Aineenvaihdunta tarkoittaa elämää ylläpitäviä kemiallisia reaktioita eliöissä. Se voidaan jakaa kahteen luokkaan:
- Anaboliset reaktiot rakentavat pienemmistä molekyyleistä isompia, eli se vaatii energiaa
- Kataboliset reaktiot taas pilkkoo isoista molekyyleistä pieniä, eli se vapauttaa energiaa
Kemosynteesi
Yksi mahdollinen yhteyttämismuoto on ilman happea tapahtuva kemosynteesi. Siinä energiaa (eli ATP:tä) saadaan hapettamalla epäorgaanisia yhdisteitä, kuten vetykaasua, orgaanisiksi yhdisteiksi. Kemosynteesiä käyttävät mm. maaperän bakteerit ja syvänmeren arkeonit paikoissa, jossa auringon valoa ei ole saatavilla.
ATP-molekyyli (eli adenosiinitrifosfaatti) on kuin eliömaailman universaali energiavaluutta: Jos jokin reaktio luovuttaa energiaa, se saa aikaan ADP-nukleiinihapon muuttumaan ATP:ksi. Siihen varastoitunutta energiaa voidaan siten kuljettaa sinne, missä sitä ikinä tarvitaan.
Fotosynteesi
Toinen esimerkki anabolisesta eli kokoavasta reaktiosta on fotosynteesi eli valolla yhteyttäminen:
vedestä ja hiilidioksidista luodaan auringon energian avulla glukoosia eli sokeria ja happea.
Fotosynteesin tehokkuuteen vaikuttaa:
- hiilidioksidin määrä (mitä enemmän, sitä tehokkaampaa fotosynteesi on)
- veden määrä (mitä enemmän, sitä tehokkaampaa fotosynteesi on)
- lämpötila (kasvien optimaalinen lämpötila keskimäärin 20-30 astetta)
- ravinteet (varsinkin typpi ja fosfori ovat monesti minimiravinteita)
- valon määrä ja aallonpituus (tehokkaiten käytetään punaista ja sinistä valoa, vihreä valo heijastuu pois)
Tämä reaktio tapahtuu siis kasvisolujen viherhiukkasissa, ja on kaksivaiheinen: siihen kuuluu valo- ja pimeäreaktiot.
Valoreaktio
Valoreaktio tapahtuu viherhiukkasen sisäkalvostolla. Siinä vesi muutetaan auringon valosta saadulla energialla hapeksi fotolyysissä ja siitä jäljelle jäävät vedyt sekä ATP-molekyylit siirtyvät pimeäreaktioihin.
Pimeäreaktio
Pimeäreaktio tapahtuu viherhiukkasen kalvostojen välitilassa, eikä se tarvitse auringon valoa. ATP:n energian avulla hiilidioksidista ja vedystä (joka saatiin myös valoreaktiossa) saadaan glukoosia.
Nämä olivat siis anabolisia reaktioita. Katabolisesta reaktiosta esimerkkinä kävisi soluhengitys ja käymisreaktiot.
Soluhengitys
Soluhengitys on kuin käänteinen reaktio fotosynteesille: hapesta ja glukoosista saadaan vettä, hiilidioksidia ja energiaa ATP:n muodossa. Mutta valitettavasti tämäkään reaktio ei ole liian yksinkertainen.
Koko prosessi voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: glykolyysiin, sitruunahappokiertoon sekä elektroninsiirtoketjuun.
1. Glykolyysi
Glykolyysi tapahtuu solulimassa ja on anaerobinen. Siinä glukoosi hajotetaan kahdeksi pyruvaatiksi eli palorypälehappo-molekyyliksi. Tämä tuottaa jo vähän energiaa (2 ATP molekyyliä) sekä vetyä.
2. Sitruunahappokierto
Sitten nämä pyruvaatti-molekyylit siirtyvät mitokondrioon ja ne hapetetaan asetyylikoentsyymin-A:ksi. Sitruunahappokierrossa asetyylikoentsyymi-A hajoaa sitruunahapoksi vapauttaen hiilidioksidia ja vetyä tuottaen jonkin verran energiaa.
3. Elektroninsiirtoketju
Viimeisessä soluhengityksen vaiheessa käytetään aiemmin syntynyttä vetyä. Mitokondrion eri kalvostojen välisiä vedyn väkevyyspitoisuuksia hyödyntämällä tuotetaan runsaasti energiaa. Lopuksi happi yhtyy vetyihin tuottaen vettä.
Näin siis aitotumaisissa, kun happea riittää. Mutta miten esitumaiset tuottaa energiaa, kun niillähän ei ole mitokondriota?
Käyminen
Esitumaiset saavat energiansa käymisreaktiolla, joka on anaerobinen, eli se ei tarvitse toimiakseen happea. Niissä glukoosi hajoaa ensiksi pyruvaatiksi glykolyysissä aivan kuten soluhengityksessäkin (sehän tapahtui solulimassa, ei mitokondriossa).
Jos kyseessä on esimerkiksi hiiva, se jatkaa reaktiota muuttamalla pyruvaatti-molekyylit etanoliksi. Tämän takia tätä kutsutaan alkoholikäymiseksi. Toisaalta, esimerkiksi maitohappobakteerit muuttavat pyruvaatit maitohapoiksi maitohappokäymisessä. Nämä käymisreaktiot tuottavat kuitenkin huomattavasti vähemmän energiaa kuin soluhengitys.
Itse asiassa me ihmisetkin pystymme käyttämään maitohappokäymistä saadaksemme energiaa. Jos kovan urheilusuorituksen aikana happi loppuu luustolihassoluissa, ne jatkavat ATP:n tuottoa maitohappokäymisellä. Maitohappo alkaa kuitenkin kertymään soluun ja sanommekin, että ”jalat meni hapoille”.