Svar 1:
Du har ställt en klassisk fråga inom biologin, och naturligtvis en mycket viktig fråga. Hur levande organismer producerar användbar energi är viktigt inte bara ur perspektivet att förstå livet, utan det skulle också kunna hjälpa oss att utforma effektivare produkter för att samla in och producera energi – om vi kunde ”efterlikna” hur levande celler hanterar sin energibalans skulle vi kanske kunna förbättra vår teknik avsevärt. Till exempel är en växt en mycket bättre skördare av solljus än till och med vår bästa solpanel. Och om vi förstår energianvändningen kan det naturligtvis också hjälpa oss att hantera mänskliga sjukdomar som diabetes.
Svaret på din fråga kan du hitta i vilken grundläggande biologilärobok som helst, men ibland finns det så mycket information packad i en sådan lärobok att det kan vara svårt att få fram den information du behöver, eller oftare, att se all denna information i ett större sammanhang. Låt oss försöka ta itu med din fråga i flera delar.
Först måste vi veta vad ATP egentligen är – kemiskt sett är det känt som adenosintrifosfat. ATP är en användbar form av energi för cellerna – energin är ”fångad” i en kemisk bindning som kan frigöras och användas för att driva andra reaktioner som kräver energi (endergoniska reaktioner).
Fotosyntetiska organismer använder energi från solljus för att syntetisera sina egna bränslen. De kan omvandla skördat solljus till kemisk energi (inklusive ATP) för att sedan driva syntesen av kolhydrater från koldioxid och vatten. När de syntetiserar kolhydraterna frigörs syre. Globalt sett ”fixeras” mer än 10 miljarder ton kol av växter varje år – detta innebär att kolmolekyler omvandlas från att vara en del av en enkel gas (koldioxid) till mer komplexa, reducerade molekyler (kolhydrater), vilket gör att kolet blir tillgängligt som föda för icke-fotosyntetiserande organismer (och naturligtvis ger syre). De använder en del av kolhydraterna för sin egen tillväxt och reproduktion. Det är ganska anmärkningsvärt när man tänker på det – har du varit i Sequoia National Park eller sett redwoods längs vår nordvästkust? Massiva träd, eller hur? Tänk på att det mesta av den massan är i form av kol som dragits ut ur luften som koldioxid!
Fotosyntesprocessen är tvådelad. Först finns ljusreaktionerna, där ljuset omvandlas till kemisk energi (en reducerad elektronbärare och ATP). Detta sker i kloroplasternas thylakoider (staplade membran). ATP och elektronbärarna används sedan i en andra uppsättning reaktioner, som kallas ljusoberoende reaktioner. Detta sker också i kloroplasterna, men i ett område som kallas stroma. I det här fallet används koldioxid för att producera sockerarter i en serie reaktioner som kallas Calvincykeln, C4-fotosyntes och crassulacansyrametabolism. Du kan titta i vilken grundläggande lärobok om bio som helst för att se hur mycket ”energi” eller ”socker” som produceras i varje steg i processen.
I icke-fotosyntetiska organismer måste bränslet förbrukas. Det vanligaste kemiska bränslet är sockret glukos (C6H12O6)… Andra molekyler, till exempel fetter eller proteiner, kan också leverera energi, men (vanligtvis) måste de först omvandlas till glukos eller någon mellanprodukt som kan användas i glukosmetabolismen.
Detta för oss till nästa del – hur går vi från glukos till ATP? Detta sker genom processen ”oxidation” – och detta sker genom en rad metaboliska vägar. Komplexa kemiska omvandlingar i cellen sker i en serie separata reaktioner för att bilda varje väg, och varje reaktion katalyseras av ett specifikt enzym. Intressant nog är metaboliska vägar likartade i alla organismer, från bakterier till människor. I eukaryoter (växter och djur) är många av de metaboliska vägarna uppdelade i fack, där vissa reaktioner sker i specifika organeller. I grund och botten fångar cellerna fri energi som frigörs från nedbrytningen (metabolismen) av glukos. Denna energi fastnar i ATP när det omvandlas från ADP till ATP genom tillsats av fosfat.
Det finns tre huvudsakliga vägar för att utvinna energi ur glukos:
Glykolys – påbörjar glukosmetabolismen i alla celler för att producera 2 molekyler pyruvat. Förekommer utanför mitokondrierna, vanligtvis i cytoplasman.
Cellulär respiration – använder syre från omgivningen och omvandlar varje pyruvat till tre molekyler koldioxid samtidigt som den energi som frigörs i denna process fångas upp i ATP. Det finns tre undervägar för cellulär respiration – pyruvatoxidation, citronsyracykeln (Krebs- eller trikarboxylsyracykeln) och elektrontransportkedjan. Förekommer i olika underavdelningar av mitokondrier.
Fermentering – omvandlar pyruvat till mjölksyra eller etanol; behöver inte syre. Den är inte lika effektiv som den cellulära respirationen; den sker i cytoplasman.
Inom hur mycket ATP som produceras kan du titta i dina grundtexter och bedöma hur många ATP som används jämfört med hur många som produceras för varje aspekt av ämnesomsättningen
.