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L'hydrogène pourrait-il remplacer l'oxygène dans la respiration cellulaire ?

L'hydrogène pourrait-il remplacer l'oxygène dans la respiration cellulaire ?



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Je me demandais ce que l'oxygène fait réellement dans le corps. J'ai vu quelques réponses à d'autres questions qui impliquent la chaîne d'électrons et je ne suis vraiment pas sûr de ce que c'est. Je me demandais donc ce que fait l'oxygène et l'hydrogène pourrait-il faire la même chose en tant que substitut?


Non, l'hydrogène ne pourrait pas remplacer l'oxygène car il a des caractéristiques totalement différentes. Le plus important est probablement son électronégativité - l'oxygène "attire" des électrons beaucoup plus "forts" que l'hydrogène.

Notions de base : Potentiel de réduction

L'oxygène est ce qu'on appelle l'accepteur d'électrons terminal de la chaîne de transport d'électrons chez les eucaryotes. Vous pouvez voir le "potentiel de réduction" comme une sorte d'"énergie" stockée par les molécules, similaire à la puissance stockée dans les batteries (très similaire en fait). Pour raccourcir un peu ce texte, je l'appellerai désormais "RP".

Un détail peut-être déroutant est que une substance à faible RP a « plus d'énergie » qu'une substance à RP élevé, c'est donc l'inverse.

En termes très généraux, le métabolisme signifie que les molécules à faible RP (glucose) sont oxydées (brûlées) et se transforment en molécules à RP beaucoup plus élevé (CO2). Couplé à cela, une molécule différente avec un RP très élevé (oxygène) est réduite et devient une molécule avec un RP légèrement inférieur (H2O). (Vous avez peut-être déjà entendu cela - c'est ce qu'on appelle une réaction redox.) *

L'important est que le PR "libéré" par l'oxydation (combustion) soit plus grand que le PR "repris" par la réduction. Le surplus laisse sous forme d'énergie - chaleur et lumière si vous brûlez simplement le glucose. Il s'agit d'un processus spontané, ce qui signifie qu'il se produira tout seul - même si cela prend un certain temps longue temps si personne ne laisse tomber une allumette dessus.

L'idée du métabolisme est de laisser ce processus se produire - mais d'utiliser autant d'énergie qu'il libère que possible. Cela fonctionne non seulement en le laissant brûler, mais en interceptant ce processus de gravure à différentes étapes afin qu'à chaque étape, une partie du RP puisse être retirée et stockée dans quelque chose d'autre. Ce "quelque chose d'autre" est NAD que je suis sûr que vous avez déjà rencontré. À chaque étape de combustion du glucose, un autre morceau de NADH est produit, qui a alors un potentiel de réduction respectable.

Le NADH (en omettant le NADPH ici qui est un peu différent) est canalisé dans un processus appelé phosphorylation oxydative qui récupère le potentiel de réduction sous une forme réelle d'énergie.

Notions de base : accepteur d'électrons terminal

Enfin, le potentiel de réduction dont j'ai parlé tout le temps n'est en réalité que des électrons, impliqués dans des liaisons qui sont « heureuses » de réagir. La transmission du potentiel de réduction, comme je l'ai expliqué, est en réalité une transmission d'électrons dans des liaisons de plus en plus stables et moins réactives. C'est pourquoi on l'appelle "chaîne de transport d'électrons". À la fin de la phosphorylation oxydative, ces électrons sont déposés sur O2 et le transformer en H2O. C'est pourquoi O2 est appelé « accepteur terminal d'électrons ».

Pourquoi l'hydrogène ne peut pas remplacer l'oxygène

Revenons maintenant aux raisons pour lesquelles l'hydrogène ne peut pas remplir la fonction de l'oxygène dans notre corps. Nous utilisons le glucose comme source de puissance de réduction et l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons. O a une électronégativité élevée (3,5) et attire donc fortement les électrons vers lui. L'électronégativité de H n'est que de 2,1, elle est donc beaucoup plus faible. O en tant qu'accepteur d'électrons terminal fonctionne parce qu'il les attire beaucoup plus fort que H lorsqu'ils se lient, donc une liaison O-H est presque comme donner à l'oxygène un électron. Pour que l'hydrogène gazeux (H2) pour remplir la même fonction, il faudrait pouvoir déposer des électrons sur l'hydrogène dans une liaison où il les attire beaucoup plus fort que l'autre partenaire. Ils existent et de tels composés sont appelés hydrures. Mais le hic, c'est : contrairement à H2O, ce sont normalement des agents réducteurs forts, ce qui signifie que l'hydrogène préférerait ne pas être dans cette liaison. Ce n'est pas une option envisageable pour la respiration cellulaire, du moins chez l'homme, car elle nécessite beaucoup d'entrée RP. Transformer l'oxygène en H2O fait ne pas nécessitent beaucoup, c'est un accepteur d'électrons très bon marché.

J'espère que j'ai pu le dire en termes compréhensibles. Faites-moi savoir si j'ai besoin de clarifier quelque chose.

--

*Il fonctionne avec d'autres molécules que le glucose->CO2 /O2->H2Oh aussi, beaucoup de procaryotes font ça et en fait c'est comme ça que les batteries fonctionnent


Je dirais que même si vous ne pouvez pas simplement remplacer l'oxygène par de l'hydrogène et vous attendre à ce que la vie continue normalement, il est possible que les êtres vivants soient énergétiquement fournis par H.2 s'il se trouvait dans l'environnement en quantité suffisante. Ce n'est qu'une spéculation car Armatus souligne que le métabolisme ne fonctionne pas de cette façon chez les animaux, mais je pense qu'il est tout à fait possible qu'un organisme vivant puisse vivre de H2 comme source d'énergie.

Les extrémophiles peuvent métaboliser le soufre dans les évents sous-marins plutôt que l'oxygène.

Dans le sol, les métabolismes anoxiques réduisent l'azote gazeux en ammoniac.

La photosynthèse utilise la lumière pour réduire le CO2 au glucose. L'oxygène moléculaire de l'atmosphère est entièrement fourni par la photosynthèse, et à un moment donné, il y en avait peu ou pas dans l'atmosphère et des êtres vivants se trouvaient partout. Le métabolisme du glucose est venu après O2 apparu.

L'essentiel est que H2 stocke une quantité raisonnable d'énergie même si l'oxygène libre n'est pas disponible pour entraîner la formation d'eau à partir d'un autre oxyde, ou même d'une chimie plus exotique. Il n'y a pas de raison thermodynamique pour que cela ne fonctionne pas et la biologie sur terre s'est avérée polyvalente pour obtenir de l'énergie chimique partout où elle en a besoin.

Sa xénobiologie et ses spéculations, mais je pense que si les micro-organismes évoluaient sur une géante gazeuse avec une atmosphère principalement d'hydrogène, ils pourraient utiliser l'énergie redox de H2, qui est assez réactif même sans O2 présent.


La phosphorylation oxydative

Vous venez de lire sur deux voies du catabolisme du glucose - la glycolyse et le cycle de l'acide citrique - qui génèrent de l'ATP. Cependant, la plupart de l'ATP généré pendant le catabolisme aérobie du glucose n'est pas généré directement à partir de ces voies. Au contraire, il est dérivé d'un processus qui commence par le déplacement des électrons à travers une série de transporteurs d'électrons qui subissent des réactions d'oxydoréduction. Cela provoque l'accumulation d'ions hydrogène dans l'espace de la matrice. Par conséquent, un gradient de concentration se forme dans lequel les ions hydrogène diffusent hors de l'espace de la matrice en passant par l'ATP synthase. Le courant d'ions hydrogène alimente l'action catalytique de l'ATP synthase, qui phosphoryle l'ADP, produisant de l'ATP.


Chapitre 9 – Respiration cellulaire

· Pour accomplir leurs nombreuses tâches, les cellules vivantes ont besoin d'énergie provenant de sources extérieures.

· L'énergie pénètre dans la plupart des écosystèmes sous forme de lumière solaire et repart sous forme de chaleur.

· La photosynthèse génère de l'oxygène et des molécules organiques que les mitochondries des eucaryotes utilisent comme carburant pour la respiration cellulaire.

· Les cellules récoltent l'énergie chimique stockée dans les molécules organiques et l'utilisent pour régénérer l'ATP, la molécule qui dirige la plupart du travail cellulaire.

· La respiration a trois voies principales : la glycolyse, le cycle de l'acide citrique et la phosphorylation oxydative.

A. Les principes de la récupération d'énergie

1. La respiration cellulaire et la fermentation sont des voies cataboliques productrices d'énergie.

· L'arrangement des atomes des molécules organiques représente l'énergie potentielle.

· Les enzymes catalysent la dégradation systématique des molécules organiques riches en énergie en des déchets plus simples et moins énergivores.

· Une partie de l'énergie libérée est utilisée pour effectuer un travail, le reste est dissipée sous forme de chaleur.

· Les voies métaboliques cataboliques libèrent l'énergie stockée dans des molécules organiques complexes.

· Un type de processus catabolique, fermentation, conduit à la dégradation partielle des sucres en l'absence d'oxygène.

· Un processus catabolique plus efficace et plus répandu, respiration cellulaire, consomme de l'oxygène comme réactif pour achever la décomposition d'une variété de molécules organiques.

° Dans les cellules eucaryotes, les mitochondries sont le siège de la plupart des processus de la respiration cellulaire.

· La respiration cellulaire est similaire dans son principe général à la combustion de l'essence dans un moteur d'automobile après que l'oxygène est mélangé avec du carburant hydrocarboné.

° La nourriture est le carburant de la respiration. L'échappement est du dioxyde de carbone et de l'eau.

° composés organiques + O2 à CO2 + H2O + énergie (ATP + chaleur).

· Les glucides, les graisses et les protéines peuvent tous être utilisés comme carburant, mais il est plus utile de considérer le glucose.

° C6H12O6 + 6O2 à 6CO2 + 6H2O + Énergie (ATP + chaleur)

· Le catabolisme du glucose est exergonique avec un D G de -686 kcal par mole de glucose.

° Une partie de cette énergie est utilisée pour produire de l'ATP, qui peut effectuer un travail cellulaire.

2. Les réactions redox libèrent de l'énergie lorsque les électrons se rapprochent des atomes électronégatifs.

· Les voies cataboliques transfèrent les électrons stockés dans les molécules alimentaires, libérant de l'énergie qui est utilisée pour synthétiser l'ATP.

· Les réactions qui entraînent le transfert d'un ou plusieurs électrons d'un réactif à un autre sont des réactions d'oxydo-réduction, ou Réactions redox.

° La perte d'électrons est appelée oxydation.

° L'addition d'électrons s'appelle réduction.

· La formation de sel de table à partir de sodium et de chlorure est une réaction redox.

° Ici le sodium est oxydé et le chlore est réduit (sa charge chute de 0 à -1).

· Plus généralement : Xe− + Y à X + Ye−

° X, le donneur d'électrons, est le agent réducteur et réduit Y.

° Y, le récepteur d'électrons, est le agent d'oxydation et oxyde X.

· Les réactions redox nécessitent à la fois un donneur et un accepteur.

· Des réactions d'oxydoréduction se produisent également lorsque le transfert d'électrons n'est pas complet mais implique une modification du degré de partage des électrons dans les liaisons covalentes.

° Dans la combustion du méthane pour former de l'eau et du dioxyde de carbone, les liaisons covalentes non polaires du méthane (C—H) et de l'oxygène (O=O) sont converties en liaisons covalentes polaires (C=O et O—H).

° Lorsque le méthane réagit avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone, les électrons se retrouvent plus loin de l'atome de carbone et plus près de leurs nouveaux partenaires covalents, les atomes d'oxygène, qui sont très électronégatifs.

° En effet, l'atome de carbone a partiellement « perdu » ses électrons partagés. Ainsi, le méthane a été oxydé.

· Les deux atomes de la molécule d'oxygène partagent également leurs électrons. Lorsque l'oxygène réagit avec l'hydrogène du méthane pour former de l'eau, les électrons des liaisons covalentes se rapprochent de l'oxygène.

° En effet, chaque atome d'oxygène a partiellement « gagné » des électrons, et donc la molécule d'oxygène a été réduite.

° L'oxygène est très électronégatif et est l'un des plus puissants de tous les agents oxydants.

· De l'énergie doit être ajoutée pour éloigner un électron d'un atome.

· Plus l'atome est électronégatif, plus il faut d'énergie pour lui enlever un électron.

· Un électron perd de l'énergie potentielle lorsqu'il passe d'un atome moins électronégatif à un atome plus électronégatif.

· Une réaction redox qui déplace les électrons plus près de l'oxygène, comme la combustion du méthane, libère de l'énergie chimique qui peut fonctionner.

3. La « chute » des électrons pendant la respiration se fait par étapes, via NAD+ et une chaîne de transport d'électrons.

· La respiration cellulaire n'oxyde pas le glucose en une seule étape qui transfère tout l'hydrogène du carburant en oxygène en une seule fois.

· Au contraire, le glucose et d'autres carburants sont décomposés en une série d'étapes, chacune catalysée par une enzyme spécifique.

° Aux étapes clés, les électrons sont dépouillés du glucose.

° Dans de nombreuses réactions d'oxydation, l'électron est transféré avec un proton, comme un atome d'hydrogène.

· Les atomes d'hydrogène ne sont pas transférés directement à l'oxygène mais sont d'abord transmis à une coenzyme appelée NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide).

· Comment le NAD+ piège-t-il les électrons du glucose ?

° Les enzymes déshydrogénases retirent deux atomes d'hydrogène du carburant (par exemple, le glucose), en l'oxydant.

° L'enzyme passe deux électrons et un proton au NAD+.

° L'autre proton est libéré sous forme de H+ dans la solution environnante.

· En recevant deux électrons et un seul proton, le NAD+ voit sa charge neutralisée lorsqu'il est réduit en NADH.

° Le NAD+ fonctionne comme agent oxydant dans de nombreuses étapes redox pendant le catabolisme du glucose.

· Les électrons transportés par le NADH ont perdu très peu de leur énergie potentielle dans ce processus.

· Chaque molécule de NADH formée pendant la respiration représente l'énergie stockée. Cette énergie est exploitée pour synthétiser l'ATP lorsque les électrons « tombent » du NADH vers l'oxygène.

· Comment les électrons extraits des aliments et stockés par le NADH sont-ils finalement transférés à l'oxygène ?

° Contrairement à la libération explosive d'énergie thermique qui se produit lorsque H2 et O2 sont combinés (avec une étincelle pour l'énergie d'activation), la respiration cellulaire utilise un chaîne de transport d'électrons pour briser la chute des électrons en O2 en plusieurs étapes.

· La chaîne de transport d'électrons est constituée de plusieurs molécules (principalement des protéines) intégrées à la membrane interne d'une mitochondrie.

· Les électrons libérés par les aliments sont transportés par le NADH vers l'extrémité « supérieure » ​​de la chaîne à haute énergie.

· À l'extrémité inférieure d'énergie inférieure, l'oxygène capture les électrons avec H+ pour former de l'eau.

· Le transfert d'électrons du NADH à l'oxygène est une réaction exergonique avec un changement d'énergie libre de -53 kcal/mol.

· Les électrons sont transmis à des molécules de plus en plus électronégatives dans la chaîne jusqu'à ce qu'elles réduisent l'oxygène, le récepteur le plus électronégatif.

· En résumé, lors de la respiration cellulaire, la plupart des électrons parcourent la voie « descendante » suivante : nourriture à NADH à chaîne de transport d'électrons à oxygène.

B. Le processus de la respiration cellulaire

1. Ce sont les étapes de la respiration cellulaire : un aperçu.

· La respiration se déroule en trois étapes métaboliques : la glycolyse, le cycle de l'acide citrique et la chaîne de transport d'électrons et la phosphorylation oxydative.

· Glycolyse se produit dans le cytoplasme.

° Il commence le catabolisme en brisant le glucose en deux molécules de pyruvate.

· Les le cycle de l'acide citrique se produit dans la matrice mitochondriale.

° Il complète la dégradation du glucose en oxydant un dérivé du pyruvate en dioxyde de carbone.

· Plusieurs étapes de la glycolyse et du cycle de l'acide citrique sont des réactions d'oxydoréduction dans lesquelles les enzymes déshydrogénases transfèrent des électrons des substrats au NAD+, formant le NADH.

· NADH transmet ces électrons à la chaîne de transport d'électrons.

· Dans la chaîne de transport d'électrons, les électrons se déplacent de molécule en molécule jusqu'à ce qu'ils se combinent avec l'oxygène moléculaire et les ions hydrogène pour former de l'eau.

· Au fur et à mesure qu'ils passent le long de la chaîne, l'énergie transportée par ces électrons est transformée dans la mitochondrie en une forme qui peut être utilisée pour synthétiser de l'ATP via la phosphorylation oxydative.

· La membrane interne de la mitochondrie est le site du transport d'électrons et de la chimiosmose, processus qui constituent ensemble la phosphorylation oxydative.

° La phosphorylation oxydative produit près de 90 % de l'ATP généré par la respiration.

· De l'ATP est également formé directement pendant la glycolyse et le cycle de l'acide citrique par la phosphorylation au niveau du substrat.

° Ici, une enzyme transfère un groupe phosphate d'un substrat organique à l'ADP, formant l'ATP.

· Pour chaque molécule de glucose dégradée en dioxyde de carbone et en eau par la respiration, la cellule fabrique jusqu'à 38 ATP, chacune avec 7,3 kcal/mol d'énergie libre.

· La respiration utilise les petites étapes de la voie respiratoire pour briser la grande dénomination d'énergie contenue dans le glucose en une petite variation d'ATP.

° La quantité d'énergie en ATP est plus appropriée au niveau de travail requis dans la cellule.

2. La glycolyse récolte l'énergie chimique en oxydant le glucose en pyruvate.

· Au cours de la glycolyse, le glucose, un sucre à six carbones, est divisé en deux sucres à trois carbones.

· Ces sucres plus petits sont oxydés et réarrangés pour former deux molécules de pyruvate, la forme ionisée de l'acide pyruvique.

· Chacune des dix étapes de la glycolyse est catalysée par une enzyme spécifique.

· Ces étapes peuvent être divisées en deux phases : une phase d'investissement énergétique et une phase de rentabilité énergétique.

· Dans la phase d'investissement énergétique, la cellule investit l'ATP pour fournir de l'énergie d'activation en phosphorylant le glucose.

° Cela nécessite 2 ATP par glucose.

· Dans la phase de gain énergétique, l'ATP est produit par phosphorylation au niveau du substrat et le NAD+ est réduit en NADH par les électrons libérés par l'oxydation du glucose.

· Le rendement net de la glycolyse est de 2 ATP et 2 NADH par glucose.

° Aucun CO2 n'est produit lors de la glycolyse.

· La glycolyse peut se produire, que l'O2 soit présent ou non.

3. Le cycle de l'acide citrique achève l'oxydation énergétique des molécules organiques.

· Plus des trois quarts de l'énergie originelle du glucose sont encore présents dans les deux molécules de pyruvate.

· Si de l'oxygène est présent, le pyruvate pénètre dans la mitochondrie où les enzymes du cycle de l'acide citrique complètent l'oxydation du combustible organique en dioxyde de carbone.

· Une fois que le pyruvate est entré dans la mitochondrie via un transport actif, il est converti en un composé appelé acétyl coenzyme A ou l'acétyl-CoA.

· Cette étape est accomplie par un complexe multienzymatique qui catalyse trois réactions :

1. Un groupe carboxyle est éliminé sous forme de CO2.

2. Le fragment à deux carbones restant est oxydé pour former de l'acétate. Une enzyme transfère la paire d'électrons au NAD+ pour former le NADH.

3. L'acétate se combine avec la coenzyme A pour former la molécule très réactive acétyl CoA.

· L'acétyl CoA est maintenant prêt à introduire son groupe acétyle dans le cycle de l'acide citrique pour une oxydation plus poussée.

· Le cycle de l'acide citrique est également appelé cycle de Krebs en l'honneur de Hans Krebs, qui était en grande partie responsable de l'élucidation de ses voies dans les années 1930.

· Le cycle de l'acide citrique oxyde le combustible organique dérivé du pyruvate.

° Le cycle de l'acide citrique comporte huit étapes, chacune catalysée par une enzyme spécifique.

° Le groupe acétyle de l'acétyl CoA rejoint le cycle en se combinant avec le composé oxaloacétate, formant du citrate.

° Les sept étapes suivantes décomposent le citrate en oxaloacétate. C'est la régénération de l'oxaloacétate qui fait de ce processus un cycle.

° Trois molécules de CO2 sont libérées, dont celle libérée lors de la conversion du pyruvate en acétyl CoA.

· Le cycle génère un ATP par tour par phosphorylation au niveau du substrat.

° Une molécule GTP est formée par phosphorylation au niveau du substrat.

° Le GTP est ensuite utilisé pour synthétiser un ATP, le seul ATP généré directement par le cycle de l'acide citrique.

· La majeure partie de l'énergie chimique est transférée au NAD+ et au FAD lors des réactions redox.

· Les coenzymes réduites NADH et FADH2 transfèrent ensuite des électrons de haute énergie à la chaîne de transport d'électrons.

· Chaque cycle produit un ATP par phosphorylation au niveau du substrat, trois NADH et un FADH2 par acétyl CoA.

4. La membrane mitochondriale interne couple le transport d'électrons à la synthèse d'ATP.

· Seulement 4 des 38 ATP finalement produits par la respiration du glucose sont produits par phosphorylation au niveau du substrat.

° Deux sont produites lors de la glycolyse, et 2 sont produites lors du cycle de l'acide citrique.

· NADH et FADH2 représentent la grande majorité de l'énergie extraite de la nourriture.

° Ces coenzymes réduites relient la glycolyse et le cycle de l'acide citrique à la phosphorylation oxydative, qui utilise l'énergie libérée par la chaîne de transport d'électrons pour alimenter la synthèse d'ATP.

· La chaîne de transport d'électrons est un ensemble de molécules enchâssées dans les crêtes, la membrane interne repliée de la mitochondrie.

° Le repliement des crêtes augmente sa surface, laissant place à des milliers de copies de la chaîne dans chaque mitochondrie.

° La plupart des composants de la chaîne sont des protéines liées à des groupements prothétiques, composants non protéiques essentiels à la catalyse.

· Les électrons chutent en énergie libre lorsqu'ils descendent la chaîne de transport d'électrons.

· Pendant le transport des électrons le long de la chaîne, les porteurs d'électrons alternent entre des états réduits et oxydés lorsqu'ils acceptent et donnent des électrons.

° Chaque composant de la chaîne se réduit lorsqu'il accepte les électrons de son voisin « ascendant », qui est moins électronégatif.

° Il revient ensuite à sa forme oxydée en passant des électrons à son voisin « descendant » plus électronégatif.

· Les électrons transportés par le NADH sont transférés à la première molécule de la chaîne de transport d'électrons, une flavoprotéine.

· Les électrons continuent le long de la chaîne qui comprend plusieurs cytochrome protéines et un transporteur lipidique.

° Le groupe prothétique de chaque cytochrome est un groupe hème avec un atome de fer qui accepte et donne des électrons.

· Le dernier cytochrome de la chaîne, cyt a3, passe ses électrons à l'oxygène, qui est très électronégatif.

° Chaque atome d'oxygène capte également une paire d'ions hydrogène de la solution aqueuse pour former de l'eau.

° Pour deux porteurs d'électrons (quatre électrons), une molécule d'O2 est réduite à deux molécules d'eau.

· Les électrons portés par FADH2 ont une énergie libre inférieure et sont ajoutés à un niveau d'énergie inférieur à ceux portés par NADH.

° La chaîne de transport d'électrons fournit environ un tiers d'énergie en moins pour la synthèse d'ATP lorsque le donneur d'électrons est FADH2 plutôt que NADH.

· La chaîne de transport d'électrons ne génère pas d'ATP directement.

· Sa fonction est de briser la grande baisse d'énergie libre de la nourriture à l'oxygène en une série d'étapes plus petites qui libèrent de l'énergie en quantités gérables.

· Comment la mitochondrie associe-t-elle le transport d'électrons et la libération d'énergie à la synthèse d'ATP ?

° La réponse est un mécanisme appelé chimiosmose.

· Un complexe protéique, ATP synthase, dans les crêtes fabrique en fait de l'ATP à partir d'ADP et de Pi.

· L'ATP utilise l'énergie d'un gradient de protons existant pour alimenter la synthèse d'ATP.

° Le gradient de protons se développe entre l'espace intermembranaire et la matrice.

· Le gradient de protons est produit par le mouvement des électrons le long de la chaîne de transport d'électrons.

· La chaîne est un convertisseur d'énergie qui utilise le flux exergonique d'électrons pour pomper H+ de la matrice dans l'espace intermembranaire.

· Les protons retournent à la matrice par un canal dans l'ATP synthase, en utilisant le flux exergonique de H+ pour conduire la phosphorylation de l'ADP.

· Ainsi, l'énergie stockée dans un gradient H+ à travers une membrane couple les réactions redox de la chaîne de transport d'électrons à la synthèse d'ATP.

· En étudiant la structure de l'ATP synthase, les scientifiques ont appris comment le flux de H+ à travers cette grande enzyme alimente la génération d'ATP.

· L'ATP synthase est un complexe multi-sous-unités avec quatre parties principales, chacune composée de plusieurs polypeptides :

1. Un rotor dans la membrane mitochondriale interne.

2. Un bouton qui fait saillie dans la matrice mitochondriale.

3. Une tige interne s'étendant du rotor dans le bouton.

4. Un stator, ancré à côté du rotor, qui maintient le bouton immobile.

· Les protons s'écoulent dans un espace étroit entre le stator et le rotor, provoquant la rotation du rotor et de sa tige attachée.

° La tige en rotation provoque des changements de conformation dans le bouton stationnaire, activant trois sites catalytiques dans le bouton où l'ADP et le phosphate inorganique se combinent pour produire de l'ATP.

· Comment la membrane mitochondriale interne génère-t-elle et maintient-elle le gradient H+ qui commande la synthèse d'ATP dans le complexe protéique ATP synthase ?

° La création du gradient H+ est la fonction de la chaîne de transport d'électrons.

° L'ETC est un convertisseur d'énergie qui utilise le flux exergonique d'électrons pour pomper H+ à travers la membrane de la matrice mitochondriale à l'espace intermembranaire.

° Le H+ a tendance à diffuser vers le bas de son gradient.

· Les molécules d'ATP synthase sont le seul endroit où H+ peut rediffuser vers la matrice.

° Le flux exergonique de H+ est utilisé par l'enzyme pour générer de l'ATP.

° Ce couplage des réactions redox de la chaîne de transport d'électrons à la synthèse d'ATP est appelé chimiosmose.

· Comment la chaîne de transport d'électrons pompe-t-elle les protons ?

° Certains membres de la chaîne de transport d'électrons acceptent et libèrent H+ avec les électrons.

° A certaines étapes de la chaîne, les transferts d'électrons provoquent la reprise et la libération de H+ dans la solution environnante.

· Les porteurs d'électrons sont disposés spatialement dans la membrane de telle sorte que les protons sont acceptés de la matrice mitochondriale et déposés dans l'espace intermembranaire.

° Le gradient H+ qui en résulte est le force motrice de protons.

° Le gradient a la capacité de faire du travail.

· La chimiosmose est un mécanisme de couplage énergétique qui utilise l'énergie stockée sous la forme d'un gradient H+ à travers une membrane pour piloter le travail cellulaire.

· Dans les mitochondries, l'énergie pour la formation du gradient de protons provient de réactions d'oxydoréduction exergoniques, et la synthèse d'ATP est le travail effectué.

· La chimiosmose dans les chloroplastes génère également de l'ATP, mais la lumière entraîne le flux d'électrons le long d'une chaîne de transport d'électrons et la formation d'un gradient H+.

· Les procaryotes génèrent des gradients H+ à travers leur membrane plasmique.

° Ils peuvent utiliser cette force protonique non seulement pour générer de l'ATP, mais aussi pour pomper des nutriments et des déchets à travers la membrane et pour faire tourner leurs flagelles.

5. Voici un compte rendu de la production d'ATP par la respiration cellulaire.

· Au cours de la respiration cellulaire, la plupart des flux d'énergie du glucose à NADH à chaîne de transport d'électrons à proton-force motrice à ATP.

· Considérons les produits générés lorsque la respiration cellulaire oxyde une molécule de glucose en six molécules de CO2.

· Quatre molécules d'ATP sont produites par phosphorylation au niveau du substrat pendant la glycolyse et le cycle de l'acide citrique.

· Beaucoup plus de molécules d'ATP sont générées par phosphorylation oxydative.

· Chaque NADH provenant du cycle de l'acide citrique et de la conversion du pyruvate contribue suffisamment d'énergie à la force proton-motrice pour générer un maximum de 3 ATP.

° Le NADH de la glycolyse peut également produire 3 ATP.

· Chaque FADH2 du cycle de l'acide citrique peut être utilisé pour générer environ 2 ATP.

· Pourquoi notre comptabilité est-elle si inexacte ?

· Il y a trois raisons pour lesquelles nous ne pouvons pas énoncer un nombre exact de molécules d'ATP générées par une molécule de glucose.

1. La phosphorylation et les réactions redox ne sont pas directement couplées les unes aux autres, de sorte que le rapport du nombre de NADH au nombre d'ATP n'est pas un nombre entier.

° Un NADH entraîne le transport de 10 H+ à travers la membrane mitochondriale interne.

° Entre 3 et 4 H+ doivent rentrer dans la matrice mitochondriale via l'ATP synthase pour générer 1 ATP.

° Par conséquent, 1 NADH génère suffisamment de force protonique pour la synthèse de 2,5 à 3,3 ATP.

° Nous arrondissons et disons que 1 NADH génère 3 ATP.

2. Le rendement en ATP varie légèrement selon le type de navette utilisée pour transporter les électrons du cytosol vers la mitochondrie.

° La membrane interne mitochondriale est imperméable au NADH, de sorte que les deux électrons du NADH produits lors de la glycolyse doivent être acheminés dans la mitochondrie par l'un des nombreux systèmes de navette électronique.

° Dans certains systèmes navettes, les électrons sont transmis au NAD+, qui génère 3 ATP. Dans d'autres, les électrons sont transmis au FAD, qui ne génère que 2 ATP.

3. La force proton-motrice générée par les réactions redox de la respiration peut conduire à d'autres types de travail, tels que l'absorption mitochondriale du pyruvate du cytosol.

° Si toute la force protonique générée par la chaîne de transport d'électrons était utilisée pour conduire la synthèse d'ATP, une molécule de glucose pourrait générer un maximum de 34 ATP par phosphorylation oxydative plus 4 ATP (net) à partir de la phosphorylation au niveau du substrat pour donner un rendement total de 36 à 38 ATP (selon l'efficacité de la navette).

· Dans quelle mesure la respiration est-elle efficace pour générer de l'ATP ?

° L'oxydation complète du glucose libère 686 kcal/mol.

° La phosphorylation de l'ADP pour former de l'ATP nécessite au moins 7,3 kcal/mol.

° L'efficacité de la respiration est de 7,3 kcal/mol fois 38 ATP/glucose divisé par 686 kcal/mol de glucose, ce qui équivaut à 0,4 ou 40 %.

° Environ 60 % de l'énergie du glucose est perdue sous forme de chaleur.

§ Une partie de cette chaleur est utilisée pour maintenir notre température corporelle élevée (37°C).

· La respiration cellulaire est remarquablement efficace dans la conversion d'énergie.

C. Processus métaboliques associés

1. La fermentation permet à certaines cellules de produire de l'ATP sans l'aide d'oxygène.

· Sans oxygène électronégatif pour tirer les électrons le long de la chaîne de transport, la phosphorylation oxydative cesse.

· Cependant, la fermentation fournit un mécanisme par lequel certaines cellules peuvent oxyder le combustible organique et générer de l'ATP sans utiliser d'oxygène.

° Dans la glycolyse, le glucose est oxydé en deux molécules de pyruvate avec NAD+ comme agent oxydant.

° La glycolyse est exergonique et produit 2 ATP (net).

° Si de l'oxygène est présent, de l'ATP supplémentaire peut être généré lorsque le NADH livre ses électrons à la chaîne de transport d'électrons.

· La glycolyse génère 2 ATP si l'oxygène est présent (aérobique) ou pas (anaérobie).

· Le catabolisme anaérobie des sucres peut se produire par fermentation.

· La fermentation peut générer de l'ATP à partir du glucose par phosphorylation au niveau du substrat tant qu'il y a un apport de NAD+ pour accepter les électrons.

° Si le pool de NAD+ est épuisé, la glycolyse s'arrête.

° Dans des conditions aérobies, le NADH transfère ses électrons à la chaîne de transfert d'électrons, en recyclant le NAD+.

· Dans des conditions anaérobies, diverses voies de fermentation génèrent de l'ATP par glycolyse et recyclent le NAD+ en transférant des électrons du NADH au pyruvate ou aux dérivés du pyruvate.

· Dans fermentation alcoolique, le pyruvate est converti en éthanol en deux étapes.

° Premièrement, le pyruvate est converti en un composé à deux carbones, l'acétaldéhyde, par l'élimination du CO2.

° Deuxièmement, l'acétaldéhyde est réduit par le NADH en éthanol.

° La fermentation alcoolique par les levures est utilisée en brasserie et en vinification.

· Pendant fermentation lactique, le pyruvate est réduit directement par le NADH pour former du lactate (la forme ionisée de l'acide lactique) sans libération de CO2.

° La fermentation lactique par certains champignons et bactéries est utilisée pour faire du fromage et du yaourt.

° Les cellules musculaires humaines passent de la respiration aérobie à la fermentation lactique pour générer de l'ATP lorsque l'O2 est rare.

§ Le déchet, le lactate, peut provoquer une fatigue musculaire, mais il est finalement reconverti en pyruvate dans le foie.

· La fermentation et la respiration cellulaire sont des alternatives anaérobies et aérobies, respectivement, pour la production d'ATP à partir de sucres.

° Les deux utilisent la glycolyse pour oxyder les sucres en pyruvate avec une production nette de 2 ATP par phosphorylation au niveau du substrat.

° Les deux utilisent le NAD+ comme agent oxydant pour accepter les électrons des aliments pendant la glycolyse.

· Les deux processus diffèrent dans leur mécanisme d'oxydation du NADH en NAD+.

° En fermentation, les électrons du NADH sont transmis à une molécule organique pour régénérer le NAD+.

° Dans la respiration, les électrons du NADH sont finalement transmis à l'O2, générant de l'ATP par phosphorylation oxydative.

· Plus d'ATP est généré par l'oxydation du pyruvate dans le cycle de l'acide citrique.

° Sans oxygène, l'énergie encore stockée dans le pyruvate est indisponible pour la cellule.

° En respiration aérobie, une molécule de glucose produit 38 ATP, mais la même molécule de glucose ne produit que 2 ATP en respiration anaérobie.

· La levure et de nombreuses bactéries sont anaérobies facultatives qui peuvent survivre en utilisant soit la fermentation soit la respiration.

° Au niveau cellulaire, les cellules musculaires humaines peuvent se comporter comme des anaérobies facultatifs.

· Pour les anaérobies facultatifs, le pyruvate est une fourche dans la voie métabolique qui mène à deux voies alternatives.

° Dans des conditions aérobies, le pyruvate est converti en acétyl CoA et l'oxydation se poursuit dans le cycle de l'acide citrique.

° Dans des conditions anaérobies, le pyruvate sert d'accepteur d'électrons pour recycler le NAD+.

· Les plus anciens fossiles bactériens ont plus de 3,5 milliards d'années, apparaissant bien avant des quantités appréciables d'O2 accumulées dans l'atmosphère.

° Par conséquent, les premiers procaryotes peuvent avoir généré de l'ATP exclusivement à partir de la glycolyse.

· Le fait que la glycolyse soit une voie métabolique omniprésente et se produise dans le cytosol sans organites membranaires suggère que la glycolyse a évolué tôt dans l'histoire de la vie.

2. La glycolyse et le cycle de l'acide citrique se connectent à de nombreuses autres voies métaboliques.

· La glycolyse peut accepter une large gamme de glucides pour le catabolisme.

° Les polysaccharides comme l'amidon ou le glycogène peuvent être hydrolysés en monomères de glucose qui entrent dans la glycolyse.

° D'autres sucres hexoses, tels que le galactose et le fructose, peuvent également être modifiés pour subir une glycolyse.

· 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.

Chaîne de transport d'électrons

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!

Respiration anaérobie

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.


Respiration cellulaire 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 glycolyse.
  2. In stage two, the pyruvate molecules are transported into the mitochondria. Les mitochondries 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 Cycle 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 chaîne de transport d'électrons. 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? Les des produits 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.

Glycolyse

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 pyruvate molécules. 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 aérobique 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 anaérobie conditions, much less (only two!) ATP are produced.


Aerobic Respiration

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

Explication:

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

Photosynthèse

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.

Respiration cellulaire

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. They are not! 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 et 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
Mitochondrie
Cytoplasme
Fermentation
Glycolyse
Glucose
Pyruvate
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