Chapter 5 The working Cell

C h a p t e r 5
T h e W o r k i n g C e l l
1 .
B i o l o g y a n d S o c i e t y : H a r n e s s i n g C e l l u l a r S t r u c t u r e s
a .
Y o u c a n t h i n k o f a c e l l a s a m a c h i n e t h a t c o n t i n u o u s l y a n d e c i e n t l y
p e r f o r m s a v a r i e t y o f f u n c t i o n s , s u c h a s
i .
M o v e m e n t
i i .
E n e r g y p r o c e s s i n g
i i i .
P r o d u c t i o n o f v a r i o u s p r o d u c t s
b .
E n z y m e s w i t h i n t h e c e l l c a r r y o u t a p r o c e s s c a l l e d g l y c o l y s i s .
c .
D u r i n g g l y c o l y s i s , e n e r g y r e l e a s e d f r o m t h e b r e a k d o w n o f g l u c o s e i s
u s e d t o p r o d u c e m o l e c u l e s o f A T P .
d .
C e l l s c o n t r o l t h e i r c h e m i c a l e n v i r o n m e n t u s i n g
i .
E n e r g y
i i .
E n z y m e s
i i i .
T h e p l a s m a m e m b r a n e
e .
C e l l - b a s e d n a n o t e c h n o l o g y m a y b e u s e d t o p o w e r m i c r o s c o p i c
r o b o t s .
2 .
S o m e B a s i c E n e r g y C o n c e p t s
a .
E n e r g y m a k e s t h e w o r l d g o a r o u n d
b .
B u t w h a t i s e n e r g y ?
3 .
C o n s e r v a t i o n o f E n e r g y
a .
E n e r g y
i s d e fi n e d a s t h e c a p a c i t y t o c a u s e c h a n g e
b .
S o m e f o r m s o f e n e r g y a r e u s e d t o p e r f o r m w o r k , s u c h a s m o v i n g a n
o b j e c t a g a i n s t a n o p p o s i n g f o r c e .
c .
K i n e t i c E n e r g y
i s t h e e n e r g y o f m o t i o n
d .
P o t e n t i a l e n e r g y
i s t h e s t o r e d e n e r g y , e n e r g y t h a t
a n o b j e c t h a s
b e c a u s e o f i t s
i .
L o c a t i o n
i i .
S t r u c t u r e
e .
L i f e d e p e n d s o n c o u n t l e s s s i m i l a r c o n v e r s i o n s o f e n e r g y f r o m o n e
f o r m t o a n o t h e r
f .
A p h y s i c a l p r i n c i p l e k n o w n a s
c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y
e x p l a i n s t h a t i t
i s n o t p o s s i b l e t o d e s t r o y o r c r e a t e e n e r g y .
g .
E n e r g y c a n o n l y b e c o n v e r t e d f r o m o n e f o r m t o a n o t h e r .
4 .
H e a t
a .
H e a t
i s a t y p e o f k i n e t i c e n e r g y c o n t a i n e d i n t h e
r a n d o m m o t i o n o f
a t o m s a n d m o l e c u l e s .
b .
A l l e n e r g y c o n v e r s i o n s g e n e r a t e s o m e h e a t .
c .
E n t r o p y
i s a m e a s u r e o f d i s o r d e r , o r r a n d o m n e s s , i n
a s y s t e m .
d .
E v e r y t i m e e n e r g y i s c o n v e r t e d f r o m o n e f o r m t o a n o t h e r , e n t r o p y
i n c r e a s e s .
5 .
C h e m i c a l E n e r g y a .
T h e m o l e c u l e s o f f o o d , g a s o l i n e , a n d o t h e r f u e l s h a v e a f o r m o f
p o t e n t i a l e n e r g y c a l l e d
c h e m i c a l e n e r g y
, w h i c h a r i s e s f r o m t h e
a r r a n g e m e n t o f a t o m s a n d c a n b e r e l e a s e d b y a c h e m i c a l r e a c t i o n .
i .
L i v i n g c e l l s a n d a u t o m o b i l e e n g i n e s u s e t h e s a m e b a s i c
p r o c e s s t o m a k e t h e c h e m i c a l e n e r g y s t o r e d i n t h e i r f u e l s
a v a i l a b l e f o r w o r k .
i i .
I n b o t h c a s e s , t h i s p r o c e s s b r e a k s o r g a n i c f u e l i n t o s m a l l e r
w a s t e m o l e c u l e s t h a t h a v e m u c h l e s s c h e m i c a l e n e r g y t h a n t h e
f u e l m o l e c u l e s d i d , t h e r e b y r e l e a s i n g e n e r g y t h a t c a n b e u s e d
t o p e r f o r m w o r k .
b .
C e l l u l a r r e s p i r a t i o n i s
i .
T h e e n e r g y - r e l e a s i n g c h e m i c a l b r e a k d o w n t o f u e l m o l e c u l e s
i i .
T h e s t o r a g e o f t h a t e n e r g y i n a f o r m t h e c e l l c a n u s e t o
p e r f o r m w o r k .
c .
H u m a n s c o n v e r t a b o u t 3 4 % o f o u r f o o d e n e r g y t o u s e f u l w o r k .
d .
T h e r e s t o f t h e e n e r g y r e l e a s e d b y t h e b r e a k d o w n o f f u e l m o l e c u l e s
g e n e r a t e s b o d y h e a t .
6 .
F o o d C a l o r i e s
a .
A
c a l o r i e
( c a l ) i s t h e a m o u n t o f e n e r g y t h a t c a n r a i s e
t h e t e m p e r a t u r e
o f 1 g r a m ( g ) o f w a t e r b y 1 d e g r e e C .
b .
F o o d C a l o r i e s a r e k i l o c a l o r i e s , e q u a l t o 1 , 0 0 0 c a l o r i e s .
c .
T h e e n e r g y o f c a l o r i e s i n f o o d i s u s e d t o f u e l t h e a c t i v i t i e s o f l i f e .
7 .
E n e r g y T r a n s f o r m a t i o n s : A T P a n d C e l l u l a r W o r k
a .
C h e m i c a l e n e r g y r e l e a s e d b y t h e b r e a k d o w n o f o r g a n i c m o l e c u l e s
d u r i n g c e l l u l a r r e s p i r a t i o n i s u s e d t o g e n e r a t e m o l e c u l e s o f A T P .
i .
A T P ( a d e n o s i n e t r i p h o s p h a t e )
1 .
A c t s l i k e a n e n e r g y s h u t t l e
2 .
S t o r e s e n e r g y o b t a i n e d f r o m f o o d , a n d
3 .
R e l e a s e i t l a t e r a s n e e d e d .
i i .
S u c h e n e r g y t r a n s f o r m a t i o n s a r e e s s e n t i a l f o r a l l l i f e o n E a r t h .
8 .
S t r u c t u r e o f A T P
a .
A T P
i .
C o n s i s t s o f a n o r g a n i c m o l e c u l e c a l l e d a d e n o s i n e p l u s a t a i l o f
t h r e e p h o s p h a t e g r o u p s a n d
i i .
I s b r o k e n d o w n t o A D P , a d e n o s i n e d i p h o s p h a t e , a n d a
p h o s p h a t e g r o u p , r e l e a s i n g e n e r g y .
b .
T h e r e l e a s e o f t h e p h o s p h a t e a t t h e t i p o f t h e t r i p h o s p h a t e t a i l
m a k e s e n e r g y a v a i l a b l e t o c e l l s .
9 .
P h o s p h a t e T r a n s f e r
a .
A T P e n e r g i z e s o t h e r m o l e c u l e s i n c e l l s b y t r a n s f e r r i n g p h o s p h a t e
g r o u p s t o t h o s e m o l e c u l e s .
b .
T h i s e n e r g y
i .
H e l p s c e l l s c h a n g e s h a p e ,
i i .
E n a b l e s t h e t r a n s p o r t o f i o n s a n d o t h e r d i s s o l v e d s u b s t a n c e s
a c r o s s t h e c e l l m e m b r a n e , a n d