Name: cellular energy from glucose breakdown
Uploaded: 2019-01-29T11:04:45.000Z
Duration: 5 min
Channel: JoVE

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North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Biology

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From Molecules to Organisms- Structures and Processes

LS.Bio.3.3

Cellular Respiration

Todo lo que está vivo requiere una fuente de energía para alimentar sus actividades. En última instancia, esa fuente de energía es el sol. Entonces, ¿cómo aprovecharon los organismos de la Tierra esta energía? Todo comienza con los fotosintetizadores. Estos organismos son capaces de tomar dióxido de carbono y agua y luego usar la energía capturada del sol como fotones para forzar a estas moléculas a unirse, produciendo glucosa y oxígeno. La glucosa es la clave para el siguiente paso crítico, uno que casi todos los organismos utilizan de una forma u otra: la respiración celular. La respiración celular es llevada a cabo por enzimas, ya sea en la membrana celular en procariotas o en las mitocondrias en eucariotas.

La reacción química comienza descomponiendo la glucosa usando oxígeno para crear dióxido de carbono y agua nuevamente, pero en el proceso, la energía que originalmente se utilizó para hacer la molécula de glucosa va a dos nuevos lugares. Una de ellas es la síntesis de ATP, o moléculas de trifosfato de adenosina, una fuente de energía que las células pueden utilizar fácilmente. El resto se pierde en forma de calor. Hasta ahora, hemos estado hablando de un tipo de respiración celular que utiliza oxígeno, y esto se conoce como respiración aeróbica, pero algunos organismos y células son capaces de hacer respiración en ausencia de oxígeno. A esto se le llama respiración anaeróbica. Y en lugar de producir CO2 y agua, este proceso produce etanol como subproducto. La fermentación es un ejemplo de este tipo de respiración. Así es como la levadura es capaz de producir alcohol en recipientes sellados. Podemos usar una herramienta llamada respirómetro para medir la respiración aeróbica. En pocas palabras, este dispositivo mide la cantidad de oxígeno utilizada por un organismo, germinando semillas de plantas en este caso. Las semillas en germinación están respirando, lo que significa que podemos esperar que estén consumiendo oxígeno y liberando dióxido de carbono. Todavía no tienen sus partes verdes, por lo que no están realizando la fotosíntesis.

La medición de la respiración en un respirómetro utiliza un método inteligente basado en la ley de los gases ideales, P por V es igual a n por R por T. P es la presión del sistema. V es el volumen del gas. n es el número de moles de gas presentes. R es la constante de gas ideal... y T es la temperatura absoluta. En pocas palabras, esto significa que puede averiguar cuántas moléculas de gas están presentes en una muestra midiendo su volumen, suponiendo que conozca la presión y la temperatura, porque R es una constante.

Los respirómetros contienen hidróxido de potasio, que atrapa el dióxido de carbono en forma sólida como carbonato de potasio. Entonces, debido a la respiración celular, el oxígeno en el tubo sellado es utilizado por las semillas y liberan dióxido de carbono, que a su vez queda atrapado como carbonato de potasio. Por lo tanto, a medida que avanza la respiración celular, el volumen total de gas dentro del sistema disminuye. Podemos cuantificar esto conectando el respirómetro a un dispositivo llamado manómetro. Aquí, a medida que se consumen las moléculas de oxígeno, la presión cae dentro de la cámara del respirómetro y un líquido coloreado dentro de un pequeño tubo capilar es arrastrado en la dirección de la presión disminuida. A continuación, podemos estimar la cantidad de gas que queda en el tubo del respirómetro leyendo el valor en el nivel del manómetro. Este sistema versátil se puede configurar con muchas variables diferentes, como diferentes temperaturas, por ejemplo, y se puede usar para probar la tasa de respiración en muchos tipos diferentes de organismos vivos.

En este laboratorio, utilizará un respirómetro y un manómetro para medir la tasa de respiración de las semillas en germinación.

respiración celular

<h4>autótrofos y heterótrofos</h4>

Los organismos vivos requieren un aporte continuo de energía para mantener las funciones celulares y del organismo, como el crecimiento, la reparación, el movimiento, la defensa y la reproducción. Las células solo pueden usar energía química para alimentar sus funciones, por lo tanto, necesitan recolectar energía de los enlaces químicos de las biomoléculas, como los azúcares y los lípidos. Los organismos autótrofos, a saber, las plantas, las algas y las bacterias fotosintéticas y quimiosintéticas, convierten los materiales inorgánicos en tales biomoléculas aprovechando la energía del medio ambiente, como la luz solar durante la fotosíntesis. Los organismos heterótrofos son incapaces de sintetizar biomoléculas de alta energía a partir de materiales inorgánicos, por lo que obtienen energía consumiendo compuestos de carbono producidos por otros organismos, principalmente a partir de autótrofos. Cuando se necesita energía, los enlaces químicos de los compuestos de carbono se rompen para recolectar la energía almacenada en estos enlaces. Los procesos para recolectar energía a partir de biomoléculas se denominan respiración celular.

La respiración celular ocurre tanto en organismos autótrofos como heterótrofos, donde la energía se vuelve disponible para el organismo más comúnmente a través de la conversión de difosfato de adenosina (ADP) en trifosfato de adenosina (ATP). Hay dos tipos principales de respiración celular: la respiración aeróbica y la respiración anaeróbica. La respiración aeróbica es un tipo específico de respiración celular, en la que se requiere oxígeno (O2) para crear ATP. En este caso, la glucosa (C6, H,12,O6) puede oxidarse completamente en una serie de reacciones enzimáticas para producir dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).

<h4>Respiración aeróbica</h4>

La respiración aeróbica se produce en tres etapas. Un proceso llamado glucólisis divide la glucosa en dos moléculas de tres carbonos llamadas piruvato. Este proceso libera energía, parte de la cual se transfiere al ATP. A continuación, las moléculas de piruvato entran en las mitocondrias para participar en una serie de reacciones llamadas ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido cítrico. Esto completa la descomposición de la glucosa, recolectando parte de la energía en ATP y transfiriendo electrones a las moléculas portadoras. En la última etapa, conocida como fosforilación oxidativa, los electrones pasan a través de un sistema de transporte de electrones en la membrana interna mitocondrial, que mantiene un gradiente de iones de hidrógeno. Las células aprovechan la energía de este gradiente de protones para generar la mayor parte del ATP durante la respiración aeróbica.

<h4>Respiración anaeróbica</h4>

La respiración aeróbica requiere oxígeno, sin embargo, hay muchos organismos que viven en lugares donde el oxígeno no está fácilmente disponible o donde otros productos químicos abruman el medio ambiente. Los extremófilos son bacterias que pueden vivir en lugares como respiraderos hidrotermales de aguas profundas o cuevas submarinas. En lugar de utilizar el oxígeno para someterse a la respiración celular, estos organismos utilizan aceptores inorgánicos como el nitrato o el azufre, que son más fáciles de obtener en estos entornos hostiles. Este proceso se denomina respiración anaeróbica.

Cuando el oxígeno no está presente y la respiración celular no puede tener lugar, se produce una respiración anaeróbica especial llamada fermentación. La fermentación comienza con la glucólisis para capturar parte de la energía almacenada en la glucosa en ATP. Sin embargo, dado que no se produce la fosforilación oxidativa, la fermentación produce menos moléculas de ATP que la respiración aeróbica. En los seres humanos, la fermentación ocurre en los glóbulos rojos que carecen de mitocondrias, así como en los músculos durante la actividad extenuante que genera ácido láctico como subproducto, por lo que se denomina fermentación del ácido láctico. Algunas bacterias llevan a cabo la fermentación del ácido láctico y se utilizan para elaborar productos como el yogur. En la levadura, un proceso conocido como fermentación alcohólica genera etanol y dióxido de carbono como subproductos, y ha sido utilizado por los humanos para fermentar bebidas o leudar masa.

<h4>Fotosíntesis</h4>

La respiración celular junto con la fotosíntesis es una característica de la transferencia de energía y materia, y destaca la interacción de los organismos con su entorno y otros organismos de la comunidad. La respiración celular tiene lugar dentro de las células individuales, sin embargo, a escala de los ecosistemas, el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono a través de la fotosíntesis y la respiración celular afecta los niveles de oxígeno atmosférico y dióxido de carbono.

Curiosamente, los procesos de respiración celular y fotosíntesis son directamente opuestos entre sí, donde los productos de una reacción son los reactivos de la otra. La fotosíntesis produce la glucosa que se utiliza en la respiración celular para producir ATP. Esta glucosa se convierte de nuevo en CO2 durante la respiración, que es un reactivo utilizado en la fotosíntesis. Más específicamente, la fotosíntesis construye una molécula de glucosa a partir de seis moléculas de CO2 y seis moléculas de H2O capturando energía de la luz solar y libera seis moléculas deO2 como subproducto. La respiración celular utiliza seis moléculas deO2 para convertir una molécula de glucosa en seis moléculas de CO2 y seis moléculas deH2O, al tiempo que aprovecha la energía en forma de ATP y calor.

<h4>Medición de la respiración</h4>

Los científicos pueden medir la tasa de respiración celular utilizando un respirómetro mediante la evaluación de la tasa de intercambio de oxígeno. Comprender la Ley de los Gases Ideales es de fundamental importancia para saber cómo funciona el respirómetro. La Ley del Gas Ideal establece que el número de moléculas de gas en un recipiente se puede determinar a partir de la presión, el volumen y la temperatura. Más específicamente, el producto del volumen y la presión de un gas es igual al producto del número de moléculas de gas, la constante de gas ideal y la temperatura del gas. Los respirómetros contienen hidróxido de potasio que atrapa el dióxido de carbono que se produce por la respiración en forma sólida como carbonato de potasio. Cuando las células consumen oxígeno, el volumen de gas en el sistema de respirómetro disminuye sin que el dióxido de carbono lo vuelva a aumentar, lo que permite a los científicos calcular la cantidad de oxígeno utilizada utilizando la ecuación del gas ideal.

La respiración celular es un proceso importante que crea energía utilizable para los organismos, por lo tanto, estudiar los contextos en los que se mejora o se impide no solo es interesante, sino también necesario. Especialmente, las mitocondrias son esenciales para la respiración celular y cualquier condición que afecte la salud mitocondrial tiene inmensas consecuencias para la salud del organismo. Por ejemplo, las miopatías mitocondriales son un grupo de enfermedades neuromusculares causadas por daño mitocondrial, que afecta predominantemente a las células nerviosas y musculares, que requieren altos niveles de energía para funcionar1. Además, muchos venenos actúan inhibiendo la respiración celular. Por ejemplo, el cianuro inhibe la producción de ATP a través de la fosforilación oxidativa, por lo que comprender los mecanismos del cianuro u otros venenos metabólicos permite el tratamiento de las personas que han estado expuestas a ellos2. Del mismo modo, algunos medicamentos, como ciertos antibióticos, quimioterapias, estatinas y anestésicos, también pueden interferir con la función mitocondrial y pueden no ser adecuados para tratar a pacientes con trastornos mitocondriales.

<h4>Referencias</h4>

<ol class="referencias">
	<li>Lin, MT y Beal, MF. Disfunción mitocondrial y estrés oxidativo en enfermedades neurodegenerativas. naturaleza. 2006, Vol. 443, (787-95).</li>
	<li>Beasley, DMG y Glass, Wisconsin. Intoxicación por cianuro: fisiopatología y recomendaciones de tratamiento. medicina del trabajo. Vol. 48, 7 (427-31).</li>
	<li>Finsterer, J y Segall, L. Fármacos que interfieren con los trastornos mitocondriales. Droga Toxicol químico. 2010 , Vol. 33, 2 (138-51).</li>
</ol>

Respiración Celular

autótrofos y heterótrofos

Los organismos vivos requieren un aporte continuo de energía para mantener las funciones celulares y del organismo, como el crecimiento, la reparación, ...

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Procesos celulares

cellular energy from glucose breakdown

Cellular respiration is the process cells use to release usable energy from biomolecules such as sugars and lipids. Living things need a steady energy supply for growth, repair, movement, defense, and reproduction. Cells use that energy mainly by converting adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP).

Autotrophs and heterotrophs get the molecules for respiration in different ways. Autotrophs, such as plants, algae, and photosynthetic and chemosynthetic bacteria, build high-energy biomolecules from inorganic materials by using energy from the environment, such as sunlight. Heterotrophs cannot make those molecules from inorganic materials, so they obtain carbon compounds by eating other organisms, mainly autotrophs.

Aerobic respiration needs oxygen to make ATP. In this form of respiration, glucose can be fully broken down through a series of enzyme-driven reactions into carbon dioxide and water. Aerobic respiration has three stages: glycolysis, the Krebs cycle, and oxidative phosphorylation.

Glycolysis splits one glucose molecule into two three-carbon pyruvate molecules. It releases energy, and some of that energy is captured in ATP. The pyruvate then enters the mitochondria, where the Krebs cycle, also called the citric acid cycle, finishes breaking down the glucose and loads electrons onto carrier molecules.

The last stage is oxidative phosphorylation. In this step, electrons move through an electron transport system in the inner mitochondrial membrane. This helps build a hydrogen ion gradient, and cells use that gradient to make most of the ATP in aerobic respiration.

Some organisms live where oxygen is scarce or where other chemicals dominate the environment. Extremophiles, which are bacteria found in places such as deep ocean hydrothermal vents or underwater caves, may use inorganic acceptors like nitrate or sulfur instead of oxygen. This is called anaerobic respiration.

When oxygen is absent and cellular respiration cannot continue, cells can use fermentation. Fermentation begins with glycolysis and makes some ATP, but it does not include oxidative phosphorylation, so it produces fewer ATP molecules than aerobic respiration. In humans, lactic acid fermentation occurs in red blood cells, which lack mitochondria, and in muscles during strenuous activity. Some bacteria also use lactic acid fermentation, which is why they are used to make yogurt.

Yeast carry out alcoholic fermentation. This pathway produces ethanol and carbon dioxide as byproducts. People use it to ferment beverages and to help dough rise.

Cellular respiration and photosynthesis are linked processes that move energy and matter through ecosystems. They are direct opposites in many ways because the products of one are the reactants of the other. Photosynthesis uses sunlight to build one glucose molecule from six carbon dioxide and six water molecules and releases six oxygen molecules. Cellular respiration uses six oxygen molecules to break one glucose molecule into six carbon dioxide and six water molecules while capturing energy as ATP and heat.

Scientists can measure respiration rates with a respirometer by tracking oxygen exchange. This method depends on the Ideal Gas Law, which relates pressure, volume, temperature, and the number of gas molecules. Respirometers contain potassium hydroxide, which traps carbon dioxide as potassium carbonate. As cells use oxygen, gas volume in the system drops, and scientists can use the ideal gas equation to calculate oxygen use.

Cellular respiration matters for health because mitochondria are essential to the process. Mitochondrial myopathies are neuromuscular diseases caused by mitochondrial damage, and they mainly affect nerve and muscle cells that need a lot of energy. Many poisons also block respiration. Cyanide, for example, inhibits ATP production through oxidative phosphorylation, and some antibiotics, chemotherapeutics, statins, and anesthetics can also interfere with mitochondrial function.

Cellular Energy From Glucose Breakdown

photosynthesis

Photosynthesis: Light, Sugars, and Carbon

Photosynthesis turns sunlight into chemical energy in the form of glucose. This process powers most life on Earth by helping autotrophs, or primary producers, make food. The glucose they make can provide quick energy or be stored as starch for later use. Consumers depend on these producers for energy. Photosynthesis happens in many kinds of organisms. Cyanobacteria, some protists such as algae, and plants can all carry out this process. In eukaryotic cells, it takes place in the chloroplast.

cellular respiration

Cellular respiration is the process cells use to release usable energy from biomolecules such as sugars and lipids. Living things need a steady energy supply for growth, repair, movement, defense, and reproduction. Cells use that energy mainly by converting adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP). Autotrophs and heterotrophs get the molecules for respiration in different ways. Autotrophs, such as plants, algae, and photosynthetic and chemosynthetic bacteria, build...

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Cell Cycle, Mitosis, and Meiosis

Cell division is essential for growth, repair, and reproduction in living organisms. It lets single-celled organisms create a new organism and helps multicellular organisms make new cells for development and for replacing damaged cells. In multicellular species, cell division also makes reproductive cells needed for reproduction. Before a cell divides, it must copy its genetic material and split it into two daughter cells. This process is called the cell cycle. Although the timing can vary...

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Water Movement in Plants

Water movement in plants depends on transpiration and the vascular system. Plants must move water and dissolved nutrients from the roots to the leaves. They also exchange materials with the environment as part of normal life processes. Vascular plants use bundles of tissues that run from the roots to the tips of the plant. Root hairs absorb water and nutrients, and osmosis moves water into the xylem, the main water-conducting tissue. Water then travels to the tallest parts of the plant and...

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Factors That Shape Enzyme Function

Enzymes are biological catalysts that help living things run biochemical reactions faster. They lower activation energy, which is the energy needed to start a reaction. Enzymes are not used up in the process, so they can keep working again and again. Most enzymes are proteins, although some ribonucleic acid molecules also have catalytic activity. Each enzyme usually binds only one or a few specific substrates. This selectivity depends on the enzyme’s active site, which fits its substrate like...

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Cells are the smallest and basic units of life, whether it is a single cell that forms the entire organism, e.g., in a bacterium or trillions of them, ...

Cell Size

Cell sizes vary widely among and within organisms. Bacterial cells range between 1-10 micrometers (&#x3BC;m)and are considerably smaller than most ...

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One of the distinguishing features of eukaryotic cells is that they contain membrane-bound organelles, such as the nucleus and mitochondria, that carry ...

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Prokaryotes are small unicellular organisms that include the domains&#x2014;Archaea and Bacteria. Bacteria include many common organisms, such as ...

Cytoplasm

The cytoplasm consists of organelles and a framework of protein scaffolds called the cytoskeleton suspended in an aqueous solution, the cytosol. The ...

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Endoplasmic ReticulumThe endoplasmic reticulum (ER) is an extensive network of membranous sacs and tubules in eukaryotic cells, continuous with the outer ...

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Ribosomes translate genetic information encoded by messenger RNA (mRNA) into proteins. Both prokaryotic and eukaryotic cells have ribosomes. Cells that ...

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Lysosomes are membrane-enclosed spherical sacs derived from the Golgi apparatus. The most important function of the lysosome is degrading macromolecules ...

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Peroxisomes and mitochondria are two important oxygen-utilizing organelles in eukaryotic cells. Mitochondria carry out cellular respiration&#x2014;the ...

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Overview of the Cytoskeleton
The cytoskeleton is a network of protein filaments present within the cell, having three distinct filaments ...

Introduction to Actin

Actin is a highly conserved cytoskeletal protein found abundantly in eukaryotic cells. It constitutes 10% weight of the total cellular protein in muscle ...

Cell Structure

Background
Cells represent the most basic biological units of all organisms, whether it be simple, single-celled organisms like bacteria, or large, ...

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Overview of Myosin Structure and Function

Myosins are a family of molecular motor proteins, first identified in the skeletal muscles, where they are responsible for muscle contraction. Along with ...

Visualizing Onion and Cheek Cells
ExpandImmediately before the experiment, wash and peel onion bulbs for the class.
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The intermediate filaments are one of three widely studied cytoskeletal filaments. They are so named as their diameter (10 nm) is in between that of ...

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The intermediate filaments are an essential component of the cytoskeleton. Presently six types of intermediate filament have been identified. Type I and ...

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Multicellular organisms employ a variety of ways for cells to communicate with each other. Gap junctions are specialized proteins that form pores between ...

The Extracellular Matrix

In order to maintain tissue organization, many animal cells are surrounded by structural molecules that make up the extracellular matrix (ECM). Together, ...

Tissues

Cells with similar structure and function are grouped into tissues. A group of tissues with a specialized function is called an organ. There are four main ...

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The plant cell wall gives plant cells shape, support, and protection. As a cell matures, its cell wall specializes according to the cell type. For ...

Plasmodesmata

The organs in a multicellular organism&#x2019;s body are made up of tissues formed by cells. To work together cohesively, cells must communicate. One way ...

Use models to explain how the structure of organelles determines its function and supports overall cell processes.

LS.Bio.1.3

Cells are the smallest and basic units of life, whether it is a single cell that forms the entire organism, e.g., in a bacterium, or trillions of them, ...

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The Tree of Life - Bacteria, Archaea, and Eukaryotes

Prokaryotes are small unicellular organisms that include the domains &#8212; Archaea and Bacteria. Bacteria include many common microorganisms, such as ...

Prokaryotic vs. Eukaryotic Cells

Prokaryotic and eukaryotic cells represent two fundamental types of cellular organization, differing significantly in structure, complexity, and function. ...

Construct explanations to compare prokaryotic and eukaryotic cells in terms of structures and degree of complexity.

LS.Bio.1.4

Analyze how the relationship between structure and function supports life processes within organisms.

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