6H12O6)… Andere Moleküle, wie Fette oder Proteine, können ebenfalls Energie liefern, aber (normalerweise) müssen sie zuerst in Glukose oder ein Zwischenprodukt umgewandelt werden, das im Glukosestoffwechsel verwendet werden kann.
Damit kommen wir zum nächsten Teil – wie kommen wir von Glukose zu ATP? Dies wird durch den Prozess der „Oxidation“ erreicht – und dieser wird durch eine Reihe von Stoffwechselwegen durchgeführt. Komplexe chemische Umwandlungen in der Zelle laufen in einer Reihe von Einzelreaktionen ab, um jeden Stoffwechselweg zu bilden, und jede Reaktion wird von einem bestimmten Enzym katalysiert. Interessanterweise sind die Stoffwechselwege in allen Organismen, von Bakterien bis zum Menschen, ähnlich. Bei Eukaryoten (Pflanzen und Tieren) sind viele der Stoffwechselwege kompartimentiert, wobei bestimmte Reaktionen in bestimmten Organellen ablaufen. Im Grunde genommen fangen die Zellen freie Energie auf, die beim Abbau (Stoffwechsel) von Glukose frei wird. Diese Energie wird im ATP eingeschlossen, wenn es sich durch die Zugabe von Phosphat von ADP in ATP umwandelt.
Es gibt 3 Hauptwege zur Gewinnung von Energie aus Glukose:
Glykolyse – beginnt den Glukosestoffwechsel in allen Zellen, um 2 Moleküle Pyruvat zu erzeugen. Findet außerhalb der Mitochondrien statt, normalerweise im Zytoplasma.
Zelluläre Atmung – verwendet Sauerstoff aus der Umgebung und wandelt jedes Pyruvat in drei Moleküle Kohlendioxid um, während die bei diesem Prozess freigesetzte Energie in ATP gebunden wird. Es gibt 3 Teilwege der Zellatmung – die Pyruvat-Oxidation, den Zitronensäurezyklus (Krebs oder Tricarbonsäure) und die Elektronentransportkette. Sie findet in verschiedenen Unterkompartimenten der Mitochondrien statt.
Fermentation – wandelt Pyruvat in Milchsäure oder Ethanol um; benötigt keinen Sauerstoff. Sie ist nicht so effizient wie die Zellatmung; sie findet im Zytoplasma statt.
In Bezug auf die ATP-Produktion können Sie in Ihren Grundlagentexten nachsehen und beurteilen, wie viele ATPs für jeden Aspekt des Stoffwechsels verbraucht und wie viele produziert werden