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¿Podría el hidrógeno reemplazar al oxígeno en la respiración celular?

¿Podría el hidrógeno reemplazar al oxígeno en la respiración celular?


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Me preguntaba qué hace realmente el oxígeno en el cuerpo. He visto algunas respuestas a otras preguntas que involucran la cadena de electrones y realmente no estoy seguro de qué es eso. Entonces me preguntaba qué hace el oxígeno y ¿podría el hidrógeno hacer lo mismo como sustituto?


No, el hidrógeno no puede reemplazar al oxígeno porque tiene características completamente diferentes. El más importante es probablemente su electronegatividad: el oxígeno "tira" de los electrones mucho más "más fuertes" que el hidrógeno.

Conceptos básicos: potencial de reducción

El oxígeno es el llamado aceptor de electrones terminal de la cadena de transporte de electrones en eucariotas. Puede ver el "potencial de reducción" como un tipo de "energía" almacenada que tienen las moléculas, similar a la energía almacenada en las baterías (muy similar en realidad). Para hacer este texto un poco más corto, lo llamaré "RP" de ahora en adelante.

Un detalle quizás confuso es que una sustancia con bajo RP tiene "más energía" que una sustancia con alto RP, por lo que es la forma opuesta de pensar.

En términos muy generalizados, el metabolismo significa que las moléculas con un RP (glucosa) bajo se oxidan (queman) y se convierten en moléculas con RP (CO2). Unido a esto, una molécula diferente con RP (oxígeno) muy alta se reduce y se convierte en una molécula con RP (H2O). (Es posible que haya escuchado esto antes, se llama reacción redox). *

Lo importante es que el RP "liberado" por la oxidación (quema) es mayor que el RP "absorbido" por la reducción. El excedente se va en forma de energía: calor y luz si solo quema la glucosa. Este es un proceso espontáneo, lo que significa que ocurrirá por sí solo, incluso si toma un largo tiempo si nadie deja caer un fósforo en él.

La idea del metabolismo es permitir que ese proceso ocurra, pero use la mayor cantidad posible de energía que libera. Esto funciona no solo dejando que se queme, sino interceptando ese proceso de grabación en diferentes etapas para que en cada paso se pueda quitar un poco del RP y almacenarlo en otra cosa. Este "algo más" es NAD que estoy seguro de que ha encontrado antes. Cada paso que se quema la glucosa, se produce otro poco de NADH, que luego tiene un potencial de reducción respetable.

NADH (omitiendo NADPH aquí, que es un poco diferente) se canaliza en un proceso llamado fosforilación oxidativa que recupera el potencial de reducción en una forma real de energía.

Conceptos básicos: aceptor terminal de electrones

Finalmente, el potencial de reducción del que he estado hablando todo el tiempo es realmente solo electrones, involucrados en enlaces que están "felices" de reaccionar. Transmitir el potencial de reducción, como he explicado, es realmente una transmisión de electrones a enlaces cada vez más estables y menos reactivos. Por eso se llama "cadena de transporte de electrones". Al final de la fosforilación oxidativa, esos electrones caen sobre O2 y conviértelo en H2O. Por eso O2 se denomina "aceptor terminal de electrones".

Por qué el hidrógeno no puede reemplazar al oxígeno

Ahora volvamos a por qué el hidrógeno no puede realizar la función del oxígeno en nuestro cuerpo. Usamos la glucosa como nuestra fuente de poder de reducción y el oxígeno como nuestro aceptor terminal de electrones. O tiene una alta electronegatividad (3.5) por lo que atrae electrones fuertemente hacia él. La electronegatividad de H es solo 2.1, por lo que es mucho más débil. El O como aceptor terminal de electrones funciona porque los atrae mucho más fuerte que el H cuando se unen, por lo que un enlace O-H es casi como dar oxígeno a un electrón. Para que el gas hidrógeno (H2) para realizar la misma función, debería ser posible dejar caer electrones sobre el hidrógeno en un enlace donde los atrae mucho más fuerte que el otro socio. Existen, y tales compuestos se llaman hidruros. Pero el problema es: a diferencia de H2O, estos son normalmente agentes reductores fuertes, lo que significa que el hidrógeno preferiría no estar en ese enlace. Esta no es una opción factible para la respiración celular, al menos en humanos, porque requiere mucha entrada de RP. Convertir oxígeno en H2O hace no requiere mucho, es un aceptor de electrones muy barato.

Espero haber podido expresar esto en términos comprensibles. Avísame si necesito aclarar algo.

--

* Funciona con otras moléculas además de glucosa-> CO2 / O2-> H2O también, muchos procariotas hacen eso y, de hecho, así es como funcionan las baterías.


Yo diría que si bien no se puede simplemente reemplazar el oxígeno con hidrógeno y esperar que la vida continúe normalmente, es posible que los seres vivos sean provistos energéticamente por H2 si se encontrara en el medio ambiente en abundancia. Esto es solo una especulación, como señala Armatus, el metabolismo no funciona de esta manera en los animales, pero creo que es muy posible que un organismo vivo pueda vivir de H2 como fuente de energía.

Los extremófilos pueden metabolizar azufre en respiraderos submarinos en lugar de oxígeno.

En el suelo, los metabolismos anóxicos reducen el gas nitrógeno a amoníaco.

La fotosíntesis utiliza la luz para reducir el CO2 a la glucosa. El oxígeno molecular atmosférico es proporcionado en su totalidad por la fotosíntesis, y en un momento había poco o nada de él en la atmósfera y se encontraron seres vivos en todas partes. El metabolismo de la glucosa vino después de O2 apareció.

El punto principal es que H2 almacena una cantidad razonable de energía incluso si no hay oxígeno libre disponible para impulsar la formación de agua a partir de otro óxido, o incluso de una química más exótica. No hay ninguna razón termodinámica por la que no pueda funcionar y la biología en la tierra ha demostrado ser versátil para obtener energía química donde sea que la necesite.

Su xenobiología y especulación, pero creo que si los microorganismos evolucionaron en un gigante gaseoso con una atmósfera principalmente de hidrógeno, podrían usar la energía redox de H2, que es bastante reactivo incluso sin O2 regalo.


Fosforilación oxidativa

Acaba de leer sobre dos vías del catabolismo de la glucosa, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, que generan ATP. Sin embargo, la mayor parte del ATP generado durante el catabolismo aeróbico de la glucosa no se genera directamente a partir de estas vías. Más bien, se deriva de un proceso que comienza con el movimiento de electrones a través de una serie de transportadores de electrones que experimentan reacciones redox. Esto hace que los iones de hidrógeno se acumulen dentro del espacio de la matriz. Por lo tanto, se forma un gradiente de concentración en el que los iones de hidrógeno se difunden fuera del espacio de la matriz al pasar a través de la ATP sintasa. La corriente de iones de hidrógeno impulsa la acción catalítica de la ATP sintasa, que fosforila el ADP y produce ATP.


Capítulo 9 y # 8211 Respiración celular

· Para realizar sus muchas tareas, las células vivas requieren energía de fuentes externas.

· La energía entra en la mayoría de los ecosistemas como luz solar y sale como calor.

· La fotosíntesis genera oxígeno y moléculas orgánicas que las mitocondrias de eucariotas utilizan como combustible para la respiración celular.

· Las células recolectan la energía química almacenada en moléculas orgánicas y la usan para regenerar ATP, la molécula que impulsa la mayor parte del trabajo celular.

· La respiración tiene tres vías clave: la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la fosforilación oxidativa.

A. Los principios de la cosecha de energía

1. La respiración celular y la fermentación son vías catabólicas que producen energía.

· La disposición de átomos de moléculas orgánicas representa energía potencial.

· Las enzimas catalizan la degradación sistemática de moléculas orgánicas ricas en energía a productos de desecho más simples con menos energía.

· Parte de la energía liberada se usa para hacer trabajo y el resto se disipa en forma de calor.

· Las vías metabólicas catabólicas liberan la energía almacenada en moléculas orgánicas complejas.

· Un tipo de proceso catabólico, fermentación, conduce a la degradación parcial de los azúcares en ausencia de oxígeno.

· Un proceso catabólico más eficiente y generalizado, respiración celular, consume oxígeno como reactivo para completar la descomposición de una variedad de moléculas orgánicas.

° En las células eucariotas, las mitocondrias son el sitio de la mayoría de los procesos de respiración celular.

· La respiración celular es similar en un principio general a la combustión de gasolina en un motor de automóvil después de que el oxígeno se mezcla con el combustible de hidrocarburo.

° La comida es el combustible para la respiración. El escape es dióxido de carbono y agua.

° compuestos orgánicos + O2 à CO2 + H2O + energía (ATP + calor).

· Los carbohidratos, las grasas y las proteínas pueden usarse como combustible, pero es más útil considerar la glucosa.

° C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + Energía (ATP + calor)

· El catabolismo de la glucosa es exergónico con una D G de -686 kcal por mol de glucosa.

° Parte de esta energía se utiliza para producir ATP, que puede realizar trabajo celular.

2. Las reacciones redox liberan energía cuando los electrones se acercan a los átomos electronegativos.

· Las vías catabólicas transfieren los electrones almacenados en las moléculas de los alimentos, liberando energía que se utiliza para sintetizar ATP.

· Las reacciones que resultan en la transferencia de uno o más electrones de un reactivo a otro son reacciones de oxidación-reducción, o reacciones redox.

° La pérdida de electrones se llama oxidación.

° La adición de electrones se llama reducción.

· La formación de sal de mesa a partir de sodio y cloruro es una reacción redox.

° Aquí se oxida el sodio y se reduce el cloro (su carga cae de 0 a -1).

· Más generalmente: Xe− + Y à X + Ye−

° X, el donante de electrones, es el agente reductor y reduce Y.

° Y, el receptor de electrones, es el agente oxidante y oxida X.

· Las reacciones redox requieren tanto un donante como un aceptor.

· Las reacciones redox también ocurren cuando la transferencia de electrones no es completa pero implica un cambio en el grado de compartición de electrones en enlaces covalentes.

° En la combustión del metano para formar agua y dióxido de carbono, los enlaces covalentes no polares de metano (C — H) y oxígeno (O = O) se convierten en enlaces covalentes polares (C = O y O — H).

° Cuando el metano reacciona con el oxígeno para formar dióxido de carbono, los electrones terminan más lejos del átomo de carbono y más cerca de sus nuevos socios covalentes, los átomos de oxígeno, que son muy electronegativos.

° En efecto, el átomo de carbono ha “perdido” parcialmente sus electrones compartidos. Por tanto, el metano se ha oxidado.

· Los dos átomos de la molécula de oxígeno comparten sus electrones por igual. Cuando el oxígeno reacciona con el hidrógeno del metano para formar agua, los electrones de los enlaces covalentes se acercan al oxígeno.

° En efecto, cada átomo de oxígeno ha "ganado" parcialmente electrones, por lo que la molécula de oxígeno se ha reducido.

° El oxígeno es muy electronegativo y es uno de los agentes oxidantes más potentes.

· Se debe agregar energía para alejar un electrón de un átomo.

· Cuanto más electronegativo es el átomo, más energía se requiere para quitarle un electrón.

· Un electrón pierde energía potencial cuando pasa de un átomo menos electronegativo a uno más electronegativo.

· Una reacción redox que reubica los electrones más cerca del oxígeno, como la quema de metano, libera energía química que puede funcionar.

3. La "caída" de los electrones durante la respiración es escalonada, a través de NAD + y una cadena de transporte de electrones.

· La respiración celular no oxida la glucosa en un solo paso que transfiere todo el hidrógeno del combustible a oxígeno de una sola vez.

· Más bien, la glucosa y otros combustibles se descomponen en una serie de pasos, cada uno catalizado por una enzima específica.

° En los pasos clave, los electrones se eliminan de la glucosa.

° En muchas reacciones de oxidación, el electrón se transfiere con un protón, como un átomo de hidrógeno.

· Los átomos de hidrógeno no se transfieren directamente al oxígeno, sino que primero pasan a una coenzima llamada NAD + (nicotinamida adenina dinucleótida).

· ¿Cómo atrapa el NAD + los electrones de la glucosa?

° Las enzimas deshidrogenasas eliminan dos átomos de hidrógeno del combustible (por ejemplo, glucosa) y lo oxidan.

° La enzima pasa dos electrones y un protón a NAD +.

° El otro protón se libera como H + a la solución circundante.

· Al recibir dos electrones y solo un protón, NAD + tiene su carga neutralizada cuando se reduce a NADH.

° NAD + funciona como agente oxidante en muchos de los pasos redox durante el catabolismo de la glucosa.

· Los electrones transportados por NADH han perdido muy poco de su energía potencial en este proceso.

· Cada molécula de NADH formada durante la respiración representa energía almacenada. Esta energía se aprovecha para sintetizar ATP a medida que los electrones "caen" del NADH al oxígeno.

· ¿Cómo se extraen los electrones de los alimentos y los almacena el NADH finalmente se transfieren al oxígeno?

° A diferencia de la liberación explosiva de energía térmica que ocurre cuando se combinan H2 y O2 (con una chispa para la energía de activación), la respiración celular utiliza una cadena de transporte de electrones para romper la caída de electrones al O2 en varios pasos.

· La cadena de transporte de electrones consta de varias moléculas (principalmente proteínas) integradas en la membrana interna de una mitocondria.

· Los electrones liberados de los alimentos son transportados por NADH al extremo superior de la cadena de mayor energía.

· En el extremo inferior de energía más baja, el oxígeno captura los electrones junto con el H + para formar agua.

· La transferencia de electrones del NADH al oxígeno es una reacción exergónica con un cambio de energía libre de -53 kcal / mol.

· Los electrones pasan a moléculas cada vez más electronegativas en la cadena hasta que reducen el oxígeno, el receptor más electronegativo.

· En resumen, durante la respiración celular, la mayoría de los electrones viajan por la siguiente ruta "cuesta abajo": alimento à NADH à cadena de transporte de electrones à oxígeno.

B. El proceso de la respiración celular

1. Estas son las etapas de la respiración celular: un adelanto.

· La respiración se produce en tres etapas metabólicas: la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la cadena de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.

· Glucólisis ocurre en el citoplasma.

° Comienza el catabolismo al descomponer la glucosa en dos moléculas de piruvato.

· Los ciclo del ácido cítrico ocurre en la matriz mitocondrial.

° Completa la descomposición de la glucosa oxidando un derivado del piruvato a dióxido de carbono.

· Varios pasos en la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico son reacciones redox en las que las enzimas deshidrogenasas transfieren electrones de los sustratos al NAD +, formando NADH.

· NADH pasa estos electrones a la cadena de transporte de electrones.

· En la cadena de transporte de electrones, los electrones se mueven de molécula a molécula hasta que se combinan con iones de hidrógeno y oxígeno molecular para formar agua.

· A medida que pasan a lo largo de la cadena, la energía transportada por estos electrones se transforma en la mitocondria en una forma que se puede utilizar para sintetizar ATP a través de fosforilación oxidativa.

· La membrana interna de la mitocondria es el sitio de transporte de electrones y quimiosmosis, procesos que en conjunto constituyen la fosforilación oxidativa.

° La fosforilación oxidativa produce casi el 90% del ATP generado por la respiración.

· Algo de ATP también se forma directamente durante la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico por fosforilación a nivel de sustrato.

° Aquí una enzima transfiere un grupo fosfato de un sustrato orgánico a ADP, formando ATP.

· Por cada molécula de glucosa degradada a dióxido de carbono y agua por respiración, la célula produce hasta 38 ATP, cada uno con 7,3 kcal / mol de energía libre.

· La respiración usa los pequeños pasos en la vía respiratoria para romper la gran denominación de energía contenida en la glucosa en el pequeño cambio de ATP.

° La cantidad de energía en ATP es más apropiada para el nivel de trabajo requerido en la celda.

2. La glucólisis recolecta energía química oxidando la glucosa a piruvato.

· Durante la glucólisis, la glucosa, un azúcar de seis carbonos, se divide en dos azúcares de tres carbonos.

· Estos azúcares más pequeños se oxidan y reorganizan para formar dos moléculas de piruvato, la forma ionizada del ácido pirúvico.

· Cada uno de los diez pasos de la glucólisis es catalizado por una enzima específica.

· Estos pasos se pueden dividir en dos fases: una fase de inversión energética y una fase de pago energético.

· En la fase de inversión energética, la célula invierte ATP para proporcionar energía de activación mediante la fosforilación de la glucosa.

° Esto requiere 2 ATP por glucosa.

· En la fase de pago de energía, el ATP se produce por fosforilación a nivel de sustrato y el NAD + se reduce a NADH por los electrones liberados por la oxidación de la glucosa.

· El rendimiento neto de la glucólisis es de 2 ATP y 2 NADH por glucosa.

° No se produce CO2 durante la glucólisis.

· La glucólisis puede ocurrir tanto si O2 está presente como si no.

3. El ciclo del ácido cítrico completa la oxidación generadora de energía de las moléculas orgánicas.

· Más de las tres cuartas partes de la energía original de la glucosa todavía está presente en las dos moléculas de piruvato.

· Si hay oxígeno presente, el piruvato ingresa a la mitocondria donde las enzimas del ciclo del ácido cítrico completan la oxidación del combustible orgánico a dióxido de carbono.

· Después de que el piruvato ingresa a la mitocondria a través del transporte activo, se convierte en un compuesto llamado acetil coenzima A o acetil CoA.

· Este paso se logra mediante un complejo multienzimático que cataliza tres reacciones:

1. Un grupo carboxilo se elimina como CO2.

2. El fragmento de dos carbonos restante se oxida para formar acetato. Una enzima transfiere el par de electrones a NAD + para formar NADH.

3. El acetato se combina con la coenzima A para formar la molécula muy reactiva acetil CoA.

· Acetil CoA ahora está listo para alimentar su grupo acetilo en el ciclo del ácido cítrico para una mayor oxidación.

· El ciclo del ácido cítrico también se llama ciclo de Krebs en honor a Hans Krebs, quien fue en gran parte responsable de dilucidar sus vías en la década de 1930.

· El ciclo del ácido cítrico oxida el combustible orgánico derivado del piruvato.

° El ciclo del ácido cítrico tiene ocho pasos, cada uno catalizado por una enzima específica.

° El grupo acetilo del acetil CoA se une al ciclo combinándose con el compuesto oxaloacetato, formando citrato.

° Los siguientes siete pasos descomponen el citrato de nuevo en oxaloacetato. Es la regeneración del oxalacetato lo que convierte este proceso en un ciclo.

° Se liberan tres moléculas de CO2, incluida la que se libera durante la conversión de piruvato en acetil CoA.

· El ciclo genera un ATP por turno por fosforilación a nivel de sustrato.

° Una molécula de GTP se forma por fosforilación a nivel de sustrato.

° El GTP se utiliza luego para sintetizar un ATP, el único ATP generado directamente por el ciclo del ácido cítrico.

· La mayor parte de la energía química se transfiere a NAD + y FAD durante las reacciones redox.

· Las coenzimas reducidas NADH y FADH2 luego transfieren electrones de alta energía a la cadena de transporte de electrones.

· Cada ciclo produce un ATP por fosforilación a nivel de sustrato, tres NADH y un FADH2 por acetil CoA.

4. La membrana mitocondrial interna acopla el transporte de electrones a la síntesis de ATP.

· Sólo 4 de los 38 ATP finalmente producidos por la respiración de glucosa son producidos por fosforilación a nivel de sustrato.

° Dos se producen durante la glucólisis y dos se producen durante el ciclo del ácido cítrico.

· NADH y FADH2 representan la gran mayoría de la energía extraída de los alimentos.

° Estas coenzimas reducidas vinculan la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico con la fosforilación oxidativa, que utiliza la energía liberada por la cadena de transporte de electrones para impulsar la síntesis de ATP.

· La cadena de transporte de electrones es una colección de moléculas incrustadas en las crestas, la membrana interna plegada de la mitocondria.

° El plegamiento de las crestas aumenta su superficie, proporcionando espacio para miles de copias de la cadena en cada mitocondria.

° La mayoría de los componentes de la cadena son proteínas unidas a grupos protésicos, componentes no proteicos esenciales para la catálisis.

· Los electrones caen en energía libre a medida que pasan por la cadena de transporte de electrones.

· Durante el transporte de electrones a lo largo de la cadena, los portadores de electrones alternan entre estados reducidos y oxidados a medida que aceptan y donan electrones.

° Cada componente de la cadena se reduce cuando acepta electrones de su vecino "cuesta arriba", que es menos electronegativo.

° Luego vuelve a su forma oxidada a medida que pasa electrones a su vecino más electronegativo "cuesta abajo".

· Los electrones transportados por NADH se transfieren a la primera molécula de la cadena de transporte de electrones, una flavoproteína.

· Los electrones continúan a lo largo de la cadena que incluye varios citocromo proteínas y un portador lipídico.

° El grupo protésico de cada citocromo es un grupo hemo con un átomo de hierro que acepta y dona electrones.

· El último citocromo de la cadena, el cyt a3, pasa sus electrones al oxígeno, que es muy electronegativo.

° Cada átomo de oxígeno también recoge un par de iones de hidrógeno de la solución acuosa para formar agua.

° Por cada dos portadores de electrones (cuatro electrones), una molécula de O2 se reduce a dos moléculas de agua.

· Los electrones transportados por FADH2 tienen menor energía libre y se agregan a un nivel de energía menor que los transportados por NADH.

° La cadena de transporte de electrones proporciona aproximadamente un tercio menos de energía para la síntesis de ATP cuando el donante de electrones es FADH2 en lugar de NADH.

· La cadena de transporte de electrones no genera ATP directamente.

· Su función es romper la gran caída de energía libre de los alimentos al oxígeno en una serie de pasos más pequeños que liberan energía en cantidades manejables.

· ¿Cómo acopla la mitocondria el transporte de electrones y la liberación de energía a la síntesis de ATP?

° La respuesta es un mecanismo llamado quimiosmosis.

· Un complejo proteico, ATP sintasa, en las crestas en realidad produce ATP a partir de ADP y Pi.

· El ATP utiliza la energía de un gradiente de protones existente para impulsar la síntesis de ATP.

° El gradiente de protones se desarrolla entre el espacio intermembrana y la matriz.

· El gradiente de protones se produce por el movimiento de electrones a lo largo de la cadena de transporte de electrones.

· La cadena es un convertidor de energía que utiliza el flujo exergónico de electrones para bombear H + desde la matriz al espacio intermembrana.

· Los protones regresan a la matriz a través de un canal en la ATP sintasa, utilizando el flujo exergónico de H + para impulsar la fosforilación de ADP.

· Así, la energía almacenada en un gradiente de H + a través de una membrana acopla las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones a la síntesis de ATP.

· A partir del estudio de la estructura de la ATP sintasa, los científicos han aprendido cómo el flujo de H + a través de esta gran enzima potencia la generación de ATP.

· La ATP sintasa es un complejo de múltiples subunidades con cuatro partes principales, cada una compuesta por múltiples polipéptidos:

1. Un rotor en la membrana mitocondrial interna.

2. Una perilla que sobresale hacia la matriz mitocondrial.

3. Una varilla interna que se extiende desde el rotor hasta la perilla.

4. Un estator, anclado junto al rotor, que mantiene estacionaria la perilla.

· Los protones fluyen por un espacio estrecho entre el estator y el rotor, lo que hace que el rotor y su varilla adjunta giren.

° La varilla giratoria provoca cambios conformacionales en la perilla estacionaria, activando tres sitios catalíticos en la perilla donde el ADP y el fosfato inorgánico se combinan para producir ATP.

· ¿Cómo genera y mantiene la membrana mitocondrial interna el gradiente de H + que impulsa la síntesis de ATP en el complejo proteico ATP sintasa?

° La creación del gradiente de H + es función de la cadena de transporte de electrones.

° El ETC es un convertidor de energía que utiliza el flujo exergónico de electrones para bombear H + a través de la membrana desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana.

° El H + tiene tendencia a difundirse en su gradiente.

· Las moléculas de ATP sintasa son el único lugar donde el H + puede difundirse de regreso a la matriz.

° El flujo exergónico de H + es utilizado por la enzima para generar ATP.

° Este acoplamiento de las reacciones redox de la cadena de transporte de electrones a la síntesis de ATP se denomina quimiosmosis.

· ¿Cómo bombea la cadena de transporte de electrones los protones?

° Ciertos miembros de la cadena de transporte de electrones aceptan y liberan H + junto con los electrones.

° En ciertos pasos a lo largo de la cadena, las transferencias de electrones hacen que el H + se absorba y se libere en la solución circundante.

· Los portadores de electrones están dispuestos espacialmente en la membrana de tal manera que los protones son aceptados de la matriz mitocondrial y depositados en el espacio intermembrana.

° El gradiente de H + que resulta es el fuerza motriz del protón.

° El gradiente tiene la capacidad de trabajar.

· La quimiosmosis es un mecanismo de acoplamiento de energía que utiliza la energía almacenada en forma de gradiente de H + a través de una membrana para impulsar el trabajo celular.

· En las mitocondrias, la energía para la formación del gradiente de protones proviene de reacciones redox exergónicas, y la síntesis de ATP es el trabajo que se realiza.

· La quimiosmosis en los cloroplastos también genera ATP, pero la luz impulsa el flujo de electrones por una cadena de transporte de electrones y la formación de gradientes de H +.

· Los procariotas generan gradientes de H + a través de su membrana plasmática.

° Pueden usar esta fuerza motriz de protones no solo para generar ATP, sino también para bombear nutrientes y productos de desecho a través de la membrana y rotar sus flagelos.

5. Aquí hay una explicación de la producción de ATP por respiración celular.

· Durante la respiración celular, la mayor parte de la energía fluye desde la glucosa à NADH à la cadena de transporte de electrones à la fuerza motriz del protón à ATP.

· Consideremos los productos generados cuando la respiración celular oxida una molécula de glucosa a seis moléculas de CO2.

· Se producen cuatro moléculas de ATP por fosforilación a nivel de sustrato durante la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico.

· Muchas más moléculas de ATP se generan por fosforilación oxidativa.

· Cada NADH del ciclo del ácido cítrico y la conversión de piruvato aporta suficiente energía a la fuerza motriz del protón para generar un máximo de 3 ATP.

° El NADH de la glucólisis también puede producir 3 ATP.

· Cada FADH2 del ciclo del ácido cítrico se puede utilizar para generar aproximadamente 2 ATP.

· ¿Por qué nuestra contabilidad es tan inexacta?

· Hay tres razones por las que no podemos indicar un número exacto de moléculas de ATP generadas por una molécula de glucosa.

1. La fosforilación y las reacciones redox no están directamente acopladas entre sí, por lo que la relación entre el número de NADH y el número de ATP no es un número entero.

° Un NADH resulta en el transporte de 10 H + a través de la membrana mitocondrial interna.

° Entre 3 y 4 H + deben reingresar a la matriz mitocondrial a través de la ATP sintasa para generar 1 ATP.

° Por lo tanto, 1 NADH genera suficiente fuerza motriz de protones para la síntesis de 2,5 a 3,3 ATP.

° Redonamos y decimos que 1 NADH genera 3 ATP.

2. El rendimiento de ATP varía ligeramente según el tipo de lanzadera que se utiliza para transportar electrones desde el citosol a la mitocondria.

° La membrana interna mitocondrial es impermeable al NADH, por lo que los dos electrones del NADH producidos en la glucólisis deben ser transportados a la mitocondria por uno de varios sistemas de lanzadera de electrones.

° En algunos sistemas de lanzadera, los electrones pasan al NAD +, que genera 3 ATP. En otros, los electrones pasan al FAD, que genera solo 2 ATP.

3. La fuerza motriz del protón generada por las reacciones redox de la respiración puede impulsar otros tipos de trabajo, como la captación mitocondrial de piruvato del citosol.

° Si toda la fuerza motriz de protones generada por la cadena de transporte de electrones se usara para impulsar la síntesis de ATP, una molécula de glucosa podría generar un máximo de 34 ATP por fosforilación oxidativa más 4 ATP (neto) de la fosforilación a nivel de sustrato para dar un rendimiento total de 36-38 ATP (dependiendo de la eficiencia de la lanzadera).

· ¿Qué tan eficiente es la respiración para generar ATP?

° La oxidación completa de la glucosa libera 686 kcal / mol.

° La fosforilación de ADP para formar ATP requiere al menos 7,3 kcal / mol.

° La eficiencia de la respiración es de 7,3 kcal / mol multiplicado por 38 ATP / glucosa dividido por 686 kcal / mol de glucosa, lo que equivale a 0,4 o 40%.

° Aproximadamente el 60% de la energía de la glucosa se pierde en forma de calor.

§ Parte de ese calor se usa para mantener nuestra temperatura corporal alta (37 ° C).

· La respiración celular es notablemente eficiente en la conversión de energía.

C. Procesos metabólicos relacionados

1. La fermentación permite que algunas células produzcan ATP sin la ayuda de oxígeno.

· Sin oxígeno electronegativo para tirar de los electrones hacia abajo en la cadena de transporte, cesa la fosforilación oxidativa.

· Sin embargo, la fermentación proporciona un mecanismo por el cual algunas células pueden oxidar el combustible orgánico y generar ATP sin el uso de oxígeno.

° En la glucólisis, la glucosa se oxida a dos moléculas de piruvato con NAD + como agente oxidante.

° La glucólisis es exergónica y produce 2 ATP (netos).

° Si hay oxígeno presente, se puede generar ATP adicional cuando NADH entrega sus electrones a la cadena de transporte de electrones.

· La glucólisis genera 2 ATP si hay oxígeno presente (aerobio) o no (anaeróbico).

· El catabolismo anaeróbico de azúcares puede ocurrir por fermentación.

· La fermentación puede generar ATP a partir de glucosa por fosforilación a nivel de sustrato siempre que haya un suministro de NAD + para aceptar electrones.

° Si el grupo de NAD + se agota, la glucólisis se detiene.

° En condiciones aeróbicas, NADH transfiere sus electrones a la cadena de transferencia de electrones, reciclando NAD +.

· En condiciones anaeróbicas, varias vías de fermentación generan ATP por glucólisis y reciclan NAD + transfiriendo electrones de NADH a piruvato o derivados de piruvato.

· En fermentación de alcohol, el piruvato se convierte en etanol en dos pasos.

° Primero, el piruvato se convierte en un compuesto de dos carbonos, acetaldehído, mediante la eliminación de CO2.

° En segundo lugar, el NADH reduce el acetaldehído a etanol.

° La fermentación alcohólica por levadura se utiliza en la elaboración de cerveza y enología.

· Durante fermentación del ácido láctico, el piruvato es reducido directamente por NADH para formar lactato (la forma ionizada del ácido láctico) sin liberación de CO2.

° La fermentación del ácido láctico por algunos hongos y bacterias se utiliza para hacer queso y yogur.

° Las células musculares humanas pasan de la respiración aeróbica a la fermentación con ácido láctico para generar ATP cuando el O2 es escaso.

§ El producto de desecho, el lactato, puede causar fatiga muscular, pero finalmente se convierte nuevamente en piruvato en el hígado.

· La fermentación y la respiración celular son alternativas anaeróbicas y aeróbicas, respectivamente, para producir ATP a partir de azúcares.

° Ambos usan la glucólisis para oxidar azúcares a piruvato con una producción neta de 2 ATP por fosforilación a nivel de sustrato.

° Ambos usan NAD + como agente oxidante para aceptar electrones de los alimentos durante la glucólisis.

· Los dos procesos difieren en su mecanismo para oxidar NADH a NAD +.

° En la fermentación, los electrones de NADH pasan a una molécula orgánica para regenerar NAD +.

° En la respiración, los electrones de NADH finalmente pasan al O2, generando ATP por fosforilación oxidativa.

· Se genera más ATP a partir de la oxidación del piruvato en el ciclo del ácido cítrico.

° Sin oxígeno, la energía aún almacenada en el piruvato no está disponible para la célula.

° Bajo respiración aeróbica, una molécula de glucosa produce 38 ATP, pero la misma molécula de glucosa produce sólo 2 ATP bajo respiración anaeróbica.

· La levadura y muchas bacterias son anaerobios facultativos que puede sobrevivir mediante la fermentación o la respiración.

° A nivel celular, las células musculares humanas pueden comportarse como anaerobios facultativos.

· Para los anaerobios facultativos, el piruvato es una bifurcación en el camino metabólico que conduce a dos rutas alternativas.

° En condiciones aeróbicas, el piruvato se convierte en acetil CoA y la oxidación continúa en el ciclo del ácido cítrico.

° En condiciones anaeróbicas, el piruvato sirve como aceptor de electrones para reciclar NAD +.

· Los fósiles bacterianos más antiguos tienen más de 3.500 millones de años y aparecieron mucho antes de que se acumularan cantidades apreciables de O2 en la atmósfera.

° Por lo tanto, los primeros procariotas pueden haber generado ATP exclusivamente a partir de la glucólisis.

· El hecho de que la glucólisis sea una vía metabólica ubicua y se produzca en el citosol sin orgánulos encerrados en membranas sugiere que la glucólisis evolucionó al principio de la historia de la vida.

2. La glucólisis y el ciclo del ácido cítrico se conectan a muchas otras vías metabólicas.

· La glucólisis puede aceptar una amplia gama de carbohidratos para el catabolismo.

° Los polisacáridos como el almidón o el glucógeno pueden hidrolizarse a monómeros de glucosa que entran en la glucólisis.

° Otros azúcares de hexosa, como galactosa y fructosa, también pueden modificarse para someterse a glucólisis.

· The other two major fuels, proteins and fats, can also enter the respiratory pathways used by carbohydrates.

· Proteins must first be digested to individual amino acids.

° Amino acids that will be catabolized must have their amino groups removed via deamination.

° The nitrogenous waste is excreted as ammonia, urea, or another waste product.

· The carbon skeletons are modified by enzymes and enter as intermediaries into glycolysis or the citric acid cycle, depending on their structure.

· Catabolism can also harvest energy stored in fats.

· Fats must be digested to glycerol and fatty acids.

° Glycerol can be converted to glyceraldehyde phosphate, an intermediate of glycolysis.

° The rich energy of fatty acids is accessed as fatty acids are split into two-carbon fragments via beta oxidation.

° These molecules enter the citric acid cycle as acetyl CoA.

· A gram of fat oxides by respiration generates twice as much ATP as a gram of carbohydrate.

· The metabolic pathways of respiration also play a role in anabolic pathways of the cell.

· Intermediaries in glycolysis and the citric acid cycle can be diverted to anabolic pathways.

° For example, a human cell can synthesize about half the 20 different amino acids by modifying compounds from the citric acid cycle.

° Glucose can be synthesized from pyruvate fatty acids can be synthesized from acetyl CoA.

· Glycolysis and the citric acid cycle function as metabolic interchanges that enable cells to convert one kind of molecule to another as needed.

° For example, excess carbohydrates and proteins can be converted to fats through intermediaries of glycolysis and the citric acid cycle.

· Metabolism is remarkably versatile and adaptable.

3. Feedback mechanisms control cellular respiration.

· Basic principles of supply and demand regulate the metabolic economy.

° If a cell has an excess of a certain amino acid, it typically uses feedback inhibition to prevent the diversion of intermediary molecules from the citric acid cycle to the synthesis pathway of that amino acid.

· The rate of catabolism is also regulated, typically by the level of ATP in the cell.

° If ATP levels drop, catabolism speeds up to produce more ATP.

· Control of catabolism is based mainly on regulating the activity of enzymes at strategic points in the catabolic pathway.

· One strategic point occurs in the third step of glycolysis, catalyzed by phosphofructokinase.

· Allosteric regulation of phosphofructokinase sets the pace of respiration.

° This enzyme catalyzes the earliest step that irreversibly commits the substrate to glycolysis.

° Phosphofructokinase is an allosteric enzyme with receptor sites for specific inhibitors and activators.

° It is inhibited by ATP and stimulated by AMP (derived from ADP).

§ When ATP levels are high, inhibition of this enzyme slows glycolysis.

§ As ATP levels drop and ADP and AMP levels rise, the enzyme becomes active again and glycolysis speeds up.

· Citrate, the first product of the citric acid cycle, is also an inhibitor of phosphofructokinase.

° This synchronizes the rate of glycolysis and the citric acid cycle.

· If intermediaries from the citric acid cycle are diverted to other uses (e.g., amino acid synthesis), glycolysis speeds up to replace these molecules.

· Metabolic balance is augmented by the control of other enzymes at other key locations in glycolysis and the citric acid cycle.


What is Cellular Respiration?

By definition, cellular respiration is the set of catabolic pathways that break down the nutrients we consume into usable forms of chemical energy (ATP). Cellular respiration can occur both with or without the presence of oxygen, and these two main forms are referred to as aerobic and anaerobic respiration, respectively. There are a number of key differences between the two, primarily that aerobic respiration is a much more evolved process with a significantly higher yield of ATP.

Aerobic Respiration

There are three main stages of aerobic respiration &ndash glycolysis, the Krebs Cycle, and the electron transport chain &ndash each of which deserves an entire article all to itself, but when looking at the overall process of cellular respiration, we will only look at these stages at a somewhat basic level, leaving out the specific details of every chemical reaction in each stage.

This first step in the process of aerobic respiration occurs in the cytosol of the cell, and is an important starting point for the rest of the processes. In glycolysis, one molecule of glucose is converted into two molecules of pyruvate over the course of a ten-step reaction involving different enzymes at each step. Additionally, glycolysis requires two molecules of nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), two molecules of inorganic phosphorous, and two molecules of ADP (adenine diphosphate). The additional products from the reaction include two molecules of ATP 2 molecules of NADH(reduced nicotinamide adenine dinucleotide), 2 water molecules, 2 hydrogen molecules and heat!

(Photo Credit: YassineMrabet/Wikimedia Commons)

The heat and water are considered waste products, the ATP is an immediately usable form of cellular energy, the NADH will be usable later in the aerobic respiration process and the pyruvate acts as the primary substrate in the next step of the process.

Krebs Cycle (Citric Acid Cycle)

Similar to the process of glycolysis, there are many individual steps of the Krebs&rsquo Cycle, the details of which are beyond the scope of this article. Basically, the Krebs Cycle is a stage of cellular respiration that takes place in the mitochondria in the presence of oxygen, unlike glycolysis, which occurred in the cytosol and can occur without oxygen being present.

The final product of glycolysis, two molecules of pyruvate, will enter the Krebs&rsquo cycle in the matrix of the mitochondria, and will ultimately be converted into two molecules of ATP, 8 NADH and 2 FADH2 molecules. Those latter two molecules are high-energy electron carriers, and will be able to produce a significant amount of chemical energy in the electron transport chain.

(Photo Credit: Wikimedia Commons)

In the actual functioning of the Krebs&rsquo Cycle, however, the pyruvate from glycolysis goes on an interesting journey, albeit a bit confusing. Before the pyruvate enters the cycle, it will be converted with an enzyme into acetyl-CoA, a two-carbon molecule attached to a coenzyme. This first reaction results in the removal of an electron and a carbon group, and the production of one NADH molecule. That acetyl-CoA bonds with oxaloacetate, creating a six-carbon molecule (citric acid), and releasing the coenzyme.

As the cycle continues, additional carbon dioxide molecules are removed from the citric acid, creating an additional molecule of NADH each time. Around the halfway point of the cycle, 2 more molecules of ATP are created, and then the regenerative stage of the cycle begins. In these final reactions, the four-carbon molecule, oxaloacetate, must be re-formed to continue re-start the cycle, and that regenerative process creates two molecules of FADH2.

The NADH and FADHs molecules will move on to the final stage of cellular respiration, while the ATP will become available for use by the cell.

Cadena de transporte de electrones

This is arguably the coolest and most unique stage of cellular respiration, and takes place near the membrane of the mitochondria, in a large protein complex that functions as an ATP factory. One of the primary functions of the membrane of the mitochondria is to prevent the flow of protons into the organelle, which establishes a strong gradient of positive charge on either side of this membrane. As some of you may know, when there is a charge gradient, there is the potential for work to be done.

In the case of the electron transport chain, there are four major proton complexes that bridge the membrane of the mitochondria, simply number 1, 2, 3 and 4. All of these protein complexes directly or indirectly pump protons out of the mitochondrial matrix into the extracellular fluid. The energy required to run those critical pumps comes from the energy released during the transfer of electrons through a waterfall series of chemical reactions.

The NADH that was produced in glycolysis and the Krebs&rsquo cycle will be the primary source of these electrons. NADH molecules drop off their electrons in protein complex 1, which are then then moved to protein complex 3 via coenzyme Q. The FADH2 molecules from the Krebs&rsquo Cycle deposit their electrons in protein complex 2. The same coenzyme Q takes those electrons to protein complex 3. Cytochrome C carries 1 electron from each coenzyme Q to protein complex 4, while the other electron can be recycled. When the electrons leave protein complex 4, oxygen functions as the final electron acceptor, and produces water.

As a result of the proton gradient that is maintained through that final step of the electron transport chain, more protons must continually be pumped into the membrane. This happens via ATP synthase, the final factory of respiration. When this protein complex is engaged, the flow of protons over the gradient will induce the creation of additional ATP.

The net product of the electron transport chain (from one molecule of glucose) is 32 molecules of ATP, as well as six molecules of water.

Combining this with the previous products of the other respiration stages, you will find that a single molecule of glucose entering the cell, in the presence of oxygen, will produce 36 ATP, 6 water molecules and 6 carbon dioxide molecules!

Respiración anaerobica

In the absence of oxygen, there is another form of cellular respiration that is available to organisms &ndash anaerobic respiration. If there is not enough oxygen available for the energetic demands &ndash such as when you are running a marathon or undergoing intense exertion &ndash your body is still able to produce small amounts of energy without oxygen as an electron acceptor.

Without oxygen, anaerobic respiration is able to convert glucose into lactic acid, and release a small amount of energy &ndash 2 ATP. Think back to the glycolysis step of aerobic respiration the process is the same for anaerobic respiration, except the end product is not pyruvate, but lactate. However, lactic acid is actually a poisonous compound in the body, in that it will negatively impact muscle function if too much is built up (as a product of anaerobic respiration).

Lactic acid buildup is what causes cramps during intense exercise, and that discomfort can only be alleviated by re-oxygenating your body, which will allow for aerobic respiration to begin and stimulate the breakdown of lactic acid into carbon dioxide and water. This is also why your body has a limit to how far it can sprint!

Aerobic respiration is far more efficient and will generate much more energy from the same molecule of glucose anaerobic respiration produces 2 ATP versus 36 ATP in aerobic respiration, so the difference is clear.


Respiración celular is the process of extracting energy in the form of ATP from the glucose in the food you eat. How does cellular respiration happen inside of the cell? Cellular respiration is a three step process. Briefly:

  1. In stage one, glucose is broken down in the cytoplasm of the cell in a process called glucólisis.
  2. In stage two, the pyruvate molecules are transported into the mitochondria. los mitocondrias are the organelles known as the energy "powerhouses" of the cells (Figure below). In the mitochondria, the pyruvate, which have been converted into a 2-carbon molecule, enter the ciclo de Krebs. Notice that mitochondria have an inner membrane with many folds, called cristae. These cristae greatly increase the membrane surface area where many of the cellular respiration reactions take place.
  3. In stage three, the energy in the energy carriers enters an cadena de transporte de electrones. During this step, this energy is used to produce ATP.

Oxygen is needed to help the process of turning glucose into ATP. The initial step releases just two molecules of ATP for each glucose. The later steps release much more ATP.

Figure (PageIndex<1>): Most of the reactions of cellular respiration are carried out in the mitochondria.

The Reactants

What goes into the cell? Oxygen and glucose are both reactants of cellular respiration. Oxygen enters the body when an organism breathes. Glucose enters the body when an organism eats.

The Products

What does the cell produce? los productos of cellular respiration are carbon dioxide and water. Carbon dioxide is transported from your mitochondria out of your cell, to your red blood cells, and back to your lungs to be exhaled. ATP is generated in the process. When one molecule of glucose is broken down, it can be converted to a net total of 36 or 38 molecules of ATP. This only occurs in the presence of oxygen.

The Chemical Reaction

The overall chemical reaction for cellular respiration is one molecule of glucose (C6H12O6) and six molecules of oxygen (O2) yields six molecules of carbon dioxide (CO2) and six molecules of water (H2O). Using chemical symbols the equation is represented as follows:

ATP is generated during the process. Though this equation may not seem that complicated, cellular respiration is a series of chemical reactions divided into three stages: glycolysis, the Krebs cycle, and the electron transport chain.

Glucólisis

Stage one of cellular respiration is glycolysis. Glycolysis is the splitting, or lysis of glucose. Glycolysis converts the 6-carbon glucose into two 3-carbon piruvato moléculas. This process occurs in the cytoplasm of the cell, and it occurs in the presence or absence of oxygen. During glycolysis a small amount of NADH is made as are four ATP. Two ATP are used during this process, leaving a net gain of two ATP from glycolysis. The NADH temporarily holds energy, which will be used in stage three.

The Krebs Cycle

In the presence of oxygen, under aerobio conditions, pyruvate enters the mitochondria to proceed into the Krebs cycle. The second stage of cellular respiration is the transfer of the energy in pyruvate, which is the energy initially in glucose, into two energy carriers, NADH and FADH2. A small amount of ATP is also made during this process. This process occurs in a continuous cycle, named after its discover, Hans Krebs. The Krebs cycle uses a 2-carbon molecule (acetyl-CoA) derived from pyruvate and produces carbon dioxide.

The Electron Transport Chain

Stage three of cellular respiration is the use of NADH and FADH2 to generate ATP. This occurs in two parts. First, the NADH and FADH2 enter an electron transport chain, where their energy is used to pump, by active transport, protons (H+) into the intermembrane space of mitochondria. This establishes a proton gradient across the inner membrane. These protons then flow down their concentration gradient, moving back into the matrix by facilitated diffusion. During this process, ATP is made by adding inorganic phosphate to ADP. Most of the ATP produced during cellular respiration is made during this stage.

For each glucose that starts cellular respiration, in the presence of oxygen (aerobic conditions), 36-38 ATP are generated. Without oxygen, under anaeróbico conditions, much less (only two!) ATP are produced.


Aerobic Respiration

Energy is released using NAD+, FADH, and ATP Synthase.

Explicación:

Cells breakdown glucose molecules first during the process known as glycolysis. The glucose molecule is broken down into two pyruvate molecules and electrons are released. These electrons are picked up by NAD+. Once NAD+ has picked up these electrons, it becomes NADH. Two ATP molecules are also made (ATP transfers chemical energy between cells it is sort of like a currency in this regard).

The next step is the Krebs cycle, also known as the citric acid cycle. During this step of the process, the pyruvate molecules are converted to Acetyl CoA, these molecules are then broken down even further, releasing electrons and ATP. As in the previous step, NAD+ picks up the released electrons, becoming NADH, as does FADH, which becomes FADH2.

Lastly, we have oxidative phosphorylation, which occurs in the inner membrane of the mitochondria (or the cytoplasm of prokaryotic cells). When NAD+ and FADH picked up electrons previously, they lost hydrogen atoms.

These hydrogen atoms now pump against the concentration gradient. Proteins in the membrane undergo active transport, moving the hydrogen atoms into one concentrated area. Next, the hydrogen atoms go through ATP Synthase, which turns out a lot of ATP.

To learn more, see the following video:

Breathing involves inhale of oxygen from the atmosphere into the lungs and exhale of carbon dioxide from the lungs into the atmosphere whereas cellular respiration involves breakdown of glucose into carbon dioxide and water in living cells, releasing energy.

During breathing, termed as external respiration, air from the atmosphere enters into the lungs. Exchange of oxygen and carbon dioxide occurs between the blood present in the capillaries and the air entering the lungs.

The R.B.C. in the blood present in capillaries pick up oxygen from the air entering the lungs and the hemoglobin molecule is converted into oxy-hemoglobin. Carbon dioxide from the deoxygenated blood is released into the air. The air carrying carbon dioxide is exhaled out of the lungs.

Thus breathing involves intake of oxygen from the atmosphere into the lungs and exit of carbon dioxide from the lungs into the atmosphere.

Cellular respiration, also termed as internal respiration, occurs in living cells. The oxygenated blood is carried to all living cells in the body of an organism through blood circulatory.

Cellular respiration involves breakdown of glucose into carbon dioxide and water in presence of oxygen, releasing energy. Oxygen carried by blood is used in cellular respiration and carbon dioxide released combines with hemoglobin in RBCs.

Deoxygenated or impure blood is carried by veins to the lungs to be converted into oxygenated blood.

The energy released during cellular respiration is stored in form of ATP molecules, which are store houses of energy.

ATP molecule is converted into ADP molecule, whenever energy is needed for any metabolic reaction or activity. The energy stored in it is released to be used in metabolic reaction. ATP and ADP molecules are thus rightly termed as “ currency of energy”.


Photosynthesis, Cellular Respiration, & Fermentation

You've already learned a little bit about photosynthesis thanks to our study of plant cells. You learned that photosynthesis happens in the chloroplasts that are found only in plant cells. Let's think about what else you've already learned.

You've already learned that there are two basic types of organisms when it comes to food: producers and consumers. Producers are able to make their own food. Consumers get the food they need by eating other organisms. You learned that only plants are producers, and that they make their own food by combining water (H2O), carbon dioxide (CO2) and energy from the sun to produce sugar (C6H12O6) and oxygen (O2). This process, you learned, is called photosynthesis. In the process of making sugar, plant cells also lock some of the energy they collected from sunlight into the sugar molecule.

Okay, great. So how do cells (remember, both plant and animal cells need energy, and neither can directly use the energy provided by the sun) get the energy out of the sugar molecule? They do it with a process called cellular respiration. In cellular respiration, cells use oxygen to break the sugar molecule. That releases the energy which is then transferred to an ATP (adenosine triphosphate) molecule. ATP is the fuel that cells need for energy. And where does cellular respiration happen? As you've learned, it happens in those handy mitochondria.

So really, you already know all the basics. There are just a few details that you need to learn, and they are covered in Section 1 of Chapter 5 in your textbook and, of course, right here. Let's start with photosynthesis

Fotosíntesis

If you were to look at plant cells under a microscope and compare them to animal cells, there are two things that you would notice immediately. First, you would notice the cell wall that surrounds the plant cell. You would notice it the same way that Robert Hooke noticed it. The second thing you would notice is that a plant cell is green and an animal cell is basically clear. If you were looking at a relatively large plant cell, and you were using a microscope like the ones we have at school, you would notice that not the entire plant cell was green. Instead, you would notice that there were large green objects inside of the plant cell. These large green objects, of course, are chloroplasts. And the reason that they are green is because they contain a green pigment called chlorophyll.

Have a look at this illustration from your book:

Do you notice how the chemical formula that defines photosynthesis looks a little different from the way you originally learned it? Instead of CO2 + H2O + light it shows 6CO2 + 6H2O + light. That's because chemical equations, just like math equations, have to balance. The original formula takes one carbon atom (that's how many carbon atoms are in CO2), 2 hydrogen atoms (that's how many hydrogen atoms there are in H2O), and 3 oxygen atoms (2 that are in CO2 and one that is in H2O) and turns it into glucose (which contains 6 carbon atoms, 12 hydrogen atoms, and 6 oxygen atoms) and an oxygen molecule (O2, which contains 2 oxygen atoms). That just doesn't add up! You can't magically turn 1 carbon atom from CO2 into 6 carbon atoms in C6H12O6. But if you do the math with the formula in the illustration above, you'll see that the number of atoms of carbon, oxygen, and hydrogen on both sides of the equation are correct. You will get way more practice balancing chemical equations when you study chemistry in 8th grade science.

Respiración celular

It is tempting to think of cellular respiration as the opposite of photosynthesis. If you look at the illustration from our book, below, you'll see why:

Do you see the way the chemical formula for cellular respiration is the reverse of the chemical formula for photosynthesis? The only real difference is that in one, the energy is sunlight and in the second, the energy is the ATP molecule. It's that reversal that makes many people think of photosynthesis and cellular respiration as being opposites. ¡No son! Rather, they are complementary to one another. Without photosynthesis, there would be no sugar, without which there could be no cellular respiration. On the other hand, cellular respiration produces the H2O and CO2 that are needed for photosynthesis. It's really important for you to remember that cellular respiration in eukaryotic cells takes place in the mitochondria. Both animal cells and plant cells depend on cellular respiration for their energy needs, because both animal cells and plant cells need ATP. Plant cells may be able to use the energy from the sun to make sugar, but they can't use the sun's energy as fuel. They need ATP the same way that animal cells do, and ATP can only be formed through cellular respiration. The illustration below from your book shows the way that photosynthesis and cellular respiration complement each other.

Do you see what I don't like about this illustration? Is it clear from this illustration that plant cells also have mitochondria? Not clear enough, in my opinion! So remember! Plant cells have mitochondria, too!

Fermentation

What happens when there is not enough oxygen to keep the cellular respiration reaction alive? Your book makes it seem like the answer is very simple. Let's start with the simple answer in your book. If there is not enough oxygen for cells to perform cellular respiration, they resort to another method of producing energy called fermentation. They still break down the sugar molecule to release the energy so that it can be transferred to an ATP molecule, but they do it without oxygen. In cellular respiration, CO2 y H2O are produced along with the energy. In fermentation, CO2 and something called lactic acid are produced. Just like your book explains, you've probably experienced fermentation yourself when you've had to run the Wednesday mile and you've really pushed yourself to get a good grade. You know that burning or stinging sensation that you feel in your muscles when you push yourself running? That's caused by a buildup of lactic acid in your muscles. No matter how hard your lungs and heart work to get oxygen to the cells in your leg muscles, they still aren't getting enough to produce all the energy they need through cellular respiration. So, they are forced to switch to fermentation, and lactic acid is produced.

There are some organisms that get all of their energy needs from fermentation. One common example is yeast. Yup. That same stuff that you drop into the bread maker. You should have noticed that there were lots of bubbles in the tubes containing the yeast and sugar water in our classroom. You've already seen live yeast cells in class that I projected from a microscope to the screen. A few classes got lucky and were able to see some yeast cells that were in the process of reproducing. I know you're going to be happy to hear this: yeast cells reproduce by budding! Just when you thought it was safe to forget all about budding and the pain it has caused you on past tests, it's back!

So how does yeast make bread rise? It's pretty simple, really. Bread is made mostly of flour. You probably already know that bread is "carbs", or carbohydrates. Do you remember what carbohydrates are? That's right, they are just long strings of sugar molecules. Yeast uses those sugar molecules to get the energy it needs, and in the process it creates CO2. That CO2 makes bubbles inside of the bread dough, and those bubbles make the dough get larger, or rise.

There is another way that fermentation caused by yeast is important. Grape juice also contains a lot of sugar. When yeast is added to grape juice, it uses the sugar for energy. Yes, it produces CO2, but it also produces alcohol. That's how grape juice is turned into wine!

The Global Warming Connection

Remember An Inconvenient Truth, the Al Gore documentary movie? One of the scenes in the movie showed the earth at night as photographed from space. Vice President Gore said that the large red areas were forests burning. There are plenty of naturally-occurring forest fires, but humans purposely set forests ablaze, too. In Brasil, for example, parts of the rainforest are burned to create more land for crops and housing. Think about what this means for global warming.

Global warming is caused by too much carbon dioxide in the atmosphere. The carbon dioxide acts as a blanket. When sunlight hits the earth, it can't radiate back into space because of the carbon dioxide and other greenhouse gases that are present in the atmosphere. So, the earth gets hotter.

Burning forests is a double-whammy. First, removing trees means that they aren't there anymore to convert carbon dioxide into sugar and oxygen. Second, when we burn the trees, we are releasing all of the carbon dioxide that they have collected. When mitochondria combine glucose with oxygen to produce energy, they are "burning" the sugar through a process called oxidation. There are many examples of oxidation in real life. When a nail gets rusty, that's oxidation. And, of course, when something burns, that's oxidation, too. The only difference between rusting, burning, and the way that mitochondria release the energy from a glucose molecule is the speed of the reaction. Rusting is very slow oxidation and burning is very fast oxidation. So burning the sugar in the trees is just a very fast version of what mitochondria do: the sugar releases carbon dioxide and energy in the form of heat. Some trees have been alive for hundreds or even thousands of years! So when we burn them, we are releasing hundreds or thousands of years worth of "captured" carbon dioxide.

That's it, folks. If you can remember the chemical formula for both photosynthesis and cellular respiration, if you can explain how the two processes complement one another, and if you can explain what happens when there is not enough oxygen for cellular respiration, then you've learned what you need to have learned.

These videos will help you to understand photosynthesis and cellular respiration. Don't be afraid of the complicated scientific vocabulary! You will understand more than you think if you just stop once in a while and try to make a connection between what is going on in the video and what you have already learned.


AP Lab 5 Sample 7

The human body has to have energy in order to perform the functions that allow life. This energy comes from the process of cellular respiration. Cellular respiration releases energy that the body can use in the form of ATP from carbohydrates by using oxygen. Cellular respiration is not just one singular reaction, it is a metabolic pathway made up of several reactions that are enzyme mediated. This process begins with glycolysis in the cytosol of the cell. In glycolysis, glucose is split into two three-carbon compounds called pyruvate, producing a small amount of ATP The final two steps of cellular respiration occur in the mitochondria. These final two steps are the electron transport system and the Krebs Cycle. The overall equation for cellular respiration is

C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O + 686 kilocalories of energy per mole of glucose oxidized.

There are three ways to measure the rate of cellular respiration. These three ways are by measuring the consumption of oxygen gas, by measuring the production of carbon dioxide, or by measuring the release of energy during cellular respiration. In order to measure the gases, the general gas law must be understood. The general gas law state: PV=nRT where P is the pressure of the gas, V is the volume of the gas, n is the number of molecules of gas, R is the gas constant, and T is the temperature of the gas (in K). The gas law also shows concepts about gases. If temperature and pressure are kept constant, then the volume of the gas is directly proportional to the number of molecules of the gas. If the temperature and volume remain constant, then the pressure of the gas changes in direct proportion to the number of molecules of gas present. If the number of gas molecules and the temperature remain constant, then the pressure is inversely proportional to the volume. If the temperature changes and the number of gas molecules is kept constant, then either pressure of volume will change in direct proportion to the temperature.

In this experiment, the rate of cellular respiration will be measured by measuring the oxygen gas consumption by using a respirometer in water. This experiment measures the consumption of oxygen by germinating and non-germinating at room temperature and at ice water temperature. The carbon dioxide produced in cellular respiration will be removed by potassium hydroxide (KOH). As a result of the carbon dioxide being removed, the change in the volume of gas in the respirometer will be directly related to the amount of oxygen consumed. The respirometer with glass beads alone will show any changes in volume due to atmospheric pressure changes or temperature changes.

The germinating peas will have a higher rate of respiration, than the beads and non-germinating peas.

This lab requires two thermometers, two water baths, beads, germinating and non-germinating peas, beads, six vials, twelve pipettes, 100 mL graduated cylinder, scotch tape, tap water, ice, KOH, absorbent and non-absorbent cotton, six washers, six rubber stoppers, scotch tape, and a one mL dropper.

Start the experiment by setting up two water baths, one at room temperature and the other at 10 degrees Celsius. Then, find the volume of twenty-five germinating peas. Next, put 50 mL of water in a graduated cylinder and put twenty-five non-germinating peas in it. Then, add beads until the volume is the same as twenty-five germinating peas. Next, pour our the peas and beads, refill the graduated cylinder with 50 mL of water, and add only beads until the volume is the same as the twenty-five germinating peas. Repeat these steps for another set of peas and beads. Also, put together the six respirometers by gluing a pipette to a stopper and taping another pipette to the pipette for all six respirometers. Then, put two absorbent cotton balls, several drops of KOH, and half of a piece of non-absorbent cotton into all six vials. Next, add the peas and beads to the appropriate respirometers. Place one set of respirometers into the room temperature water bath and the other set in the ice water bath. Elevate the respirometers by setting the pipettes onto masking tape and allow them to equilibrate for five minutes. Next, lower the respirometers into the water baths and take reading at 0, 5, 10, 15, and 20 minutes. Record the results in the table.


CELLULAR RESPIRATION PRACTICE PROBLEMS

What is the chemical reaction for cellular respiration? Glucose + Oxygen –> Carbon Dioxide + Water + ATP (energy)
Which organisms perform cellular respiration? All carbon based organisms.
Why do all living organisms require cellular respiration to survive? In other words, what is the point, or goal, of cellular respiration? (please write a full sentence or two). The goal of cellular respiration is to harvest and amplify the energy which a cell gets from broken glucose bonds. All carbon based organisms require it to survive because without it the cell would not have energy.
What is the goal of the electron transport chain? (please write a full sentence or two) The goal of the electron transport chain is to move electrons from protein to protein while creating a hydrogen gradient. This hydrogen gradient eventually forces the ATP Synthase to amplify ATP and expel water and carbon.
In the electron transport chain, what molecules are the electron donors? In the transport chain NAD and FADH2 are electron donors.
When the electrons move protein to protein in the chain, what ion to they pull through the membrane? They pull H+ ions through the membrane.
What molecule is the final electron acceptor? Oxygen is the final electron acceptor.
When this final molecules accepts the electron, what molecule does it become? When oxygen accepts the hydrogen electron it becomes water.
The ion gradient is used to power which enzyme, and produce what molecules out of ADP and P? The hydrogen ion gradient powers the enzyme ATP Synthase, it produces ATP out of ADP and P.
PHOTOSYNTHESIS PRACTICE PROBLEMS:

What is the chemical reaction for photosynthesis? Carbon Dioxide + Water + Sun (energy) –> Glucose + Oxygen
Which organisms perform photosynthesis? All organisms with chloroplasts.
Why do all living organisms require photosynthesis to survive? In other words, what is the point, or goal, of photosynthesis? (please write a full sentence or two) All living organisms require photosynthesis to gather energy from the sun and create glucose for sustenance. Organisms which do not photosynthesize require photosynthesis because it also produces oxygen and glucose, two necessary components for carbon based organisms.
If energy is not created or destroyed (First Law of Thermodynamics), where does the energy for all living things originally come from? Is this an unlimited source of energy? The energy for all living things comes from the sun, this is an unlimited source of energy in some aspects because it will produce energy for the next 4 billion years.

Look at the diagram above and identify each labeled component of photosynthesis. Write the appropriate letter in the diagram next to the correct word in the word bank below.

Example: Thylakoid: __B__ (there should be an arrow to the green circular stacks)
Light (photons): __D___
Glucose: _K____
Light reactions: __C___
ADP+P: __M___
NADP+: __L___
Chloroplast: _A____
Calvin Cycle: __I___
ATP: __G___
H2O: __E___
NADPH: __H___
O2: __F___
The space surrounding the thylakoid membranes within the chloroplast is called the _stroma_________.
In the light reactions, what molecules are the electron donors? Water is an electron donor in light reactions.
When the electrons move protein to protein in the chain, what ion to they pull through the membrane? When electrons move from protein to protein they pull hydrogen ions thorough the membrane.
What molecule is the final electron acceptor? NADP+ is the final molecule to accept an electron.
The ion gradient is used to power which enzyme, and produce what molecules out of ADP and P? The ion gradient is used to power ATP Synthesis and produce ATP out of ADP and P.
What is the goal of the Calvin Cycle? The goal of the Clavin Cycle is to convert CO2 into glucose.
What are the reactants and products of the Calvin Cycle? The reactants of the Calvin Cycle are CO2 and the product is glucose.
From where does the cell get the energy to complete the reaction in the Calvin Cycle? The cell gets energy to complete the reaction from the light reactions.
For what does a cell use glucose? The cell uses glucose to get energy to complete cellular respiration.


MrBorden's Biology Rattler Site Room 664

Check google classroom for homework!

Oct 20 2014 Monday
Qfd: The most powerful weapon on earth is the human soul on fire.- Marshall Ferdinand Foch
Essential Question: Write he formula for photosynthesis and balance the equation
Todays Learning Objective: Students will know and understand LS1.C: Organization for Matter and Energy Flow in Organisms •The process of photosynthesis converts light energy to stored chemical energy by converting carbon dioxide plus water into sugars plus released oxygen.
•The sugar molecules thus formed contain carbon, hydrogen, and oxygen: their hydrocarbon backbones are used to make amino acids and other carbon-based molecules that can be assembled into larger molecules (such as proteins or DNA), used for example to form new cells. by writing Cornell notes and answering questions
1) concept map

WORD BANK

2 ATP
2 ATP
36 ATP
6 NADH
2 FADH
Electron transport chain
Mitocondria
Citoplasma
Fermentation
Glucólisis
Glucosa
Piruvato
Lactic acid
Kreb’s Cycle

Oct 21 2014 Tuesday
Qfd: Our prime purpose in this life is to help others. And if you can’t help them, at least don’t hurt them.- Tenzin Gyatso, 14th Dalai Lama
Essential Question: Describe how respiration helps to maintain homeostasis in the body
Todays Learning Objective: Students know and will be able to create a flow (thinking) map concerning how energy is transferred from one system of interacting molecules to another. Cellular respiration is a chemical process in which the bonds of food molecules and oxygen molecules are broken and new compounds are formed that can transport energy to muscles. Cellular respiration also releases the energy needed to maintain body temperature despite ongoing energy transfer to the surrounding environment.
1) CELLULAR RESPIRATION review worksheet





Oct 22 2014 Wednesday
Qfd: The purpose of life is to discover your gift. The meaning of life is to give your gift away.- David Viscott
Essential Question: How are sugar molecules formed? What energy source do they use
Todays Learning Objective: Students know and will be able to create a flow (thinking) map concerning how energy is transferred from one system of interacting molecules to another. Cellular respiration is a chemical process in which the bonds of food molecules and oxygen molecules are broken and new compounds are formed that can transport energy to muscles. Cellular respiration also releases the energy needed to maintain body temperature despite ongoing energy transfer to the surrounding environment.
1) Quiz



https://www.educreations.com/lesson/embed/25525641/?s=MCjOhZ&ref=app
Oct 23 2014 Thursday
Qfd: Service is the rent we pay to be living. It is the very purpose of life and not something you do in your spare time.- Marian Wright Edelman
Essential Question:
Todays Learning Objective: LS2.B: Cycles of Matter and Energy Transfer in Ecosystems: Students will know and understand:Photosynthesis and cellular respiration (including anaerobic processes) provide most of the energy for life processes by creating a model using the biome in a bottle lab

2) hand in cellular respiration handout

3) biomes research construction

Oct 24 2014 Friday
Qfd: That is happiness to be dissolved into something completely great.- Willa Cather
Essential Question: Can you design an experiment that combines an animal and a plant?
Todays Learning Objective:LS2.B: Cycles of Matter and Energy Transfer in Ecosystems: Students will know and understand: Photosynthesis and cellular respiration (including anaerobic processes) provide most of the energy for life processes by creating a model using the biome in a bottle lab
This was found at science of a drunk in driver crash few weeks ago by my friend who is an EMT



Comentarios:

  1. Northclif

    Hay algo en esto. Gracias por la explicación.

  2. Jorgen

    ¡Muy buena publicación! ¡Gracias por el trabajo que has hecho!

  3. Alpheus

    Lo siento, pero en mi opinión, estás equivocado. Propongo discutirlo. Escríbeme en PM, habla.

  4. Sepp

    ¿No has probado Google.com todavía?

  5. Boreas

    Bueno, como dicen, el tiempo borra el error y pule la verdad

  6. Kaiser

    si, lo dijiste correctamente



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