Válasz 1:
Az Ön által feltett kérdés a biológia klasszikus, és természetesen nagyon fontos kérdése. Az, hogy az élőlények hogyan termelnek hasznosítható energiát, nem csak az élet megértése szempontjából fontos, hanem segíthet abban is, hogy hatékonyabb energiagyűjtő és -termelő termékeket tervezzünk – ha “utánozni” tudnánk, hogy az élő sejtek hogyan kezelik az energiaegyensúlyukat, akkor talán jelentősen javíthatnánk a technológiánkon. Egy növény például sokkal jobban hasznosítja a napfényt, mint a legjobb napelemünk. És persze, ha megértjük az energiafelhasználást, az segíthet az olyan emberi betegségek kezelésében is, mint a cukorbetegség.
Most, a kérdésére a választ bármelyik alapvető biológia tankönyvben megtalálhatja, de néha olyan sok információ van egy ilyen tankönyvbe csomagolva, hogy nehéz lehet kivenni belőle a szükséges információkat, vagy ami még gyakrabban előfordul, hogy az összes információt nagyobb összefüggésbe kell helyezni. Próbáljuk meg több részletben kezelni a kérdését.
Először is tudnunk kell, mi is az ATP valójában – kémiailag adenozin-trifoszfát néven ismert. Az ATP a sejtek számára hasznosítható energiaforma – az energia egy kémiai kötésben van “csapdába ejtve”, amely felszabadítható és felhasználható más, energiát igénylő reakciók (endergonikus reakciók) meghajtására.
A fotoszintetikus szervezetek a napfény energiáját használják fel saját üzemanyaguk szintéziséhez. A begyűjtött napfényt kémiai energiává (beleértve az ATP-t is) tudják alakítani, hogy aztán szén-dioxidból és vízből szénhidrátok szintézisét hajtsák végre. A szénhidrátok szintézisekor oxigén szabadul fel. Világszerte évente több mint 10 milliárd tonna szenet “kötnek meg” a növények – ez azt jelenti, hogy a szénmolekulákat egy egyszerű gáz (szén-dioxid) részéből összetettebb, redukált molekulákká (szénhidrátokká) alakítják át, így a szén a nem fotoszintetizáló növények számára táplálékként elérhetővé válik (és természetesen oxigént biztosít). A szénhidrát egy részét saját növekedésükhöz és szaporodásukhoz használják fel. Ez elég figyelemre méltó, ha belegondolunk – járt már a Sequoia Nemzeti Parkban, vagy látta a mamutfenyőket északnyugati partjaink mentén? Hatalmas fák, igaz? Gondoljunk csak bele, hogy ennek a tömegnek a nagy része szén formájában van, amelyet szén-dioxid formájában vontak ki a levegőből!
A fotoszintézis folyamata két részből áll. Először is vannak a fényreakciók, ahol a fényt kémiai energiává (redukált elektronhordozóvá és ATP-vé) alakítják. Ez a kloroplasztiszok tilakoidjaiban (egymásra épülő membránok) történik. Az ATP-t és az elektronhordozókat ezután a reakciók második csoportjában, az úgynevezett fényfüggetlen reakciókban használják fel. Ez szintén a kloroplasztiszokban történik, de egy sztróma nevű területen. Ebben az esetben a szén-dioxidot cukrok előállítására használják fel a Calvin-ciklusnak, a C4-fotoszintézisnek és a krassav-metabolizmusnak nevezett reakciósorozatban. Bármelyik alapvető biológia tankönyvben megnézheted, hogy mennyi “energia” vagy “cukor” keletkezik a folyamat egyes lépéseiben.
A nem fotoszintetizáló növényeknél az üzemanyagot el kell fogyasztani. A leggyakoribb kémiai üzemanyag a cukor, a glükóz (C6H12O6)… Más molekulák, például a zsírok vagy a fehérjék is szolgáltathatnak energiát, de (általában) előbb át kell alakítani őket glükózzá vagy valamilyen köztes anyaggá, amely felhasználható a glükóz-anyagcserében.
Ezzel elérkeztünk a következő részhez – hogyan jutunk el a glükózból ATP-be? Ez az “oxidáció” folyamatán keresztül valósul meg – és ez egy sor anyagcsere-útvonalon keresztül történik. A sejtben zajló összetett kémiai átalakulások az egyes útvonalakat alkotó különálló reakciók sorozatában mennek végbe, és minden egyes reakciót egy adott enzim katalizál. Érdekes módon az anyagcsere-útvonalak minden szervezetben hasonlóak, a baktériumoktól az emberig. Az eukariótákban (növények és állatok) sok anyagcsereútvonal kompartmentális, bizonyos reakciók meghatározott organellumokban játszódnak le. Alapvetően a sejtek a glükóz lebontásából (anyagcseréjéből) felszabaduló szabad energiát csapdába ejtik. Ez az energia az ATP-ben reked, ahogy ADP-ből foszfát hozzáadásával ATP-vé alakul át.
A glükózból származó energia kinyerésének 3 fő útvonala van:
Glikolízis – minden sejtben megkezdődik a glükóz-anyagcsere 2 molekula piruvát előállításával. A mitokondriumokon kívül, általában a citoplazmában zajlik.
Celluláris légzés – a környezetből származó oxigént használja fel, és minden egyes piruvátot három molekula szén-dioxiddá alakít át, miközben a folyamat során felszabaduló energiát ATP-ben csapdázza. A sejtlégzésnek 3 alfolyamata van – a piruvátoxidáció, a citromsav (Krebs- vagy trikarbonsav) ciklus és az elektrontranszportlánc. A mitokondriumok különböző alkompartmentumaiban zajlik.
Fermentáció – a piruvátot tejsavvá vagy etanollá alakítja; nem igényel oxigént. Nem olyan hatékony, mint a sejtlégzés; a citoplazmában történik.
Azzal kapcsolatban, hogy mennyi ATP termelődik, megnézheted az alapszövegekben, és felmérheted, hogy az anyagcsere egyes aspektusaihoz mennyi ATP-t használnak fel versus mennyi ATP-t termelnek
.