CELL RESPIRATION

Slide1CELL RESPIRATIONChapter 9 CP Biology PAUL VI CATHOLIC HIGH SCHOOL

Slide2CELL RESPIRATION• Breathing and Respiration are  not  the same. • Breathing allows the exchange of  O 2  and CO 2 between an organism and its environment. • In cellular respiration Mitochondria use O 2  and produces CO 2  as waste. CO 2 CO 2 O 2 O 2 Bloodstream Muscle cells carrying out Cellular Respiration Breathing Glucose    O 2 CO 2   H 2 O   ATP Lungs

Slide3CELL RESPIRATIONPhotosynthesis and cellular respiration provide energy for life – Cellular respiration makes ATP and consumes O 2 during the oxidation of glucose to CO 2  and H 2 O – Photosynthesis uses solar energy to produce glucose and O 2  from CO 2  and H 2 O CO 2 H 2 O Glucose O 2 ATP ECOSYSTEM Sunlight energy Photosynthesis in chloroplasts Cellular respiration in mitochondria (for cellular work) Heat energy  

Slide4–Cellular respiration breaks down glucose molecules and banks their energy in ATP – -”Glucose” used in examples for convenience.  Other organic molecules are also used as “food” – Glucose releases chemical bond energy, which the cell stores in the chemical bonds of ATP – Multi-step process not a single reaction C 6 H 12 O 6 CO 2 6 H 2 O ATPs Glucose Oxygen gas Carbon dioxide 6 Water Energy O 2 6 + + + Figure 6.3

Slide5CELL RESPIRATION– Electrons lose potential energy during their transfer from organic compounds to oxygen – When glucose is converted to carbon dioxide it loses hydrogen atoms, which are added to oxygen, producing water C 6 H 12 O 6 6 O 2 6 CO 2 6 H 2 O Loss of hydrogen atoms (oxidation) Gain of hydrogen atoms (reduction) Energy (ATP) Glucose + + +

Slide6CELL RESPIRATIONGLUCOSE CATABOLISM STAGE I:   GLYCOLYSIS STAGE II:  PYRUVATE OXIDATION STAGE III: KREBS CYCLE STAGE IV: ELECTRON TRANSPORT

Slide7CELL RESPIRATIONCellular Respiration Overview Video

Slide8Glycolysis harvests chemical energy byoxidizing glucose to pyruvate • ATP is used to prime a glucose molecule Which is split into two molecules of pyruvate NAD  NADH H  Glucose 2 Pyruvate ATP 2 P 2 ADP 2 2 2 2 + + Figure 6.7A

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Slide10CELL RESPIRATIONA. GLYCOLYSIS : occurs in the cytoplasm of every living cell 1.  Glucose Priming :    changes glucose into a molecule that can be “cleaved”. Requires 2 molecules of ATP Phosphofructokinase: commits   glucose to glycolysis

Slide11–In the first phase of glycolysis ATP is used to energize a glucose molecule, which is then split in two ATP Glucose PREPARATORY PHASE (energy investment) ADP Step Glucose-6-phosphate Fructose-6-phosphate P P Fructose-1,6-diphosphate ATP ADP P P  Steps       –       A fuel molecule is energized, using ATP.  Step        A six-carbon intermediate splits into two three-carbon intermediates. 1 2 3 4 4 1 3 Figure 6.7C

Slide12CELL RESPIRATION2 .  Splitting & Rearrangement : Six carbon compound splits to (2) 3 “C” compounds. Fructose 1,6, Diphosphate into (2) G3P ( Glyceraldehyde-3-Phosphate) “Substrate Level Phosphorylation”   Making ATP (4 molecules/glucose)

Slide13In Glycolysis ATP is produced bysubstrate-level phosphorylation - a phosphate group is transferred from an organic molecule to ADP using an enzyme Enzyme Adenosine Organic molecule (substrate) ADP ATP P P P P P Figure 6.7B

Slide14PyruvateATP ADP ATP ADP P ATP ATP ADP ADP P 2-Phosphoglycerate P H 2 O H 2 O Phosphoenolpyruvate (PEP)  Steps      –       ATP and pyruvate are produced. P 3   -Phosphoglycerate P P 9 9 6 6 7 7 8 8 6 9  Step      A redox reaction generates NADH. P NADH NADH P P P P P P +H  +H  ENERGY PAYOFF PHASE Glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) 1,3   -Diphosphoglycerate P 5 6 9 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 NAD  NAD  – In the second phase of glycolysis • ATP, NADH, and pyruvate are formed Figure 6.7C

Slide15CELL RESPIRATION   3.  Oxidation:   Removal of electrons (energy) & transfer to NAD +      NADH    4.  ATP Generation :  4 reactions that convert G3P to Pyruvate - Generates 2 ATP per Pyruvate

Slide16•At the end of Stage 1 (Glycolysis) two molecules of pyruvate have been formed. • Pyruvate moves from the cytoplasm into the mitochondria. NAD  NADH H  Glucose 2 Pyruvate ATP 2 P 2 ADP 2 2 2 2 + + CELL RESPIRATION

Slide17CELL RESPIRATIONGlycolysis Results in:     Glucose       2 molecules Pyruvate   Each pyruvate 2 ADP      2 ATP Each G3P 2 NAD +       NADH

Slide18CELL RESPIRATION   B.  Oxidation of Pyruvate:   Occurs in mitochondrion 1.  Aerobic  conditions Pyruvate    OXIDIZED to Acetyl CoA 2.  Anaerobic  conditions result    in FERMENTATION REACTIONS

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Slide21CELL RESPIRATIONFERMENTATION REACTIONS:     1.Lactic Acid Fermentation : Pyruvate REDUCED to Lactate No CO 2  removal NADH      NAD +    2.  Alcohol Fermentation : Fungal (Yeast) Cells Pyruvate REDUCED to Alcohol CO 2  Removed; NADH     NAD +

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Slide24CELL RESPIRATIONC. KREBS CYCLE:     1. “Priming” Reactions Prepares molecule for energy extraction Acetyl CoA (2C) joins oxaloacetate (4C) to form Citrate (6C) Citrate isomerizes to Isocitrate Krebs Cycle/ Citric Acid Cycle Video

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Slide26CELL RESPIRATIONC. KREBS CYCLE:    2. “Energy Extraction” Oxidation rxns disassemble the molecule • Decarboxylation Reactions • Reduction NAD +   NADH • Reduction FAD +     FADH 2 • Regeneration oxaloacetate

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Slide28CELL RESPIRATIOND. ELECTRON TRANSPORT       System of REDOX reactions      Series of membrane electron carriers • Ubiquinone (quinone molecule) • Cytochromes (contain Fe ++ ) OXYGEN is final electron acceptor Water is final product (two H + ) attach to oxygen

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Slide30CELL RESPIRATIOND. ELECTRON TRANSPORT: The movement of electrons down    the concentration gradient to    O 2  (the final acceptor) sends    protons (H + ) to the intermembrane    space  ETC Video Video clip Protons move thru ATP synthase    making ATP from ADP (Oxidative Phosphorylation) Gradients (ATP Synthase) video

Slide31most atp production occurs by oxidative phosphorylation• Most of the carrier molecules are included in the three main protein complexes • Carriers bind and release electrons in redox reactions Intermembrane space Inner mitochondrial membrane Mitochondrial matrix Protein complex Electron flow Electron carrier NADH NAD + FADH 2 FAD H 2 O ATP ADP ATP synthase H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H +  P O 2 Electron Transport Chain Chemiosmosis . OXIDATIVE PHOSPHORYLATION +   2 1 2 Figure 6.10

Slide32–Energy released redox reactions sed to pump H + into the space between the mitochondrial membranes – Resulting H+ gradient stores potential energy – In chemiosmosis, the H +  diffuses back through the inner membrane through ATP synthase complexes • Driving the synthesis of ATP Intermembrane space Inner mitochondrial membrane Mitochondrial matrix Protein complex Electron flow Electron carrier NADH NAD + FADH 2 FAD H 2 O ATP ADP ATP synthase H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H + H +  P O 2 Electron Transport Chain Chemiosmosis . OXIDATIVE PHOSPHORYLATION +   2 1 2 Figure 6.10

Slide33CELL RESPIRATIONENERGY (ATP) YIELD per GLUCOSE Glycolysis:  2 ATP  (substrate level phosphorylation)   Ox. of Pyruvate: 2 NADH (3 ATP per)   Krebs Cycle:  6 NADH (3 ATP per) 2 FADH 2  (1-2 ATP per) 2 ATP via GTP   Electron Transport: 32 ATP  (oxidative phosphorylation)

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Slide35CELL RESPIRATIONAlternate Sources for Metabolism     Glycolytic pathway thru ETS is “final common pathway”    Other macromolecules can be utilized    Lipids via  β - oxidation    Proteins via deamination (NH 3 )    Nucleic Acids via deamination

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Slide37CELL RESPIRATIONControl  of Glucose Catabolism     Feedback inhibition Phosphofructokinase inhibited by:    ATP levels    Citrate levels Phosphofructokinase stimulated by    ADP levels    AMP levels

Slide38CELL RESPIRATIONThere is a mutualistic symbiotic relationship between the products of glycolysis and the reactants for photosynthesis. This is an interrelationship between the mitochondria and chloroplast.  

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