Odpowiedź 1:
Zadał Pan klasyczne pytanie z dziedziny biologii, oczywiście bardzo ważne. To, w jaki sposób żywe organizmy wytwarzają energię użytkową, jest ważne nie tylko z punktu widzenia zrozumienia życia, ale także może nam pomóc w zaprojektowaniu bardziej wydajnych produktów do zbierania i wytwarzania energii – gdybyśmy mogli „naśladować” to, jak żywe komórki radzą sobie z równowagą energetyczną, moglibyśmy znacznie ulepszyć naszą technologię. Na przykład, roślina jest o wiele lepszym zbieraczem światła słonecznego niż nawet nasz najlepszy panel słoneczny. I oczywiście, jeśli zrozumiemy wykorzystanie energii, może nam to również pomóc w radzeniu sobie z ludzkimi chorobami, takimi jak cukrzyca.
Teraz, odpowiedź na twoje pytanie można znaleźć w każdym podręczniku podstawowej biologii, ale czasami, jest tak wiele informacji zapakowanych w taki podręcznik, że może być trudno wydobyć informacje, których potrzebujesz lub częściej, aby zobaczyć wszystkie te informacje w szerszym kontekście. Spróbujmy zmierzyć się z twoim pytaniem w kilku częściach.
Po pierwsze, musimy wiedzieć, czym naprawdę jest ATP – chemicznie jest on znany jako adenozynotrójfosforan. ATP jest użyteczną formą energii dla komórek – energia jest „uwięziona” w wiązaniu chemicznym, które może być uwolnione i użyte do napędzania innych reakcji, które wymagają energii (reakcje endergoniczne).
Organizmy fotosyntetyzujące używają energii ze światła słonecznego do syntezy własnych paliw. Mogą one przekształcać zebrane światło słoneczne w energię chemiczną (w tym ATP), aby następnie napędzać syntezę węglowodanów z dwutlenku węgla i wody. Podczas syntezy węglowodanów uwalniany jest tlen. Na całym świecie ponad 10 miliardów ton węgla jest „wiązane” przez rośliny każdego roku – oznacza to, że cząsteczki węgla są przekształcane z prostego gazu (dwutlenek węgla) w bardziej złożone, zredukowane cząsteczki (węglowodany), co sprawia, że węgiel jest dostępny jako pożywienie dla organizmów nie będących fotosyntezatorami (i oczywiście dostarcza tlen). Niektóre z nich wykorzystują część węglowodanów do własnego wzrostu i rozmnażania. Jest to dość niezwykłe, gdy się nad tym zastanowić – czy byłeś w Parku Narodowym Sequoia lub widziałeś sekwoje wzdłuż naszego północno-zachodniego wybrzeża? Masywne drzewa, prawda? Pomyśl o tym, że większość z tej masy jest w postaci węgla, który został wyciągnięty z powietrza jako dwutlenek węgla!
Proces fotosyntezy jest dwuczęściowy. Po pierwsze, są reakcje świetlne, gdzie światło jest przekształcane w energię chemiczną (zredukowany nośnik elektronów i ATP). Dzieje się to w tylakoidach (ułożonych w stosy błonach) chloroplastów. ATP i nośniki elektronów są następnie wykorzystywane w drugiej grupie reakcji, zwanych reakcjami niezależnymi od światła. Reakcje te również zachodzą w chloroplastach, ale w obszarze zwanym stromą. W tym przypadku dwutlenek węgla jest wykorzystywany do produkcji cukrów w serii reakcji zwanych cyklem Calvina, fotosyntezą C4 i metabolizmem kwasu krasulowego. Możesz zajrzeć do każdego podstawowego podręcznika biologii, aby zobaczyć, ile „energii” lub „cukru” jest produkowane w każdym etapie procesu.
W nie-fotosyntetyzujących, paliwo musi być zużyte. Najbardziej powszechnym paliwem chemicznym jest cukier glukoza (C6H12O6)… Inne cząsteczki, takie jak tłuszcze czy białka, również mogą dostarczać energii, ale (zazwyczaj) muszą być najpierw przekształcone w glukozę lub jakiś półprodukt, który może być wykorzystany w metabolizmie glukozy.
Teraz to prowadzi nas do następnej części – jak przechodzimy od glukozy do ATP? Osiągamy to poprzez proces „utleniania” – a ten odbywa się poprzez szereg szlaków metabolicznych. Złożone przemiany chemiczne w komórce zachodzą w serii oddzielnych reakcji tworzących każdy szlak, a każda reakcja jest katalizowana przez specyficzny enzym. Co ciekawe, szlaki metaboliczne są podobne u wszystkich organizmów, od bakterii po człowieka. U eukariotów (roślin i zwierząt) wiele szlaków metabolicznych jest podzielonych na przedziały, z pewnymi reakcjami zachodzącymi w określonych organellach. Zasadniczo, komórki wychwytują darmową energię uwolnioną z rozpadu (metabolizmu) glukozy. Ta energia zostaje uwięziona w ATP, ponieważ przekształca się z ADP w ATP przez dodanie fosforanu.
Istnieją 3 główne szlaki pozyskiwania energii z glukozy:
Glikoliza – rozpoczyna metabolizm glukozy we wszystkich komórkach w celu wytworzenia 2 cząsteczek pirogronianu. Występuje poza mitochondriami, zwykle w cytoplazmie.
Oddddychanie komórkowe – wykorzystuje tlen z otoczenia i przekształca każdy pirogronian w trzy cząsteczki dwutlenku węgla, jednocześnie zatrzymując energię uwolnioną w tym procesie w ATP. Istnieją 3 podścieżki oddychania komórkowego – utlenianie pirogronianu, cykl kwasu cytrynowego (Krebsa lub kwasu trójkarboksylowego) i łańcuch transportu elektronów. Występuje w różnych subprzedziałach mitochondriów.
Fermentacja – przekształca pirogronian w kwas mlekowy lub etanol; nie potrzebuje tlenu. Nie jest tak wydajna jak oddychanie komórkowe; zachodzi w cytoplazmie.
Jeśli chodzi o to, ile ATP jest wytwarzane, można zajrzeć do podstawowych tekstów i ocenić, ile ATP jest zużywane w porównaniu z tym, ile jest wytwarzane dla każdego aspektu metabolizmu
.