Vastaus 1:
Olette esittänyt biologian klassisen ja tietenkin hyvin tärkeän kysymyksen. Se, miten elävät olennot tuottavat käyttökelpoista energiaa, on tärkeää paitsi elämän ymmärtämisen kannalta, mutta se voisi myös auttaa meitä suunnittelemaan tehokkaampia energiaa kerääviä ja tuottavia tuotteita – jos voisimme ”matkia” sitä, miten elävät solut hoitavat energiatasapainonsa, voisimme ehkä parantaa teknologiaamme huomattavasti. Esimerkiksi kasvi kerää auringonvaloa paljon paremmin kuin paras aurinkopaneelimme. Ja tietenkin, jos ymmärrämme energiankäyttöä, se voi auttaa meitä myös ihmisen sairauksien, kuten diabeteksen, hoidossa.
Nyt vastaus kysymykseesi löytyy mistä tahansa biologian perusoppikirjasta, mutta joskus tällaiseen oppikirjaan on pakattu niin paljon tietoa, että voi olla vaikeaa poimia tarvitsemasi tieto tai useammin vielä tarkastella kaikkea tietoa laajemmassa kontekstissa. Yritetään käsitellä kysymystäsi useassa osassa.
Ensin on tiedettävä, mitä ATP oikeastaan on – kemiallisesti se tunnetaan nimellä adenosiinitrifosfaatti. ATP on solujen käyttökelpoinen energiamuoto – energia on ”loukussa” kemiallisessa sidoksessa, joka voidaan vapauttaa ja käyttää muiden energiaa vaativien reaktioiden (endergonisten reaktioiden) vauhdittamiseen.
Fotosynteettiset organismit käyttävät auringonvalosta saatavaa energiaa omien polttoaineidensa synteesiin. Ne voivat muuntaa kerätyn auringonvalon kemialliseksi energiaksi (myös ATP:ksi), joka sitten ajaa hiilihydraattien synteesiä hiilidioksidista ja vedestä. Kun ne syntetisoivat hiilihydraatteja, happea vapautuu. Maailmanlaajuisesti kasvit ”sitovat” vuosittain yli 10 miljardia tonnia hiiltä – tämä tarkoittaa, että hiilimolekyylit muunnetaan yksinkertaisen kaasun (hiilidioksidin) osasta monimutkaisemmiksi pelkistyneiksi molekyyleiksi (hiilihydraateiksi), jolloin hiili on muiden kuin fotosynteesiä tekevien ravinnonlähteenä (ja tietenkin hapenlähteenä). Ne käyttävät osan hiilihydraateista omaan kasvuunsa ja lisääntymiseensä. Se on aika hämmästyttävää, kun ajattelet asiaa – oletko käynyt Sequoian kansallispuistossa tai nähnyt luoteisrannikon punapuut? Massiivisia puita, eikö niin? Ajattele, että suurin osa tuosta massasta on hiilenä, joka on vedetty ilmasta hiilidioksidina!
Fotosynteesiprosessi on kaksiosainen. Ensin on valoreaktiot, joissa valo muutetaan kemialliseksi energiaksi (pelkistynyt elektroninkantaja ja ATP). Tämä tapahtuu kloroplastien tylakoideissa (pinotut kalvot). ATP:tä ja elektroninkantajia käytetään sitten toisessa reaktiosarjassa, jota kutsutaan valosta riippumattomiksi reaktioiksi. Tämäkin tapahtuu kloroplastien sisällä, mutta alueella, jota kutsutaan stroomaksi. Tällöin hiilidioksidista tuotetaan sokereita reaktiosarjassa, jota kutsutaan Calvinin sykliksi, C4-fotosynteesiksi ja raakahappoaineenvaihdunnaksi. Voit katsoa mistä tahansa biologian perusoppikirjasta, kuinka paljon ”energiaa” tai ”sokeria” tuotetaan kussakin prosessin vaiheessa.
Ei-fotosynteesissä polttoaine on kulutettava. Yleisin kemiallinen polttoaine on sokeri glukoosi (C6H12O6)… Myös muut molekyylit, kuten rasvat tai proteiinit, voivat tuottaa energiaa, mutta (yleensä) ne on ensin muunnettava glukoosiksi tai joksikin välituotteeksi, jota voidaan käyttää glukoosiaineenvaihdunnassa.
Tästä päästäänkin seuraavaan osaan – miten glukoosista saadaan ATP:tä? Tämä tapahtuu ”hapettumisprosessin” kautta – ja tämä tapahtuu useiden aineenvaihduntareittien kautta. Monimutkaiset kemialliset muunnokset solussa tapahtuvat sarjana erillisiä reaktioita kunkin reitin muodostamiseksi, ja kutakin reaktiota katalysoi tietty entsyymi. Mielenkiintoista on, että aineenvaihduntareitit ovat samanlaisia kaikissa eliöissä bakteereista ihmisiin. Eukaryooteissa (kasveissa ja eläimissä) monet aineenvaihduntareitit ovat lokeroituja, ja tietyt reaktiot tapahtuvat tietyissä organelleissa. Periaatteessa solut ottavat talteen glukoosin hajoamisesta (aineenvaihdunnasta) vapautuvaa ilmaista energiaa. Tämä energia jää loukkuun ATP:hen, kun se muuttuu ADP:stä ATP:ksi fosfaattia lisäämällä.
Glukoosista saatavan energian talteenottoon on 3 pääreittiä:
Glykolyysi – aloittaa glukoosiaineenvaihdunnan kaikissa soluissa tuottamalla 2 molekyyliä pyruvaattia. Tapahtuu mitokondrioiden ulkopuolella, yleensä sytoplasmassa.
Soluhengitys – käyttää ympäristöstä saatavaa happea ja muuttaa jokaisen pyruvaatin kolmeksi hiilidioksidimolekyyliksi samalla, kun se sitoo tässä prosessissa vapautuvan energian ATP:hen. Soluhengityksessä on kolme alatietä – pyruvaatin hapetus, sitruunahappokierto (Krebsin tai trikarboksyylihapon kierto) ja elektroninsiirtoketju. Tapahtuvat mitokondrioiden eri osakompartmenteissa.
Käyminen – muuttaa pyruvattia maitohapoksi tai etanoliksi; ei tarvitse happea. Ei ole yhtä tehokas kuin soluhengitys; tapahtuu sytoplasmassa.
Voit katsoa perusteksteistäsi, kuinka paljon ATP:tä tuotetaan, ja arvioida, kuinka monta ATP:tä käytetään verrattuna siihen, kuinka monta ATP:tä tuotetaan kussakin aineenvaihdunnan osa-alueessa
.