6.1 Orka og efnaskipti

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta munt þú geta gert eftirfarandi:

• Útskýra efnaskiptaferla og lýsa tveimur megintegundum þeirra
• Ræða hvernig efnahvörf gegna hlutverki í orkuflutningi

Vísindamenn nota hugtakið líforkufræði til að fjalla um orkuflæði (mynd 6.2) í lifandi kerfum, svo sem frumum. Frumuferli á borð við uppbyggingu og niðurbrot flókinna sameinda fara fram í þrepaskiptum efnahvörfum. Sum þessara efnahvarfa ganga sjálfkrafa og losa orku, en önnur krefjast orku til að geta átt sér stað. Rétt eins og lífverur verða stöðugt að neyta fæðu til að endurnýja það sem þær hafa notað verða frumur stöðugt að afla meiri orku til að endurnýja orkuna sem fjölmörg orkukrefjandi efnahvörf nota. Öll efnahvörf sem eiga sér stað inni í frumum, þar á meðal þau sem nota og losa orku, mynda efnaskipti frumunnar.

Efnaskipti kolvetna

Efnaskipti sykurs, einfalds kolvetnis, eru klassískt dæmi um hin mörgu frumuferli sem nota og framleiða orku. Lífverur neyta sykurs sem mikilvægs orkugjafa vegna þess að sykursameindir geyma umtalsverða orku í efnatengjum sínum. Eftirfarandi jafna lýsir niðurbroti glúkósa, sem er einfaldur sykur:

Kolvetni sem neytt er eiga uppruna sinn í ljóstillífandi lífverum, til dæmis plöntum (mynd 6.3). Við ljóstillífun nota plöntur orku sólarljóss til að breyta koltvíoxíðgasi (CO₂) í sykursameindir, svo sem glúkósa (C₆H₁₂O₆). Þar sem þetta ferli felur í sér nýmyndun stærri sameindar sem geymir orku krefst það orkuinntaks til að ganga. Eftirfarandi jafna, sem er öfug við fyrri jöfnuna, lýsir nýmyndun glúkósa:

Í ljóstillífunarhvörfum er orka tímabundið á formi mjög orkuríkrar sameindar sem kallast ATP, eða adenósínþrífosfat. ATP er meginorkugjaldmiðill allra frumna. Rétt eins og dollarinn er gjaldmiðill sem fólk notar til að kaupa vörur nota frumur ATP-sameindir sem orkugjaldmiðil til að framkvæma tafarlausa vinnu. Sykurinn glúkósi er geymdur sem sterkja eða glýkógen. Orkugeymandi fjölliður eins og þessar brotna niður í glúkósa til að útvega ATP-sameindir.

Sólarorka er nauðsynleg til að nýmynda glúkósasameind í ljóstillífun. Í ljóstillífun umbreytist ljósorka frá sólinni fyrst í efnaorku sem geymist tímabundið í orkuberunum ATP og NADPH (níkótínamíð-adenín-dínúkleótíðfosfat). Síðar notar ljóstillífun orkuna sem geymd er í ATP og NADPH til að byggja eina glúkósasameind úr sex sameindum CO₂. Þetta má líkja við að borða morgunmat til að afla líkamanum orku sem hægt er að nota síðar um daginn. Við kjöraðstæður þarf orku frá 18 ATP-sameindum til að nýmynda eina glúkósasameind í ljóstillífun. Glúkósasameindir geta einnig sameinast og orðið að öðrum sykrum. Þegar lífvera neytir sykurs berast glúkósasameindir að lokum inn í hverja lifandi frumu lífverunnar. Inni í frumunni brotnar hver sykursameind niður í flókinni röð efnahvarfa. Markmið hvarfanna er að beisla orkuna sem geymd er í sykursameindunum. Beisluð orka myndar orkuríkar ATP-sameindir sem vinna verk og knýja mörg efnahvörf í frumunni. Orkumagnið sem þarf til að búa til eina glúkósasameind úr sex koltvíoxíðsameindum er 18 ATP-sameindir og 12 NADPH-sameindir, en hver NADPH-sameind jafngildir orkulega þremur ATP-sameindum. Samtals þarf því 54 sameindaígildi til að nýmynda eina glúkósasameind. Þetta ferli er grundvallarleið og skilvirk leið fyrir frumur til að mynda þá sameindaorku sem þær þurfa.

Efnaskiptaferlar

Ferlin sem byggja upp og brjóta niður sykursameindir sýna tvær tegundir efnaskiptaferla. Efnaskiptaferill er röð tengdra lífefnafræðilegra hvarfa sem breyta einni eða fleiri hvarfefnissameindum, skref fyrir skref, í gegnum röð milliefna og skila að lokum einni eða fleiri lokaafurðum. Í efnaskiptum sykurs nýmyndar annar ferillinn sykur úr minni sameindum en hinn brýtur sykur niður í minni sameindir. Þessi tvö andstæðu ferli kallast uppbyggingarferlar og niðurbrotsferlar. Uppbyggingarferlar krefjast orku en niðurbrotsferlar losa orku. Efnaskipti samanstanda því af uppbyggingu og niðurbroti.

Þróunartenging

Þróun efnaskiptaferla

Flækjustig efnaskipta felst í meira en því að skilja einstaka efnaskiptaferla. Það er breytilegt milli lífvera. Ljóstillífun er meginferlið þar sem ljóstillífandi lífverur, svo sem plöntur, beisla orku sólarinnar og breyta henni í kolvetni. Svifþörungar framkvæma meirihluta ljóstillífunar á jörðinni. Hliðarafurð ljóstillífunar er súrefni sem sumar frumur þurfa til að framkvæma frumuöndun. Við frumuöndun hjálpar súrefni til við niðurbrot kolefnissambanda, svo sem kolvetna. Afurðirnar eru meðal annars CO₂ og ATP. Sumir heilkjörnungar framkvæma einnig niðurbrotsferla án súrefnis, það er gerjun; þeir nota loftfirrt efnaskipti.

Lífverur þróuðu líklega með sér loftfirrt efnaskipti til að lifa af. Líf varð til fyrir um 3,8 milljörðum ára, þegar andrúmsloftið skorti súrefni. Þrátt fyrir mun á lífverum og flækjustigi efnaskipta hafa vísindamenn komist að því að allar greinar lífsins deila sumum sömu efnaskiptaferlunum. Það bendir til þess að allar lífverur hafi þróast frá sama forna sameiginlega forföður (mynd 6.4). Vísbendingar benda til þess að ferlarnir hafi með tímanum greinst í sundur og bætt við sérhæfðum ensímum sem gerðu lífverum kleift að aðlagast umhverfi sínu betur og auka þannig lífslíkur sínar. Grundvallarreglan er þó sú að allar lífverur verða að beisla orku úr umhverfi sínu og breyta henni í ATP til að framkvæma frumustarfsemi.

Uppbyggingar- og niðurbrotsferlar

Uppbyggingarferlar krefjast orkuinntaks til að nýmynda flóknar sameindir úr einfaldari sameindum. Nýmyndun sykurs úr CO₂ er eitt dæmi. Önnur dæmi eru nýmyndun stórra próteina úr amínósýrubyggingareiningum og nýmyndun nýrra DNA-þráða úr kjarnsýrubyggingareiningum. Þessi lífsmíðandi ferli eru mikilvæg fyrir líf frumunnar, eiga sér stað stöðugt og krefjast orku sem ATP og aðrar orkuríkar sameindir, svo sem NADH (níkótínamíð-adenín-dínúkleótíð) og NADPH, veita (mynd 6.5).

ATP er mikilvæg sameind sem frumur þurfa alltaf að hafa í nægu magni. Niðurbrot sykurs sýnir hvernig ein glúkósasameind getur geymt næga orku til að mynda mikið magn ATP, 36 til 38 sameindir. Þetta er niðurbrotsferill. Niðurbrotsferlar fela í sér sundrun, eða niðurbrot, flókinna sameinda í einfaldari sameindir. Sameindaorka sem geymd er í tengjum flókinna sameinda losnar í niðurbrotsferlum og er beisluð þannig að hún getur framleitt ATP. Aðrar orkugeymandi sameindir, svo sem fita, brotna einnig niður í svipuðum niðurbrotshvörfum til að losa orku og mynda ATP (mynd 6.5).

Mikilvægt er að vita að efnahvörf efnaskiptaferla eiga sér ekki stað sjálfkrafa. Prótein sem kallast ensím auðvelda eða hvata hvert skref hvarfsins. Ensím eru mikilvæg til að hvata allar gerðir líffræðilegra hvarfa, bæði þau sem krefjast orku og þau sem losa orku.