Name  ________________________________________________________    Period  __________  

BIO  A.3  -­‐  BIOENERGETICS  (BIO.A.3)  You  should  be  able  to:  

1. Describe  the  role  of  ATP  in  biochemical  reactions.  2. Describe  the  fundamental  roles  of  chloroplasts  and  mitochondria  in  energy  transformations.  3. Compare  the  basic  transformation  of  energy  during  photosynthesis  and  cellular  respiration.  

 Keystone  Vocabulary:  

adenosine  triphosphate  (ATP)  heterotroph  autotroph  photosynthesis  pigment  chlorophyll  thylakoid  stroma  NADP+  light-­‐dependent  reactions  

light  independent  reactions  aerobic  anerobic  cellular  respiration  glycolysis  matrix  Kreb’s  cycle  NAD+  fermentation  calorie  

                                   

ATP  

Chemical  Energy  and  ATP  

 • Energy  =  ability  to  do  work  • Energy  comes  in  different  forms  (light,  heat,  electricity)  • Cells  need  energy  to  do  work  • Cell  energy  comes  from  ATP  (adenosine  triphosphate)  

• Consists  of  adenine,  a  5-­‐carbon  sugar  and  THREE  phosphates  

• Phosphates  are  the  key  to  ATP’s  ability  to  store  and  release  energy  

   

Examples  of    ATP  in  Action  

   

 • Active  transport  

• Protein  pumps  in  cell  membrane  need  ATP  • Movement  

• Muscle  contractions  • Protein  synthesis  

 

How  do  cells  release/use  energy  

from  ATP?      

 • Cells  release  energy  from  ATP  when  the  bond          between  the  

second  and  third  phosphate  groups  is  broken  • Phosphate  released  =  energy  released  • ATP  minus  a  phosphate  group  =  ADP  

             

How  do  cells  regenerate/reuse  

ATP?      

 • ADP  (adenosine  diphosphate)  can  be                

                     recharged  by  adding  another                          phosphate  group  to  become  ATP  again  

• Phosphate  gained  =  energy  stored  • Cells  regenerate  ATP  from  ADP  by  

 using  energy  in  food  like  glucos          

Connection  between  the  food  you  eat  and  

ATP      

 • Cells  do  not  keep  a  lot  of  ATP  • Food  is  digested  and  converted  into  ATP  • Different  foods  give  different  amounts  of  ATP  

• Carbohydrate  =  36  ATP  • Lipid  =  146  ATP  • Proteins  =  broken  down  to  make  other  proteins,  not  

energy!!!!  • Plants  use  photosynthesis  to  produce  the  carbs  so  their  cells  can  

get  ATP      

                   

Photosynthesis  

Light  

 • Energy  • Mixture  of  different  wavelengths  (color)  • Can  be  absorbed,  transmitted  or  reflected  

• Absorbed  energy  can  be  used  for  photosynthesis  • Reflected  light  is  not  used  for  photosynthesis  

• Absorbed  by  pigments  (chlorophyll)  in  plant  cell  chloroplasts            

Light  Absorption  by  

Photosynthetis  pigments  

                                 

Chloroplasts  

 • Thylakoids  =  photosynthetic  membranes  (contain  chlorophyll)  

• Arranged  in  stacks  called  grana  • Stroma  =  space  around  the  thylakoids  

                 

PHOTOSYNTHESIS  “BIG  PICTURE”  

• Multi-­‐step  process  • Energy  from  the  sun  is  used  to  convert  water  and  carbon  dioxide  

(reactants)  into  high  energy  sugars  and  oxygen  (products  • Plants  then  use  the  sugars  to  make  ATP  (cell  respiration…stay  

tuned)                        

PHOTOSYNTHESIS  

The  role  of  High-­‐Energy  Electron  

Carriers  

   

1. Chlorophyll  absorbs  light  2. Absorption  of  light  produces  high-­‐energy  

electrons  3. Electrons  picked  up  by  NADP+  to  become  

NADPH  4. NADPH  carries  the  high-­‐energy  electrons   to  

chemical  reactions  elsewhere  in  the  cell            

PHOTOSYNTHESIS  

Details  

I. Light  dependent  reactions  • INPUT=  sunlight,  water,  chlorophyll  • OUTPUT  =  oxygen  (waste),  ATP,  energy  carriers  (NADPH)  • LOCATION  =  thylakoid  

 II. Light  Independent  reactions  (a.k.a.  Calvin  Cycle)  

• INPUT–  carbon  dioxide,  energy  carriers  from  light  reactions  • OUTPUTS  –  sugar  (carbohydrate)    • LOCATION  -­‐  stroma  

       

Respiration  

Chemical  Energy  and  Food  

 • Autotrophs  (plants)  make  their  own  food    • Heterotrophs  (animals)  need  to  consume  other  organisms  as  food  • Food  represents  chemical  energy    

• Fats  and  carbohydrates  are  primary  sources  of  energy  • Energy  stored  in  food  is  measured  by  the  calorie  

• Amount  of  energy  needed  to  raise  the  temperature  of  1  gram  of  water  1  degree  Celsius  

• The  Calorie  on  food  labels  is  actually  a  kilocolarie  or  1000                                  calories  

•    

Mitochondria  

 Site  of  Cellular  Respiration  Similar  structure  to  chloroplast  Double  membrane  Inside  of  mitochondria  =  matrix  Folds  of  mitochondria  =  cristae  Increase  surface  area        

Cellular  Respiration  BIG  PICTURE  

 • The  process  that  converts  food  energy  into  cellular  energy  in  the  

presence  of  oxygen  • Consists  of  many  chemical  reactions  and  many  enzymes  

 

 1. Glycolysis                                                        2. Kreb’s  cycle  3. Electron  transport  chain  

             

1.  Glycolysis  

 • Anaerobic  (doesn’t  need  oxygen)  • Occurs  in  the  cell  cytoplasm  • Glucose  is  “cut”  in  two  • Small  amount  of  ATP  is  made  • Necessary  for  cellular  respiration  

• Products  of  glycolysis  are  broken  down  further  in  the  mitochondria  

           

2. Kreb’s  Cycle  

 • Takes  place  in  the  mitochondrial  matrix  • Occurs  twice  for  each  glucose  molecule  that  enters  glycolysis  • Cycle  of  chemical  reactions,  each  catalzyed  by  a  specific  enzyme  • Carbon  dioxide  released  as  waste  • Electron  carriers  (NADH  and  FADH2)  produced  here  are  used  in  the  

next  step            

3. Electron  Transport  Chain  (ETC)  

4. Occurs  across  the  inner  mitochondrial  membrane  5. Proteins  hand  off  high  energy  electrons  to  pump  hydrogen  ions  

across  the  inner  membrane  against  the  concentration  gradient  6. Hydrogen  ions,  at  the  end  of  the  chain  flow  through                              ATP  

synthase,  a  protein  channel  equipped  with  an  enzyme  to    make  ATP  7. Oxygen  is  the  final  electron  acceptor  in  the  ETC  

Without  oxygen,  the  ETC  does  not  run,  ATP  will  not  be        

ATP  Production  

Totals  

• Glycolysis                      • 2  ATP  

• Kreb’s  Cycle  • 2  ATP  

• ETC  • 32  ATP  

1  glucose  =  36  ATP

Fermentation    

Fermentation  –  General  

Information  

• Recall  that  glycolysis,  an  anearobic  process  produced  2  ATP  per  molecule  of  glucose  

• If  oxygen  is  present,  cellular  respiration  will  come  next  to  produce  much  more  ATP  

• If  oxygen  is  not  present,  fermentation  will  begin  to  allow  glycolysis  to  continue  

• Fermentation  DOES  NOT  produce  ANY  ATP  • Fermentation  is  anaerobic  (oxygen  not  needed)  • Two  types  of  fermentation  

   

Lactic  Acid  Fermentation  

• Occurs  in  your  muscle  cells  and  some  bacteria  • Produces  lactic  acid  (which  makes  your  muscles  “burn”  during  

intense  exercise)  • Yogurt  contains  bacteria  that  undergo  lactic  acid  fermentation  –  

lactic  acid  gives  yogurt  its  flavor            

Alcoholic  Fermentation  

• Occurs  in  yeast,  some  bacteria  and  certain  types  of  plants  • Produces  alcohol  and  carbon  dioxide  as  waste  • Cheese,  bread,  beer  and  wine  are  examples  of  food  made  by  

fermentation  Bacteria  which  go  through  fermentation  help  anima              

ATP  and  Exercise  

 • Stored  ATP  (only  enough  for  short  bursts)  • ATP  made  by  lactic  acid  fermentation  (about  90  seconds  worth)  • ATP  produced  by  cellular  respiration  (aerobic;  requires  oxygen)  

             

Photosynthesis  Overview    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Label:    light  energy,  light  dependent  reaction,  chloroplast,  thylakoid,  water,  oxygen,  carbon  dioxide,  Calvin  cycle,  sugars,  ATP,  ADP,  NADP,  NADPH,  stroma    

Cell  Respiration  Overview    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Label:  pyruvate,  NADH,  carbon  dioxide,  Kreb’s  cycle,  glucose,  FADH2,  glycolysis,  cytoplasm,  ATP,  mitochondria,  matrix,  inner  membrane,  Electron  Transport  Chain,  oxygen  

 

 

   

Relationship  Between  Photosynthesis  and  Respiration    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Label:    chloroplast,  carbon  dioxide,  oxygen,  water,  photosynthesis,  light  energy,  ATP,  cellular  respiration,  organic  molecules,  heat  energy,  mitochondria