Antwoord 1:
U hebt een klassieke vraag in de biologie gesteld, en natuurlijk een zeer belangrijke vraag. Hoe levende wezens bruikbare energie produceren is niet alleen van belang om het leven te begrijpen, maar kan ons ook helpen om efficiëntere producten te ontwerpen voor het oogsten en produceren van energie – als we zouden kunnen “nabootsen” hoe levende cellen met hun energiebalans omgaan, zouden we onze technologie misschien enorm kunnen verbeteren. Een plant is bijvoorbeeld een veel betere oogster van zonlicht dan zelfs ons beste zonnepaneel. En natuurlijk, als we het gebruik van energie begrijpen, kan het ons ook helpen om menselijke ziekten zoals diabetes aan te pakken.
Nu, het antwoord op uw vraag kan worden gevonden in elk basis biologie leerboek, maar soms is er zoveel informatie verpakt in zo’n leerboek dat het moeilijk kan zijn om de informatie die u nodig hebt eruit te halen of vaker nog, om al die informatie in een groter verband te zien. Laten we proberen uw vraag in verschillende delen te behandelen.
Ten eerste moeten we weten wat ATP eigenlijk is – chemisch staat het bekend als adenosine trifosfaat. ATP is een bruikbare vorm van energie voor cellen – de energie is “gevangen” in een chemische binding die kan worden vrijgegeven en gebruikt om andere reacties aan te drijven die energie vereisen (endergonische reacties).
Fotosynthetische organismen gebruiken energie uit zonlicht om hun eigen brandstoffen te synthetiseren. Zij kunnen geoogst zonlicht omzetten in chemische energie (waaronder ATP) om vervolgens de synthese van koolhydraten uit kooldioxide en water aan te drijven. Bij de synthese van de koolhydraten komt zuurstof vrij. Wereldwijd wordt elk jaar meer dan 10 miljard ton koolstof door planten “vastgelegd” – dit betekent dat koolstofmoleculen worden omgezet van een deel van een eenvoudig gas (kooldioxide) in complexere, gereduceerde moleculen (koolhydraten), waardoor koolstof beschikbaar komt als voedsel voor niet-fotosynthesizers (en natuurlijk zuurstof levert). Zij gebruiken een deel van de koolhydraten voor hun eigen groei en voortplanting. Het is nogal opmerkelijk als je erover nadenkt – ben je wel eens in Sequoia National Park geweest of heb je de sequoia’s langs onze noordwestkust gezien? Enorme bomen, toch? Bedenk dat het grootste deel van die massa bestaat uit koolstof die als kooldioxide uit de lucht is gehaald!
Het proces van fotosynthese bestaat uit twee delen. Eerst zijn er de lichtreacties, waarbij licht wordt omgezet in chemische energie (een gereduceerde elektronendrager en ATP). Dit gebeurt in de thylakoïden (gestapelde membranen) van de chloroplasten. Het ATP en de elektronendragers worden vervolgens gebruikt in een tweede reeks reacties, de zogenaamde lichtonafhankelijke reacties. Dit gebeurt ook in de chloroplasten, maar in een gebied dat de stroma wordt genoemd. In dit geval wordt kooldioxide gebruikt om suikers te produceren in een reeks reacties die de Calvijncyclus, de C4-fotosynthese en het crassulaceenzuurmetabolisme worden genoemd. U kunt in elk basisboek over bio kijken om te zien hoeveel “energie” of “suiker” in elke stap van het proces wordt geproduceerd.
In niet-fotosynthesizers, moet de brandstof worden verbruikt. De meest voorkomende chemische brandstof is de suiker glucose (C6H12O6)… Andere moleculen, zoals vetten of eiwitten, kunnen ook energie leveren, maar (meestal) moeten ze eerst worden omgezet in glucose of een tussenproduct dat kan worden gebruikt in het glucosemetabolisme.
Nu brengt dit ons bij het volgende deel – hoe gaan we van glucose naar ATP? Dit wordt bereikt door het proces van “oxidatie” – en dit wordt uitgevoerd door middel van een reeks metabole paden. Complexe chemische omzettingen in de cel vinden plaats in een reeks van afzonderlijke reacties om elke route te vormen, en elke reactie wordt gekatalyseerd door een specifiek enzym. Interessant is dat de metabolische routes in alle organismen, van bacteriën tot mensen, vergelijkbaar zijn. In eukaryoten (planten en dieren) zijn veel van de metabolische routes gecompartimenteerd, waarbij bepaalde reacties in specifieke organellen plaatsvinden. In principe vangen cellen vrije energie op die vrijkomt bij de afbraak (metabolisme) van glucose. Deze energie wordt gevangen in het ATP als het wordt omgezet van ADP naar ATP door de toevoeging van fosfaat.
Er zijn 3 hoofdroutes voor het oogsten van energie uit glucose:
Glycolyse – begint glucose metabolisme in alle cellen om 2 moleculen van pyruvaat te produceren. Treedt op buiten de mitochondriën, gewoonlijk in het cytoplasma.
Cellulaire ademhaling – gebruikt zuurstof uit de omgeving en zet elk pyruvaat om in drie moleculen kooldioxide, terwijl de energie die bij dit proces vrijkomt, wordt vastgelegd in ATP. Er zijn 3 sub-pathways van cellulaire ademhaling – pyruvaatoxidatie, de citroenzuurcyclus (Krebs of Tricarboxylzuurcyclus) en de elektronentransportketen. Komt voor in verschillende subcompartimenten van mitochondriën.
Fermentatie – zet pyruvaat om in melkzuur of ethanol; heeft geen zuurstof nodig. Het is niet zo efficiënt als cellulaire ademhaling; het gebeurt in het cytoplasma.
In termen van hoeveel ATP wordt geproduceerd, kunt u kijken in uw basisteksten en beoordelen hoeveel ATP’s worden gebruikt versus hoeveel er worden geproduceerd voor elk aspect van het metabolisme