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

Tudo o que está vivo requer uma fonte de energia para alimentar suas atividades. Em última análise, essa fonte de energia é o sol. Como então os organismos na Terra aproveitaram essa energia? Tudo começa com os fotossintetizadores. Esses organismos são capazes de pegar dióxido de carbono e água e, em seguida, usar a energia capturada do sol como fótons para forçar essas moléculas a se unirem, produzindo glicose e oxigênio. A glicose é a chave para o próximo passo crítico, que quase todos os organismos usam de uma forma ou de outra - a respiração celular. A respiração celular é realizada por enzimas, seja na membrana celular dos procariontes ou nas mitocôndrias dos eucariotos.

A reação química começa quebrando a glicose usando oxigênio para criar dióxido de carbono e água novamente, mas no processo, a energia que originalmente foi usada para fazer a molécula de glicose vai para dois novos lugares. Uma delas é sintetizar ATP, ou moléculas de trifosfato de adenosina, uma fonte de energia que as células podem usar prontamente. O resto é perdido como calor. Até agora, falamos sobre um tipo de respiração celular que usa oxigênio, e isso é chamado de respiração aeróbica, mas alguns organismos e células são capazes de respirar na ausência de oxigênio. Isso é chamado de respiração anaeróbica. E em vez de produzir CO2 e água, esse processo faz o etanol como subproduto. A fermentação é um exemplo desse tipo de respiração. É assim que as leveduras são capazes de produzir álcool em recipientes lacrados. Podemos usar uma ferramenta chamada respirômetro para medir a respiração aeróbica. Muito simplesmente, este dispositivo mede a quantidade de oxigênio usada por um organismo, germinando sementes de plantas neste caso. As sementes em germinação estão respirando, o que significa que podemos esperar que elas usem oxigênio e liberem dióxido de carbono. Eles ainda não têm suas partes verdes, então não estão fotossintetizando.

Medir a respiração em um respirômetro usa um método inteligente baseado na lei dos gases ideais, P vezes V é igual a n vezes R vezes T. P é a pressão do sistema. V é o volume do gás. n é o número de moles de gás presentes. R é a constante ideal do gás... e T é a temperatura absoluta. Resumindo, isso significa que você pode descobrir quantas moléculas de gás estão presentes em uma amostra medindo seu volume, supondo que você conheça a pressão e a temperatura, porque R é uma constante.

Os respirômetros contêm hidróxido de potássio, que retém o dióxido de carbono na forma sólida como carbonato de potássio. Assim, devido à respiração celular, o oxigênio no tubo selado é usado pelas sementes e elas liberam dióxido de carbono, que por sua vez fica preso como carbonato de potássio. Assim, à medida que a respiração celular progride, o volume total de gás dentro do sistema diminui. Podemos quantificar isso conectando o respirômetro a um dispositivo chamado manômetro. Aqui, à medida que as moléculas de oxigênio são consumidas, a pressão cai dentro da câmara do respirômetro e um líquido colorido dentro de um minúsculo tubo capilar é puxado na direção da diminuição da pressão. Podemos então estimar a quantidade de gás restante no tubo do respirômetro lendo o valor no nível do manômetro. Este sistema versátil pode ser configurado com muitas variáveis diferentes, como diferentes temperaturas, por exemplo, e pode ser usado para testar a taxa de respiração em muitos tipos diferentes de organismos vivos.

Neste laboratório, você usará um respirômetro e um manômetro para medir a taxa de respiração das sementes em germinação.

respiração celular

<h4>Autótrofos e heterótrofos</h4>

Os organismos vivos requerem uma entrada contínua de energia para manter as funções celulares e do organismo, como crescimento, reparo, movimento, defesa e reprodução. As células só podem usar energia química para alimentar suas funções, portanto, precisam coletar energia de ligações químicas de biomoléculas, como açúcares e lipídios. Organismos autotróficos, ou seja, plantas, algas e bactérias fotossintéticas e quimiossintéticas, convertem materiais inorgânicos em tais biomoléculas, aproveitando a energia do ambiente, como a luz solar durante a fotossíntese. Organismos heterotróficos são incapazes de sintetizar biomoléculas de alta energia a partir de materiais inorgânicos, então eles obtêm energia consumindo compostos de carbono produzidos por outros organismos, principalmente de autótrofos. Quando a energia é necessária, as ligações químicas dos compostos de carbono são quebradas para colher a energia armazenada nessas ligações. Os processos para coletar energia das biomoléculas são chamados de respiração celular.

A respiração celular ocorre em organismos autotróficos e heterotróficos, onde a energia se torna disponível para o organismo mais comumente através da conversão de difosfato de adenosina (ADP) em trifosfato de adenosina (ATP). Existem dois tipos principais de respiração celular - respiração aeróbica e respiração anaeróbica. A respiração aeróbica é um tipo específico de respiração celular, na qual o oxigênio (O2) é necessário para criar ATP. Nesse caso, a glicose (C6H12O6) pode ser oxidada completamente em uma série de reações enzimáticas para produzir dióxido de carbono (CO2) e água (H2O).

<h4>Respiração aeróbica</h4>

A respiração aeróbica ocorre em três estágios. Um processo chamado glicólise divide a glicose em duas moléculas de três carbonos chamadas piruvato. Este processo libera energia, parte da qual é transferida para o ATP. Em seguida, as moléculas de piruvato entram na mitocôndria para participar de uma série de reações chamadas ciclo de Krebs, também conhecido como ciclo do ácido cítrico. Isso completa a quebra da glicose, colhendo parte da energia em ATP e transferindo elétrons para moléculas transportadoras. No último estágio, conhecido como fosforilação oxidativa, os elétrons passam por um sistema de transporte de elétrons na membrana interna mitocondrial, que mantém um gradiente de íons de hidrogênio. As células aproveitam a energia desse gradiente de prótons para gerar a maior parte do ATP durante a respiração aeróbica.

<h4>Respiração anaeróbica</h4>

A respiração aeróbica requer oxigênio, no entanto, existem muitos organismos que vivem em locais onde o oxigênio não está prontamente disponível ou onde outros produtos químicos sobrecarregam o meio ambiente. Extremófilos são bactérias que podem viver em lugares como fontes hidrotermais oceânicas profundas ou cavernas subaquáticas. Em vez de usar oxigênio para se submeter à respiração celular, esses organismos usam aceptores inorgânicos, como nitrato ou enxofre, que são mais facilmente obtidos nesses ambientes hostis. Esse processo é chamado de respiração anaeróbica.

Quando o oxigênio não está presente e a respiração celular não pode ocorrer, ocorre uma respiração anaeróbica especial chamada fermentação. A fermentação começa com a glicólise para capturar parte da energia armazenada na glicose em ATP. No entanto, como a fosforilação oxidativa não ocorre, a fermentação produz menos moléculas de ATP do que a respiração aeróbica. Em humanos, a fermentação ocorre em glóbulos vermelhos que não possuem mitocôndrias, bem como nos músculos durante a atividade extenuante gerando ácido lático como subproduto, por isso é chamada de fermentação do ácido lático. Algumas bactérias realizam a fermentação do ácido lático e são usadas para fazer produtos como iogurte. Na levedura, um processo conhecido como fermentação alcoólica gera etanol e dióxido de carbono como subprodutos e tem sido usado por humanos para fermentar bebidas ou fermentar massa.

<h4>Fotossíntese</h4>

A respiração celular, juntamente com a fotossíntese, é uma característica da transferência de energia e matéria e destaca a interação dos organismos com seu ambiente e outros organismos da comunidade. A respiração celular ocorre dentro de células individuais, no entanto, na escala dos ecossistemas, a troca de oxigênio e dióxido de carbono por meio da fotossíntese e da respiração celular afeta os níveis atmosféricos de oxigênio e dióxido de carbono.

Curiosamente, os processos de respiração celular e fotossíntese são diretamente opostos um do outro, onde os produtos de uma reação são os reagentes da outra. A fotossíntese produz a glicose que é usada na respiração celular para produzir ATP. Essa glicose é então convertida novamente em CO2 durante a respiração, que é um reagente usado na fotossíntese. Mais especificamente, a fotossíntese constrói uma molécula de glicose a partir de seis moléculas de CO2 e seis moléculas de H2O, capturando energia da luz solar e liberando seis moléculas de O2 como subproduto. A respiração celular usa seis moléculas de O2 para converter uma molécula de glicose em seis moléculas de CO2 e seis moléculas de H2O, aproveitando a energia como ATP e calor.

<h4>Medindo a respiração</h4>

Os cientistas podem medir a taxa de respiração celular usando um respirômetro, avaliando a taxa de troca de oxigênio. Compreender a Lei dos Gases Ideais é de fundamental importância para saber como funciona o respirômetro. A Lei dos Gases Ideais afirma que o número de moléculas de gás em um recipiente pode ser determinado a partir da pressão, volume e temperatura. Mais especificamente, o produto do volume e da pressão de um gás é igual ao produto do número de moléculas de gás, a constante ideal do gás e a temperatura do gás. Os respirômetros contêm hidróxido de potássio que retém o dióxido de carbono produzido pela respiração na forma sólida como carbonato de potássio. Quando as células consomem oxigênio, o volume de gás no sistema do respirômetro diminui sem dióxido de carbono para aumentá-lo novamente, permitindo que os cientistas calculem a quantidade de oxigênio usada usando a equação do gás ideal.

A respiração celular é um processo importante que cria energia utilizável para os organismos, portanto, estudar os contextos em que ela é melhorada ou impedida não é apenas interessante, mas também necessário. Especialmente, as mitocôndrias são essenciais para a respiração celular e quaisquer condições que afetem a saúde mitocondrial têm imensas consequências para a saúde do organismo. Por exemplo, as miopatias mitocondriais são um grupo de doenças neuromusculares causadas por danos mitocondriais, afetando predominantemente células nervosas e musculares, que requerem altos níveis de energia para funcionar1. Além disso, muitos venenos funcionam inibindo a respiração celular. Por exemplo, o cianeto inibe a produção de ATP por meio da fosforilação oxidativa, entendendo assim os mecanismos cianeto ou outros venenos metabólicos Da mesma forma, alguns medicamentos, como certos antibióticos, quimioterápicos, estatinas e anestésicos, também podem interferir na função mitocondrial e podem não ser adequados para tratar pacientes com distúrbios mitocondriais3.

<h4>Referências</h4>

<ol class="referências">
	<li>Lin, MT e Beal, MF. Disfunção mitocondrial e estresse oxidativo em doenças neurodegenerativas. natureza. 2006, Vol. 443, (787-95).</li>
	<li>Beasley, DMG e Glass, WI. Intoxicação por cianeto: fisiopatologia e recomendações de tratamento. medicina do trabalho. Vol. 48, 7 (427-31).</li>
	<li>Finsterer, J e Segall, L. Drogas que interferem nos distúrbios mitocondriais. Toxicol químico de drogas. 2010, Vol. 33, 2 (138-51).</li>
</ol>

Respiração celular

Autótrofos e heterótrofos

Os organismos vivos requerem uma entrada contínua de energia para manter as funções celulares e do organismo, como crescimento, reparo, ...

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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...

cell division

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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Learn how cells turn glucose into ATP through aerobic and anaerobic respiration, fermentation, photosynthesis links, and respirometer measurements.

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Biological macromolecules are organic compounds, predominantly composed of carbon atoms. The carbon atoms are covalently bonded with hydrogen, oxygen, ...

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Enzyme kinetics studies the rates of biochemical reactions. Scientists monitor the reaction rates for a particular enzymatic reaction at various substrate ...

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The turnover number of an enzyme is the maximum number of substrate molecules it can transform per unit time. Turnover numbers for most enzymes range from ...

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Cooperative Allosteric Transitions

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LS.Bio.1.2

What are Cells?

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 ...

Eukaryotic Compartmentalization

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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The nucleus is a membrane-bound organelle that acts as a control center in a eukaryotic cell. It contains chromosomal DNA, which controls gene expression ...

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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 ...

Golgi Apparatus

As they leave the Endoplasmic Reticulum (ER), properly folded and assembled proteins are selectively packaged into vesicles. These vesicles are ...

Lysosomes

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

Peroxisomes

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 ...

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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 ...

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ExpandImmediately before the experiment, wash and peel onion bulbs for the class.
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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 ...

Plant Cell Wall

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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