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ECU / Biology / BIOL 3030 / Glycolysis occurs in the cytosol and has ten steps split into what pha

Glycolysis occurs in the cytosol and has ten steps split into what pha

Glycolysis occurs in the cytosol and has ten steps split into what pha


Mint Green = Chapters

Glycolysis occurs in the cytosol and has ten steps split into two what phases?

Yellow = Important concepts

Red = Important processes

Biology 3030 Exam 2 Study Guide

Chapter 6: Cellular Respiration 

Cellular respiration consists of four processes to break down high potential energy molecules  like glucose. They are glycolysis, pyruvate processing, the Kreb’s Cycle, and the electron  transport chain. The protons from the electron transport chain will be used to drive oxidative  phosphorylation. Each product from each successive step has a lower potential energy than the  one before it.

∙ Glycolysis occurs in the cytosol and has ten steps split into two phases: the energy  investment stage and the energy payoff stage

∙ 2 ATP are used to phosphorylate glucose twice into fructose­1,6­biphosphate by  phosphofructokinase. In step 6, 2 NADH is produced, the first high energy molecules  produced.

The rate at which an organism consumes oxygen while at rest with an empty stomach under normal temperature and moisture conditions. what is it?

∙ In step 7­10 substrate level phosphorylation is catalyzed by enzymes to produce 2 ATP, 2 water molecules, and 2 pyruvates.

∙ Glycolysis is regulated via feedback inhibition.

o When there is an abundance of ATP, ATP acts as an allosteric inhibitor and binds  to phosphofructokinase

∙ 1 6­carbon glucose molecule + 2 ATP  2 3­carbon pyruvates + 4 ATP + 2 NADH 

∙ The two pyruvates then go to the mitochondrial matrix for pyruvate processing

∙ A complex forms called pyruvate dehydrogenase. For each pyruvate molecule, 1  molecule of CO2 and 1 molecule of NADH is produced. The remaining two carbons react with CoA to form acetyl CoA.

Marine fish live in what kind of environment?

∙ The process is regulated by feedback inhibition

o An increase in products (acetyl­coA) results in phosphorylation of pyruvate  dehydrogenase enzyme complex  The process halts Don't forget about the age old question of How do we gain and lose water?

o An increase in substrates (pyruvate) results in dephosphorylation (reactivation) of  pyruvate dehydrogenase enzyme complex.

∙ 2 pyruvates  2 CO2 + 2 acetyl­coA + 2 NADH

∙ The two molecules of acetyl­coA are then fed into the Kreb’s cycle in the mitochondrion  matrix. Each acetyl­coA reacts with 1 molecule of oxaloacetate to produce 1 molecule of  citrate, the first product

∙ In this process all carbons will be turned into carbon dioxide If you want to learn more check out What is the most basic microeconomic unit?

∙ The process is regulated by feedback inhibition

o ATP is an allosteric inhibitor in steps 1 and 4

o NADH is a competitive inhibitor in step 3

∙ 2 acetyl­CoA  4 CO2 + 2 ATP + 6 NADH + 2 FADH2

∙ The electron carriers, NADH and FADH2 then proceed to the electron transport chain in  the intermembrane and cristae

o There are 4 different complexes: Complex I  Complex IV

∙ NADH donates electrons to FMN (Flavin protein) in complex I

∙ FADH2 donates electrons to Fe­S protein in complex II

∙ A non­protein lipid soluble molecule, ubiquinone, shuttles electrons from complexes I  and II to complex III where it is oxidized and releases protons

∙ Cyt C (protein with heme group) shuttles electrons from complex III to complex IV.  ∙ 2 electrons reduce oxygen and two protons join it to form water

∙ Only complexes I and IV release protons into intermembrane space, 4/ NADH molecule ∙ 10 NADH + 2 FADH2 + 6 O2 + 10 H+  10 NAD+ + 2 FAD + 12 H2O + 25 ATP   

∙ The protons released from the complexes and ubiqinone move through ATP synthase  located in the plasma membrane with the 4 complexes Don't forget about the age old question of State the four basic financial statements.

o ATP synthase has two subunits F0 ( turns) and F1 (catalyzes phosphorylation of  ADP) connected by a shaft and stator

∙ The protons form a proton­motive force by being pumped through the F0 subunit. The  unit turns and releases energy to synthesize ATP. 

∙ This chemiosmosis is called oxidative phosphorylation (energy comes from proton  gradient, not phosphorylated substrates in substrate phosphorylation)

∙ 3 ATP are made from 1 NADH 

∙ 2 ATP are made from 1 FADH2

∙ ATP Synthase can hydrolyze ATP and reverse its spin

∙ Overall equation: Glucose + 6 H2O + 6 O2 + 29 ADP + 29 P  6 CO2 + 12 H2O + 29 ATP

∙ Fats are broken down into fatty acids (broken down into acetyl coA) and glycerol (broken down into glucose)

∙ Proteins are broken down into ammonia ( waste) and amino acids ( broken down into  pyruvate) If you want to learn more check out What is mri?

∙ Not all organisms have oxygen as the final electron acceptor

o Organisms with oxygen final electron accepters grow faster

o Provides the greatest and most efficient ATP  yield

o Called aerobic respiration

∙ Anaerobic respiration

o Consists of lactic acid fermentation ( mammals) and alcohol fermentation (yeast) o Regenerates NAD+ 

∙ Lactic acid fermentation

o Glucose converted to pyruvate 

o Pyruvate accepts electrons from NADH and oxidizes it

o Pyruvate is made into lactate

o Glucose + NADH  NAD+ + 2 ATP + 2 lactate 

∙ Alcohol fermentation

o Glucose converted to pyruvate 

o Pyruvate releases carbon dioxide and becomes and intermediate (acetaldehyde) o Acetaldehyde accepts electrons from NADH and is converted into alcohol o Glucose + NADH  2 acetaldehyde + 2 CO2 + 2 ethanol + 2 ATP 

Chapter 7: Animal Form and Function                

Animals have structures that are specialized for their function. Animals also face trade offs in  adaptations

∙ Adaptation: heritable traits that result in making an organism a higher probability of  survival Don't forget about the age old question of Can cognitive processes be inferred from neuroimaging data?

∙ Trade­offs: The cost of having a beneficial characteristic. Crickets can’t have large  spermatophores and a great immune system

∙ Acclimatization: Reversible, short term phenotypic change to environment in response to  environmental fluctuations

∙ Adaptation: A genetic change in a population in response to natural selection exerted by  the environmentWe also discuss several other topics like What are the four questions banks are most interested in?

∙ Tissue: A group of cells that function as a unit. Includes connective, nervous, muscle, and epithelial tissue

∙ Connective tissue

o Loose cells surrounded by jelly­like/solid matrix 

 Loose connective tissue: fibrous proteins that act as packing material and  holds organs and tissues together and is padding under the skin. 

 Dense connective tissue: Found in tendons and ligaments connecting  muscles, bones, and organs. Has tough collagen fibers secreted by 


 Supporting connective tissue: Bones and cartilage are examples. Provide  structural support.

 Fluid connective tissue: cells surrounded by liquid extracellular matrix. An example is blood surrounded by plasma

o Nervous tissue

 Consists of nerve cells/neurons that transmit electrical signals. Have  branched dendrites that receive signals and long rods called axons that  send out signals

o Muscle tissue: 

 Skeletal muscle: attaches to bones and exerts force on them when it  contracts. Composed of long striated/striped overlapped proteins

 Cardiac muscle: makes up the walls of the heart. Has a branched pattern to allow electrical signals to be spread throughout the heart

 Smooth muscle: Has tapered cells and line the digestive tract and blood  vessels. Moves food through intestines via peristalsis

o Epithelial tissue

 Covers the outside of the body, lines the inner surface of organs and forms glands

 Gland: organ that secrete hormones and digestive enzymes

 Regulate what is transported across membranes

 Separates the environment from the interior of the body

 Cells are attached together by tight junctions (desmosomes)

 Includes simple epithelium ( 1 cell layer thick) and stratified epithelium  ( many cell layers thick)

 Has an apical side that faces exterior of cell. This may have cilia or secrete mucous

 Has basolateral side that faces interior of cell

 The apical membrane and basolateral membrane are connected by the  basal lamina

∙ Cells with similar function  tissues  organs  organ system

∙ Organ system: groups of tissues that work together 

∙ The rate of diffusion of ions and gases depends on surface area

∙ The rate that nutrients ions and gases are used to produce heat depend on volume

∙ As an organism increases in size, its volume increases more than its surface area ∙ Metabolic rate: overall rate of energy consumption by an individual in  mm O2 consumed / hr

∙ Larger animals consume more oxygen than smaller animals but its mass specific  metabolic rate decreases 

∙ Basal metabolic Rate (BMR): Rate at which an organism consumes oxygen while at rest  with an empty stomach under normal temperature and moisture conditions ∙ Baby salmon have a larger skin surface area when they are young than when they’re  adults. This is why baby salmon respirate through their skin rather than their rudimentary  gills

∙ Adult salmon have a larger volume and smaller skin surface area so they respirate  through their gills

∙ Surface area can be increased by: 

o Flattening: gill lamellae

o Folding: digestive tract

o Branching: bronchioles and capillaries

∙ Homeostasis: Chemical and physical stability within an organism’s tissues, cells, and  organs

∙ Organisms have a set point which is a normal/ target range of values that the body wants  to keep stable. Consists of:

o Sensor: structure that senses the environment

o Integrator (hypothalamus): evaluates incoming sensory information by comparing it to the set point and then makes a decision on what to do 

o Effector: any structure that restores the internal condition back to the set point o Has negative feedback

∙ Thermoregulation: regulation of internal body temperature

o Conduction: direct heat transfer between two solids. Rate of conduction depends  on surface area, temperature difference, and how conductive objects are o Convection: direct heat transfer between one solid and one liquid (air or water).  Depends on speed of air/water

o Radiation: Indirect heat transfer between two objects (sun and organism) o Evaporation: heat loss when a liquid becomes a gas

∙ Endotherm: produces its own heat. Have high BMR 

∙ Ectotherm: relies on conduction and radiation for heat. Have low BMR ∙ Homeotherms: keep body temperature constant

∙ Poikilotherms: allow body temperature to change with the environment temperature ∙ Torpor: reduced metabolic rate and lower body temperature that occurs for a few hours ∙ Hibernation: long term torpor

∙ Heterotherm: Tolerate significant changes in body temperature

∙ Counter current heat exchangers 

o Minimizes heat loss

o The whale tongue has arteries surrounded by veins

o Heat is exchanged between the warm blood in the artery flowing out to the cold  tongue and the cold blood going back the heart

o Heat from artery is transferred to the vein. This ensures that when the  deoxygenated blood goes back to the heart, it is at least partially warm and not  very cold. It would require more energy to warm up the deoxygenated blood  without the countercurrent exchanger

Chapter 9: Water and Electrolyte Balance in Animals 

Marine fish live in hyperosmotic environments and combat the loss of water and the gain of  electrons. Fresh water fish live in hypoosmotic environments and combat the gain of water and  the loss of electrolytes. Terrestrial animals face the problem of evaporation.

∙ Diffusion: Passive movement of solutes down their concentration gradients from areas of  high solute concentration to areas of low solute concentration

∙ Osmolarity: Water moves from areas of low osmolarity (low solute concentration and  high water concentration) to high osmolarity (high solute concentration and low water  concentration)

∙ Osmoregulators: process which organisms control the concentration of water and solutes  in their body

∙ Osmotic stress: A deviation from the set point concentration of solutes and water ∙ Osmoconformers: Organisms who solute concentration closely matches the solute  concentration in the sea

∙ Isosmotic: equal solute concentration

∙ Marine fish 

o Live in a hyperosomotic environment

o Water flows out of gills following its concentration gradient from low osmolarity  to high osmolarity. To counter this they drink a lot

o Gain electrolytes through the gills and through the water they drink

o To regulate the electrolytes, they actively pump them out through channels in the  gill epithelium

∙ Fresh water fish 

o Live in a hypoosmotic environment

o Gain water through osmosis through gills. To counter this they urinate a lot o Lose electrolytes. Gain electrolytes back by actively pumping them back in and  by acquiring them from their food

∙ Terrestrial animals 

o Lose water due to evaporation, urination, sweating, and panting

o Regain water by drinking, ingesting it in food, or through cellular respiration o Epithelial cells lining lung is moist to protect them and promote diffusion of gas ∙ Passive transport: Diffusion along an electrochemical gradient without ATP  ∙ Active transport: ATP establishes a gradient by moving solutes

∙ Primary active transport: Na/K –ATPase pump moves ions against their concentration  gradient (from low to high solute concentration)

∙ Secondary active transport/cotransport: relies on the electrochemical gradient established  by primary active transport.

o If solutes are cotransported in the same direction = symporter

o If solutes are cotransported in opposite directions = antiporter

∙ Water is not actively transported. It diffuses via osmosis through aquaporins along its  concentration gradient

∙ Types of waste

o Ammonia: in fish. Excreted in lots of water. Marine fish excrete though gills.  Freshwater excrete it through gills and through urine. Lose the most water o Urea: in mammals: excrete it through urine. Can have concentrated or dilute urine o Uric acid: in birds, not water soluble. Lose the least water

∙ Osmoregulation in Osmoconformers: shark rectal glands 

o Purpose is to excrete excess salt

o Na/K­ATPase pump in basolateral membrane creates gradient by pumping Na  into interstitial fluid. As Na flows through pump, K moves through the pump in  the opposite direction into the epithelial cell against its concentration gradient

o Other ions enter into the epithelial cell in through channels in the apical  membrane with Na as it flows along the concentration gradient made by the  Na/K­ATPase pump

o Cl­, Na, and K move through a cotransporter located in the basolateral membrane  into the epithelial cell. Na moves along its concentration gradient. Cl and K move  against their concentration gradient

o When chloride builds up in the epithelial cell, it is in a higher solute concentration so it wants to move out into the lumen (leads out eventually back into the water)  where the solute concentration is lowest. 

o Na actively transported into the interstitial fluid also moves along its  concentration gradient through gaps between epithelial cells into the lumen o The Na/K­ATPase pump actively pumps Na into the interstitial fluid so to create a higher solute concentration in the interstitial fluid so Na ions will diffuse  passively back into the sea

o The Na/K­ATPase pumps 2 K ions into the epithelial cell for every 3 Na ions that  are pumped into the interstitial fluid

∙ Sea bass and salmon live in both salt water and fresh water 

o Their osmoregulatory cells are in different locations. 

 Their chloride cells are in different locations in the gills

o Different forms of the Na/K­ATPase pump are activated

 Genes of these fish code for several different kinds of Na/K­ATPase  pumps

 The orientation of the key transport proteins can flip

∙ Cotransporter is in the basolateral membrane when fish is in sea 


∙ Cotransporter in in the apical membrane when fish is in fresh water ∙ In terrestrial animals osmoregulation occurs in nephrons of the kidneys o The renal artery brings blood with waste products into the renal corpuscle o The renal corpuscle consists of the glomerulus, which has pores to let small  solutes filter through, and the bowmen’s capsule, where the solutes are collected  o Big molecules stay in the blood and exit out of the renal corpuscle through the  renal vein

o The solutes, or filtrate, enters the proximal tubule where nutrients, ions, and water are reabsorbed back into the blood

 Has microvilli to increase the surface area of absorption

 Actively transports ions from filtrate

 Na/K­ATPase pump sets up an electrochemical gradient by actively  pumping 3 Na into the interstitial fluid and 2 K into the epithelial cell in  the basolateral membrane

 Cotransporters located in the apical membrane allow solutes to passively  diffuse into the epithelial cell with Na. Water follows via osmosis

 Solutes diffuse across the basolateral membrane through channels and into the blood stream. Water follows via osmosis through aquaporins

o The solutes that were not reabsorbed proceed to enter the Loop of Henle. This  loop may stay in the cortex, but for other nephrons, it penetrates into the medulla

 The concentration of urea is higher in the medulla than in the cortex  The Loop of Henle establishes a countercurrent gradient because of the  active pumping of solutes out of the thick ascending loop. It increases the  solute concentration outside of the loop

 Filtrate from the proximal tubule that enters the descending limb of the  Loop of Henle has a low osmolarity

 As the filitrate goes down the descending limb, water leaves via osmosis  because there is a higher concentration of solutes outside of the loop 

(higher osmolarity) Solutes from the filtrate cannot leave because the 

descending limp is impermeable to solutes

 At the bottom of the loop, the flow of water out of the Loop of Henle halts because it becomes impermeable to water, but now permeable to solutes.  The osmolarity of the filtrate at this point is high

 As the filtrate enters the thin ascending limb, Na and Cl diffuse out 

passively along their concentration gradient because now the 

concentration of solutes in the filtrate is higher.

 In the thick ascending limb, active transport of Na and K takes place 

because the osmolarity of the surrounding interstitial fluid is low in the 

cortex where the ascending limb is located

 Water and salt that move out of the filtrate from the Loop of Henle are  reabsorbed by capillaries, called the vasa recta, that surround the whole 

nephron. If the water was not absorbed by the blood, it would ruin the 

concentration gradient by diluting it

o The filtrate now moves on the collecting duct that leaks urea

 Urea helps establish the osmotic gradient around the nephron 

(concentration is high in the inner medulla and low in the outer medulla)

 The filtrate has a low concentration of ions.

 The fluid that enters the distal tubule is always dilute but the uring that  leaves the collecting duct only if the organism is well hydrated

 Changes in the distal tubule and collecting duct depend on the organism’s  hydration

 If Na levels are low, aldosterone activates Na/K pumps to reabsorb Na in  the distal tubule and secretion of K and H ions. This also helps to regulate  blood pH

 If the organism is dehydrated, ADH triggers an increase in aquaporins in  the apical membrane to absorb water in the collecting duct. It also 

increases the cell’s permeability to urea to create a concentration gradient  favoring water reabsorption from the filtrate. Results in hyperosmotic 

urine (highly concentrated)

Chapter 10: Gas Exchange and Circulation 

∙ Gas exchange occurs in animals by:

o Ventilation: movement of air or water through lung/gill

o Diffusion at the respiratory surface: oxygen moves from air/water to blood and  carbon dioxide moves from blood into air/water

o Circulation: The transport of dissolved oxygen and carbon dioxide throughout the  body

o Diffusion at the tissues: Where oxygen moves from the blood into the tissues and  carbon dioxide moves from the tissues into the blood

o Cellular respiration: A cell’s use of oxygen and production of carbon dioxide ∙ Partial pressure: the pressure of a particular gas in a mixture of gases

∙ Pressure: The force exerted/unit area

∙ Gas solubility in a solution is affected by:

o Gas solubility in water: oxygen has low solubility in water

o As temperature increases, oxygen concentration (partial pressure) decreases o The greater the concentration of solutes in a solution the less oxygen there is o If the partial pressure of a gas is higher than its surrounding, it will diffuse out 

into the surroundings because gases move from high to low partial pressure (like  solutes that move from high to low solute concentrations)

o Habitats with lots of photosynthetic organisms increase the concentration of  oxygen

o Water near the surface has more oxygen than water near the bottom’ o Shallow ponds and streams have a larger surface area than deep lakes and can  hold more oxygen

o Waterfalls have very large surface areas and hold lots of oxygen

∙ Fick’s Law of diffusion: gasses diffuse at the highest rates when:

o The area is large

o The respiratory surface is thin

o The partial pressure gradient across the surface in large

o The rate of diffusion depends on gas solubility, temperature, surface area, partial  pressure difference, and thickness of barrier to diffusion (typically the epithelial  layer)

∙ Fish Gills

o Are outgrowths of the body surface or throat

o Use for gas exchange

o Has thin structures called gill filaments that extend from a gill arch o Each gill filament has many flat sheets called gill lamellae that increase the  surface area available for diffusion of gases

o Some fish pump a flap over their gills called an operculum to move water through gills

o Some fish use ram ventilation where, as they swim fast, push water through their  mouth and across the gills

o The gills is a type counter current exchanger: blood moves in one direction and  water moves in the opposite direction 

o There is a slight gradient in the partial pressure of oxygen between the water and  the blood 

o There is a large partial pressure gradient between the start and the end of the  system 

o As a result, most of the oxygen from the water in taken up by the blood ∙ Vertebrate Lungs 

o Air moves through the mouth into the bronchi that branches out into bronchioles  that each have tiny sacs called alveoli

o Positive pressure ventilation (seen in frogs) must push air down into lungs (like  squeezing an inflated balloon)

o Negative pressure ventilation (seen in humans and many other mammals) causes  differences in the partial pressure

 Diaphragm muscle and rib cage contract = inhale and draw air into lungs,  there is lower partial pressure and lungs inflate

 Diaphragm muscle and rib cage relax = exhale and expel air out of lungs,  there is higher partial pressure and lungs deflate

∙ Red blood cells 

o Responsible for transporting nutrients, oxygen, and carbon dioxide o No nucleus or mitochondria

o Has thousands of hemoglobin protiens

o Hemoglobin is a tetramer ( has 4 polypeptide chains) 

o Each protein contains a non­protein heme group that has iron. Iron binds to  oxygen

o One hemoglobin molecule binds up to 4 oxygen molecules (one oxygen molecule/ protein)

o Uses cooperative binding, which means once subunit in hemoglobin binds to  oxygen, the affinity for the other 3 subunits binding to oxygen increases.   The affinity for oxygen will decrease for each subunit after one subunit  gives up its oxygen

o Oxygenated blood from the lungs travels to the tissues where the partial pressure  of oxygen is lower (this favors diffusion of oxygen out of the blood and into the  tissues) and the partial pressure of carbon dioxide is higher ( this favors diffusion  of carbon dioxide into the blood)

o  High concentrations carbon dioxide is poisonous to the blood cells so some of the carbon dioxide is broken down by carbonic anhydrase into protons (which bind to hemoglobin) and bicarbonate ion ( diffuse into the plasma in exchange for  chloride ions)

o The protons that bind to hemoglobin helps maintain a steady pH level and allows  the entry of more carbon dioxide

o When the blood reaches the alveoli in the lungs, dissolved carbon dioxide diffuses out which decreases the partial pressure of carbon dioxide in the blood. The  protons and the bicarbonate ion will leave hemoglobin and plasma, bind to  become carbon dioxide again, and are expelled out of the body

∙ The oxygen­hemoglobin equilibrium curve shows what happens to the % saturation of  oxygen in hemoglobin as oxygen in the tissues decreases ( demand for oxygen increases) o When demand is 40 mmHg, the % saturation is about 75%, which means the  hemoglobin molecule released 1 oxygen molecule (25%)

∙ The Bohr shift occurs when pH changes 

o If pH decreases (lots of protons), hemoglobin changes its shape to make oxygen  be releases into the tissues faster

o This will cause the graph to shift to the right

∙ In fetuses, the hemoglobin has a higher affinity for oxygen then normal hemoglobin and  the causes a the curve to shift to the left

∙ Competitive binding: in response to a small change in tissue partial pressure, there is a  large change in the % of saturation 

∙ An increase in carbon dioxide determines the breathing rate in animals o Blood high in carbon dioxide that goes to the brain will lose it when it diffuses  into the cerebrospinal fluid where it reacts to make bicarbonate ions and protons  that decrease the pH in the cerebral spinal fluid. The change is sensed by neurons  that tell the medulla. The medulla regulates the respiration rate, and in this case,  increase the respiration rate so more oxygen molecules will be available to diffuse into the blood and be taken to the active tissues. This will also restore the partial  pressure gradient

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