Class Notes (835,894)
United States (324,283)
BSCI 105 (138)
all (4)

BSCI Unit 4 Notes

44 Pages
Unlock Document

Biological Sciences Program
BSCI 105
All Professors

BSCI Unit 4: Energy Transformation and Utilization 11/13/2013 Energy and Enzymes: Chapter 8 Energy Transformation and Utilization aka Fundamentals of metabolism Part 1: Enzymes and Metabolism Cellular respiration: extracting the energy stored in sugars and other fuels Enzymes: Proteins that drive chemical reactions Metabolism: The sum of all biochemical rxns going on in every cell ANABOLIC  Biosynthetic (they make stuff) CATABOLIC Degradative (break things down) “These 2 are linked we have to break things down to use that energy to make new things” Metabolic Pathways Rxns that occur one after another in orderly fashion A (starting molecule) ­> B ­> C ­> D (product) CLICKER: The energy available to a cell to do work is called: Free energy Energy • Metabolism is all about energy • It is the capacity to do work • Kinetic energy: motion • Potential Energy: stored, and has the ability to move First Law of Thermodynamics • Energy can be converted from one form to another, but it cant be created or destroyed • Conservation of energy Second Law of Thermodynamics • Entropy in the universe always increases • Energy is always being dispersed and spread out and it is not doing anything • Entropy – a measure of disorder or randomness • Energy can be used to increased order in a system – entropy decreases • Energy is made available to do work as order decreases in the system – entropy increases • We can store and release energy Free Energy • Energy AVAILABLE to DO WORK • G (Gibbs free energy) = Free energy • G = H ­ TS • G = useable energy • H = Total energy • TS = unusable energy • T = temperature (k) • S = entropy • Enthalpy = Energy stored in chemical bonds • Delta G rxn = G products – G reactants • Is delta G POSITIVE or NEGATIVE?  • That is going to tell us if we stored or used energy • Positive o Endergonic: energy required o Reactants are less than products o Check graph in book o The products of the rxn contain MORE free energy than the reactants o Delta H is higher or delta S is lower Negative Exergonic: energy is released (available to do work) Gives off heat Reactants are more than products High energy molecule to a low energy molecule The products contain less fee energy “spontaneous”  It does not need help Breakdown of sugar occurs on its own, it degrades on its own Free Energy What is a practical way to estimate free energy? We do this by looking at CHEMICAL EQUILIBRIUM • Chemical rxns are reversible • Rxns in an isolated system eventually reach equilibrium and then can do no work • The rxn will proceed in which ever direction favors the formation of the most stable constituent • A           B • Equilibrium constant: Keq • Delta G = ­686 kcal/mol • Exothermic Activation Energy • Aka Free energy for activation • Energy required before a chemical rxn will start • They need a little bit of motivation • Enzymes lower activation energy • Enzymes do not • Affect the keq • Affect the delta G • Enzymes speed up the rxn • Does NOT change the thermodynamics • Makes the rxn faster Enzymes • “biological catalysts” • often end in –ase • Mostly proteins • Reactants = substrates • Interaction at active site • Very important part on the enzyme • Enzyme unchanged, re­usable • They are very SPECIFIC • This is due to their shape • Active site and induced fit (the shape can change) o Makes a really intimate interaction An enzyme catalyzes a rxn by lowering the Ea barrier, enabling the reactant molecules to absorb enough  energy to reach transition state at moderate temperatures. They can induce the fit of substrates in the  activation sites.   Activity of Proteins • Influenced by: • Temperature (hot springs and room temperature) • pH (spit and stomach) • Co­Factors o Metal ion o Inorganic Coenzymes Organic things that will make a rxn go Inhibitors Competitive (will bind to the active site itself) Other molecules and proteins that will shut down an enzyme Non­competitive (will bind anywhere else but the active site) It distorts the shape of the molecule  Active site no longer works Control of Enzymes • Allosteric control • Allosteric site is where “effector” molecules bind • Binding of effector molecule changes the conformation of the enzyme • Effector can be o Activator o Inhibitor o Can be positive or negative Feedback Inhibition • Negative The products can shut the process down Gycolysis & Kreb's Cycle 11/13/2013 Chapter 9 (pp. 162­172) Fundamentals of Metabolism: CLICKER: the preferred starting point for cellular respiration is glucose *we are going to focus on glucose, if we cant get it we’re going to make it Glucose Metabolism: cellular respiration • Cellular energy – how is it stored and used in the cell? o ATP – cellular energy currency  Adenine triphosphate  What allows us to break chemicals bonds, store that energy, and put it to use  3 phosphate groups – removing a phosphate makes it unstable  ATP ­> ADP + P  Makes it a negative delta G – spontaneous rxn WHY IS ATP so special Phosphates many O molecules which are very electro negative, covalently linked Coiled spring model Negative Os next to other negative Os Bonds are under a lot of stress Ready to snap AMP – not special  Gycolysis & Kreb's Cycle 11/13/2013 Coupling Rxns: • We need energy to do work, o In cells the energy released from hydrolysis of ATP is coupled with a second, endergonic rxn • LOOK AT PICTURE IN BOOK • Does not happen spontaneously, needs energy put in • Make delta G negative to make it spontaneous o By adding an ATP (adds the ­7) o Called phosphorylation o Taking a positive and making it a negative ADP/ATP Cycle • Where does ATP come from? We are constantly making it • • ATP + H2O ­> ADP + P • 3 ways: o Substrate Level phosphorylation  No oxygen required  Typical  Taking a phosphate and adding it to ADP using an enzyme Oxidative phosphorylation Gycolysis & Kreb's Cycle 11/13/2013 Requires oxygen Not simple Photophosphorylation Only in plants Similar to oxidative Uses light Substrate Level • The normal way • ANAEROBIC – no oxygen used • Energy released when covalent bonds are broken is coupled with the remaking of ATP from ADP and P • Using the substrate PEP  • PEP + ADP ­> ATP Taking a P from PEP • • PEP to pyruvate Cellular respiration: • Harvest energy from the complete anaerobic breakdown of glucose • 3 main stages o Glycolysis o Krebs Cycle (TCA cycle) Gycolysis & Kreb's Cycle 11/13/2013 o Electron transport chain – oxidative phosphorylation  KNOW THE REACTANTS AND PRODUCTS • Check pic in book What requires energy • • What step is controlled (allosteric) • Where are the redox rxns Glycolysis – occurs in cytosol  Starts at glucose o Other sugars enter at other points • Ends at 2 molecules of pyruvate • Takes 10 biochemical rxns • First 5 are endergonic Gotta give money to make money • • Takes place in cytosol • “sugar – splitting” • glucose is a 6 carbon molecule that is split into 2 3 carbon sugars • 2 stages • energy investment o use 2 ATP • energy payoff Gycolysis & Kreb's Cycle 11/13/2013 o get 2 ATP and 2 NADH • DOES NOT REQUIRE OXYGEN ­ anaerobic • 2 ATP to get process started 4 ATP payoff • • look at pictures in book • steps • phosphorylate glucose • change to fructose • add another phosphate • ready to be cut in half • Isomerase  • 2 molecules of every sugar from now on • make NADH • used to make 2 ATP End up with pyruvate • • Substrate level phosphorylation • We’ve only extracted <4% of the potential energy from glucose • PROKARYOTES – are incredibly wasteful • Look at overall rxn • Products: 2 pyruvate, 2 NADH Gycolysis & Kreb's Cycle 11/13/2013 Main Points: • First 5 rxns are endergonic 4  results in 2x 3­c molec • • 5  is an isomerization th th • 7  and 10  rxn we have substrate level phosphorylation – 2 ATP made at each step – 4 overall • Net 4 ATP Gluconeogenesis Reverse Pathway  Make glucose from pyruvate o Fasting, prolonged exercise • Requires energy (takes 6 ATP molecules) • Gets 2 back • Sometimes we cant use pyruvate, like in exercise we move to anaerobic • Muscles to liver back to muscles CLICKER: The pyruvate molecules from glycolysis go on to enter what metabolic pathway in cellular  respiration – all of the above The Krebs Cycle – takes place in mitochondrial matrix  Fate of pyruvate o MAJOR crossroad in metabolism o If cell needs energy  Goes into krebs cycle Gycolysis & Kreb's Cycle 11/13/2013 If cell doesn’t need energy Converted into glucose, then glycogen If cell doesn’t have oxygen Goes into fermentation • Transport of pyruvate: • Pyruvate must be actively transported from cytosol into the mitochondrial matrix • Costs energy but worth the expense • One big couple process: transport in and processed on the way into Acetyl CoA • Conversion of pyruvate • Pyruvate ­> Acetyl Coenzyme A • 3 step process using a single multi enzyme complex o *PYRUVATE DEHYDROENASE Step 1: Oxidation of pyruvate Yields 1 NADH Step 2: oxidation of 2C fragment ­> Acetate Step 3: Acetate + CoA ­> Acetly CoA Unstable sulfide bond highly reactive Acetyl CoA  Produced by oxidation of pyruvate  A product of: Gycolysis & Kreb's Cycle 11/13/2013 o Proteins o Fats o Other lipids Can be used: • • For fat synthesis • For ATP production Krebs Cycle: • It’s a cycle – recycling • Yield per turn: • 1 ATP (substrate level phosphorylation) • 3 NADH – storing more electrons for later • 1 FADH2 2 CO2 • • 2 times per glucose molecule • Oxaloacetate + Acetyl CoA =Citrate • In step 1. CoA is recyclable  • Look at pic in book • In step 8, oxaloacetate is recycled • Glycolysis + Krebs cycle • Glucose + 4 ADP + 4 P + 10 NAD+ + 2 FAD ­> 6CO2 + 4ATP + 10 NADH = 2 FADH2 About Enzymes: • In cellular respiration many classes of enzymes are used Kinases – transfers a phosphate group between molecules • • Dehydrogenase – oxidizes a molecule (removes hydrogen atom) • Decarboxylase – removes a carboxyl group from a molecule (makes CO2) • Isomerase – catalyzes structural rearrangement of a molecule Respiration and Fermentation 11/13/2013 Chapter 9 (pp. 172­179) Respiration and Fermentation 11/13/2013 CLICKER: energy carried by electrons is “harvested” through a series of redox reactions Cellular Respiration: Harvesting Chemical Energy So far… • Started in the cytosol with glucose • Now have o From glycolysis  2 ATP, 2NADH from Transition step 2 NADH From Krebs cycle 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH2 Oxidative Phosphorylation • Uses membrane proteins in mitochondria • Uses Oxygen • Uses the transfer of electrons o Oxidation­reduction rxns Respiration and Fermentation 11/13/2013 Redox Rxns • The transfer of hydrogen atoms (NOT IONS) between 2 molecules is a redox rxns • Transfer includes the hydrogen atoms electron Molecule that gains a hydrogen/electron is reduced • • Molecule that loses the hydrogen/electron is oxidized (LEO) Catabolism of Glucose • Movement of electrons o Some molecules are oxidized o Some molecules are reduced NAD+/NADH – a redox couple • Very good at accepting and giving away electrons Couples rxns • • In the presence of oxygen, NADH will transfer electrons to oxygen to release energy • Delta G = ­52.4 kcals/mol Electron Transport Chain • Series of protein complexes and organic molecules embedded in the inner mitochondrial membrane.  That is why it is so heavily folded • Coordinates a series of redox rxns • The final electron acceptor is molecular oxygen Respiration and Fermentation 11/13/2013 • Electrons can enter the ETC from NADH • Electrons leave ETC by using O2 • Complex 1 Complex 2 • CLICKER the final electron acceptor for ETC, O2 is reduced How is ATP generated? • Transfer of electrons results in h+ gradient o Sufficient energy to drive H+ against the conc gradient o Moves H+ from matrix into intermembrane space o Movement of H+ back into matrix provides energy to synthesize ATP using ATP synthase ETC Hydrogen ion gradient powers ATP SYNTHASE • The membrane insode mitochondria bc more membrane is better • Complex 1 ­ NADH • Complex 2 ­ FADH • Q – shuttles electrons to complex 3 • CYT – another shuttle • Point is to make a h+ gradient Respiration and Fermentation 11/13/2013 Chemiosmosis – oxidative phosphorylation Follow the electrons 1. NADH 2. N 3. Complex 1 is ox, re 4. Ubique 5. 6. 7. FADH from Krebs cyle can also NADH and 2 FADH gained by the metabolism of glucose send 24 electron to ETC ETC DOES NOT MAKE ATP ONLY A HYDROGEN GRADIENT (proton) Chemiosmosis • Peter Mitchell (1961) • Couples electron transport and movement of H+ • H+ gradient forms o Proton motive force (PMF)  Drives the production of ATP Respiration and Fermentation 11/13/2013 • Oxidative phosphorylation ATP synthases • Proton motive force turns motor • Internal rod drives catalytic fxn • 3 catalytic subunits convert ADP to ATP as rotor turns • literally spinning – physical movement 1. H+ ions flow in down their concentration gradient and enters the stator – which is anchored in the  membrane 2. H+ ions enter binding sites in the rotor, changing the shape of each subunit so the rotor can spin 3. H+ makes one entire son before leaving the rotor abd passing a second half channel in the stator into  the mitochondrial matrix 4. Spinning of the motor causes a spinning of a rod  5. Turning the rod activates the catalytic sites in the knob that make ATP from ADP+Pi 1 NADH 2.5 – 3.3 ATP 1 FADH 1.5 – 2 ATP LOOK UP BALANCE SHEET • 32 TOTAL ATP Respiration and Fermentation 11/13/2013 • TRANSPORT OF NADH FROM GLYCOLOSIS INTO MITOCHONDRIA COSTS – 2 ATP • TOTAL 30 ATP FROM THE AEROBIC METABOLISM OF ONE GLUCOSE MOLECULE Life Without Oxygen Diversity in Cellular Respiration • Final electron acceptors o Oxygen = Aerobic respiration o Inorganic molecule (nitrate)= anaerobic respiration o Organic molecule (pyruvate)= fermentation Anaerobic Respiration Many prokaryotes use alternative final electron acceptors • o Methanogens  CO2 is reduced to CH4 Sulfur bacteria SO4 is reduced to H2S The glycolysis Problem: • Generates ATP anaerobically  • But after glycol consumes NAD+ BAD Respiration and Fermentation 11/13/2013 • NAD+ is limited and the cell will die Solution: Fermentation • Use NADH and create NAD+  • Yeast can do glycolysis a lot • Redox rxn that used NADH • It’s a cycle, RECYCLE • No it does not make ATP • Uses organic molecule as a final electron acceptor • Produces low amount of ATP because most energy ends unpin end products (lactic acid, ethanol) o Lactic fermentation  o Acetic fermentation o Propionic fermentation o Ethanol fermentation o Etc Lactic Acid fermentation Pyruvate is converted into lactate 3 carbon to 3 carbon CO2 is NOT MADE Used in muscle cells when O2 is unavailable Lactate goes to liver – recycled back Alcohol Fermentation Pyruvate is converted into ethanol  CO2 by­product We use waste products Alcohol bread Metabolic Regulation and Homeostasis 11/13/2013 Chapter 9 (pp. 180­182) Metabolic Regulation and Homeostasis 11/13/2013 Cha
More Less

Related notes for BSCI 105

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.