Risposta 1:
Hai posto una domanda classica in biologia, e naturalmente molto importante. Come gli esseri viventi producono energia utilizzabile è importante non solo dal punto di vista della comprensione della vita, ma potrebbe anche aiutarci a progettare prodotti per la raccolta e la produzione di energia più efficienti – se potessimo “imitare” come le cellule viventi gestiscono il loro bilancio energetico, potremmo essere in grado di migliorare notevolmente la nostra tecnologia. Per esempio, una pianta è un raccoglitore di luce solare molto migliore anche del nostro miglior pannello solare. E naturalmente, se capiamo l’uso dell’energia, questo può anche aiutarci a trattare le malattie umane come il diabete.
Ora, la risposta alla tua domanda può essere trovata in qualsiasi libro di testo di biologia di base, ma a volte, ci sono così tante informazioni racchiuse in un libro di testo che può essere difficile estrarre le informazioni di cui hai bisogno o più spesso, visualizzare tutte quelle informazioni in un contesto più ampio. Cerchiamo di affrontare la tua domanda in più parti.
Prima di tutto, dobbiamo sapere cos’è veramente l’ATP – chimicamente, è conosciuto come adenosina trifosfato. L’ATP è una forma utilizzabile di energia per le cellule – l’energia è “intrappolata” in un legame chimico che può essere rilasciato e utilizzato per guidare altre reazioni che richiedono energia (reazioni endergoniche).
Gli organismi fotosintetici utilizzano l’energia della luce solare per sintetizzare i propri combustibili. Possono convertire la luce solare raccolta in energia chimica (compreso l’ATP) per poi guidare la sintesi dei carboidrati dall’anidride carbonica e dall’acqua. Quando sintetizzano i carboidrati, l’ossigeno viene rilasciato. Globalmente, più di 10 miliardi di tonnellate di carbonio sono “fissate” dalle piante ogni anno – questo significa che le molecole di carbonio sono convertite da essere parte di un gas semplice (anidride carbonica) in molecole più complesse e ridotte (carboidrati), rendendo il carbonio disponibile come cibo per i non-fotosintetizzatori (e naturalmente, fornendo ossigeno). Usano una parte dei carboidrati per la propria crescita e riproduzione. È piuttosto notevole se ci pensate – siete stati al Sequoia National Park o avete visto le sequoie lungo la nostra costa nord-occidentale? Alberi enormi, vero? Pensate al fatto che la maggior parte di quella massa è sotto forma di carbonio che è stato estratto dall’aria come anidride carbonica!
Il processo di fotosintesi è in due parti. In primo luogo, ci sono le reazioni luminose, in cui la luce viene convertita in energia chimica (un trasportatore di elettroni ridotto e ATP). Questo avviene nei tilakoidi (membrane impilate) dei cloroplasti. L’ATP e i trasportatori di elettroni sono poi usati in una seconda serie di reazioni, chiamate reazioni indipendenti dalla luce. Anche questo avviene nei cloroplasti, ma in una zona chiamata stroma. In questo caso, l’anidride carbonica viene usata per produrre zuccheri in una serie di reazioni chiamate ciclo di Calvin, fotosintesi C4 e metabolismo degli acidi crassulacei. Puoi guardare in qualsiasi libro di testo di biologia di base per vedere quanta “energia” o “zucchero” viene prodotta in ogni fase del processo.
Nei non-fotosintetizzatori, il carburante deve essere consumato. Il combustibile chimico più comune è lo zucchero glucosio (C6H12O6)… Anche altre molecole, come i grassi o le proteine, possono fornire energia, ma (di solito) devono prima essere convertite in glucosio o in qualche intermedio che può essere utilizzato nel metabolismo del glucosio.
Ora questo ci porta alla parte successiva – come si passa dal glucosio all’ATP? Questo si ottiene attraverso il processo di “ossidazione” – e questo avviene attraverso una serie di vie metaboliche. Le trasformazioni chimiche complesse nella cellula avvengono in una serie di reazioni separate per formare ogni percorso, e ogni reazione è catalizzata da un enzima specifico. È interessante notare che le vie metaboliche sono simili in tutti gli organismi, dai batteri agli esseri umani. Negli eucarioti (piante e animali) molte delle vie metaboliche sono compartimentate, con certe reazioni che avvengono in specifici organelli. Fondamentalmente, le cellule intrappolano l’energia libera rilasciata dalla scomposizione (metabolismo) del glucosio. Questa energia viene intrappolata nell’ATP quando si converte da ADP in ATP mediante l’aggiunta di fosfato.
Ci sono 3 vie principali per raccogliere energia dal glucosio:
Glicolisi – inizia il metabolismo del glucosio in tutte le cellule per produrre 2 molecole di piruvato. Si verifica al di fuori dei mitocondri, di solito nel citoplasma.
Respirazione cellulare – utilizza l’ossigeno dall’ambiente e converte ogni piruvato in tre molecole di anidride carbonica, intrappolando l’energia rilasciata in questo processo in ATP. Ci sono 3 sottopassaggi della respirazione cellulare – l’ossidazione del piruvato, il ciclo dell’acido citrico (Krebs o acido tricarbossilico) e la catena di trasporto degli elettroni. Si verifica in diversi sottocompartimenti dei mitocondri.
Fermentazione – converte il piruvato in acido lattico o etanolo; non ha bisogno di ossigeno. Non è efficiente come la respirazione cellulare; si verifica nel citoplasma.
In termini di quanto ATP è prodotto, puoi guardare nei tuoi testi di base e valutare quanti ATP sono usati contro quanti sono prodotti per ogni aspetto del metabolismo
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