Lecture biology (6e) chapter 9 campbell, reece

CHAPTER 9 CELLULAR 
RESPIRATION: HARVESTING 
CHEMICAL ENERGY
Section A: The Principles of Energy Harvest
1. Cellular respiration and fermentation are catabolic, energy­yielding 
pathways
2.  Cells recycle the ATP they use for work
3.  Redox reactions release energy when electrons move closer to 
electronegative atoms
4.  Electrons “fall” from organic molecules to oxygen during cellular 
respiration
5.  The “fall” of electrons during respiration is stepwise, via NAD + and an 
electron transport chain
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Introduction
ã Livingiswork.
ã Toperformtheirmany
tasks,cellsrequire
transfusionsofenergy
fromoutsidesources.
ã Inmostecosystems,
energyentersassunlight.
ã Lightenergytrappedin
organicmoleculesis
availabletoboth
photosyntheticorganisms
andothersthateatthem.

Fig.9.1

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1.Cellularrespirationandfermentationare
catabolic,energyưyieldingpathways
ã Organicmoleculesstoreenergyintheirarrangement
ofatoms.
ã Enzymescatalyzethesystematicdegradationof
organicmoleculesthatarerichinenergytosimpler
wasteproductswithlessenergy.
ã Someofthereleasedenergyisusedtodoworkand
therestisdissipatedasheat.

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• Metabolic pathways that release the energy stored 
in complex organic molecules are catabolic.
• One type of catabolic process, fermentation, leads 
to the partial degradation of sugars in the absence 
of oxygen.
• A more efficient and widespread catabolic process, 
cellular respiration, uses oxygen as a reactant to 
complete the breakdown of a variety of organic 
molecules.
• Most of the processes in cellular respiration occur in 
mitochondria.
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• Cellular respiration is similar to the combustion of 
gasoline in an automobile engine.
• The overall process is:
• Organic compounds + O2 ­> CO2 + H2O + Energy

• Carbohydrates, fats, and proteins can all be used as 
the fuel, but it is traditional to start learning with 
glucose.
• C6H12O6 + 6O2 ­> 6CO2 + 6H2O + Energy (ATP + heat)

• The catabolism of glucose is exergonic with a delta 
G of ­ 686 kcal per mole of glucose.
• Some of this energy is used to produce ATP that will 
perform cellular work.
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2.CellsrecycletheATPtheyuseforwork
ã ATP,adenosinetriphosphate,isthepivotalmolecule
incellularenergetics.
ã Itisthechemicalequivalentofaloadedspring.
ã Theclosepackingofthreenegativelychargedphosphate
groupsisanunstable,energyưstoringarrangement.
ã Lossoftheendphosphategrouprelaxesthespring.

ã Thepriceofmostcellularworkistheconversionof
ATPtoADPandinorganicphosphate(Pi).
ã AnanimalcellregeneratesATPfromADPandPiby
thecatabolismoforganicmolecules.

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• The transfer of the terminal phosphate group from 
ATP to another molecule is phosphorylation. 
• This changes the shape of the receiving molecule, 
performing work (transport, mechanical, or chemical).
• When the 
phosphate 
group leaves 
the molecule, 
the molecule 
returns to its 
alternate shape.

Fig. 9.2

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3.Redoxreactionsreleaseenergywhen
electronsmoveclosertoelectronegative
atoms
ã Catabolicpathwaysrelocatetheelectronsstoredin
foodmolecules,releasingenergythatisusedto
synthesizeATP.
ã Reactionsthatresultinthetransferofoneormore
electronsfromonereactanttoanotherareoxidationư
reductionreactions,orredoxreactions.
ã Thelossofelectronsiscalledoxidation.

ã Theadditionofelectronsiscalledreduction.
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• The formation of table salt from sodium and 
chloride is a redox reaction.
• Na + Cl ­> Na+ + Cl­
• Here sodium is oxidized and chlorine is reduced (its 
charge drops from 0 to ­1).

• More generally: Xe­ + Y ­> X + Ye­
• X, the electron donor, is the reducing agent and 
reduces Y.
• Y, the electron recipient, is the oxidizing agent and 
oxidizes X.

• Redox reactions require both a donor and acceptor.
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• Redox reactions also occur when the movement of 
electrons is not complete but involve a change in 
the degree of electron sharing in covalent bonds.
• In the combustion of methane to form water and 
carbon dioxide, the nonpolar covalent bonds of 
methane (C­H) and oxygen (O=O) are converted to 
polar covalent bonds (C=O and O­H).

Fig. 9.3
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• When these bonds shift from nonpolar to polar, the 
electrons move from positions equidistant between 
the two atoms for a closer position to oxygen, the 
more electronegative atom.
• Oxygen is one of the most potent oxidizing agents.

• An electron looses energy as it shifts from a less 
electronegative atom to a more electronegative one.
• A redox reaction that relocates electrons closer to 
oxygen releases chemical energy that can do work.
• To reverse the process, energy must be added to 
pull an electron away from an atom.
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4.Electronsfallfromorganicmolecules
tooxygenduringcellularrespiration
ã Incellularrespiration,glucoseandotherfuel
moleculesareoxidized,releasingenergy.
ã Inthesummaryequationofcellularrespiration:
C6H12O6+6O2ư>6CO2+6H2O
ã Glucoseisoxidized,oxygenisreduced,andelectrons
loosepotentialenergy.
ã Moleculesthathaveanabundanceofhydrogenare
excellentfuelsbecausetheirbondsareasourceof
hilltopelectronsthatfallclosertooxygen.
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• The cell has a rich reservoir of electrons associated 
with hydrogen, especially in carbohydrates and 
fats.
• However, these fuels do not spontaneously 
combine with O2 because they lack the activation 
energy.
• Enzymes lower the barrier of activation energy, 
allowing these fuels to be oxidized slowly.

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5.Thefallofelectronsduringrespiration
isstepwise,viaNAD+andanelectron
transportchain
ã Cellularrespirationdoesnotoxidizeglucoseina
singlestepthattransfersallthehydrogeninthefuel
tooxygenatonetime.
ã Rather,glucoseandotherfuelsarebrokendown
graduallyinaseriesofsteps,eachcatalyzedbya
specificenzyme.
ã Atkeysteps,hydrogenatomsarestrippedfrom
glucoseandpassedfirsttoacoenzyme,likeNAD+
(nicotinamideadeninedinucleotide).
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• Dehydrogenase enzymes strip two hydrogen atoms 
from the fuel (e.g., glucose), pass two electrons 

and one proton to NAD+ and release H+.
• H­C­OH + NAD+ ­> C=O + NADH + H+

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• This changes the oxidized form, NAD+, to the 
reduced form NADH.
• NAD + functions as the oxidizing agent in many of the redox 
steps during the catabolism of glucose.

Fig. 9.4
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• The electrons carried by NADH loose very little of 
their potential energy in this process.
• This energy is tapped to synthesize ATP as 
electrons “fall” from NADH to oxygen.

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• Unlike the explosive release of heat energy that 
would occur when H2 and O2 combine, cellular 
respiration uses an electron transport chain to 
break the fall of electrons to O2 into several steps.

Fig. 9.5
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• The electron transport chain, consisting of several 
molecules (primarily proteins), is built into the inner 
membrane of a mitochondrion.
• NADH shuttles electrons from food to the “top” of 
the chain.
• At the “bottom,” oxygen captures the electrons and 
H+ to form water.
• The free energy change from “top” to “bottom” is  
­53 kcal/mole of NADH.
• Electrons are passed by increasingly electronegative 
molecules in the chain until they are caught by 
oxygen, the most electronegative.
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CHAPTER 9  CELLULAR 
RESPIRATION: HARVESTING 
CHEMICAL ENERGY
Section B: The Process of Cellular Respiration

1. Respiration involves glycolysis, the Krebs cycle, and electron transport: an 
overview
2.  Glycolysis harvests chemical energy by oxidizing glucose to pyruvate: a 
closer look
3.  The Krebs cycle completes the energy­yielding oxidation of organic 
molecules: a closer look
4.  The inner mitochondrial membrane couples electron transport to ATP 
synthesis: a closer look

5.  Cellular respiration generates many ATP molecules for each sugar 
molecule it oxidizes: a review
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1.Respirationinvolvesglycolysis,theKrebs
cycle,andelectrontransport:
anoverview
ã Respirationoccursinthreemetabolicstages:glycolysis,
theKrebscycle,andtheelectrontransportchainand
oxidative
phosphorylation.

Fig.9.6

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• Glycolysis occurs in the cytoplasm.
• It begins catabolism by breaking glucose into two 
molecules of pyruvate.

• The Krebs cycle occurs in the mitochondrial 
matrix.
• It degrades pyruvate to carbon dioxide.

• Several steps in glycolysis and the Krebs cycle 
transfer electrons from substrates to NAD+, 
forming NADH.
• NADH passes these electrons to the electron 

transport chain.
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• In the electron transport chain, the electrons move 
from molecule to molecule until they combine with 
oxygen and hydrogen ions to form water.
• As they are passed along the chain, the energy 
carried by these electrons is stored in the 
mitochondrion in a form that can be used to 
synthesize ATP via oxidative phosphorylation.
• Oxidative phosphorylation produces almost 90% of the 
ATP generated by respiration.

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• Some ATP is also generated in glycolysis and the 
Krebs cycle by substrate­level phosphorylation.
• Here an enzyme 
transfers a phosphate 
group from an 
organic molecule 
(the substrate) 
to ADP, forming 
ATP.

Fig. 9.7
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• Respiration uses the small steps in the respiratory 
pathway to break the large denomination of energy 
contained in glucose into the small change of ATP.
• The quantity of energy in ATP is more appropriate for 
the level of work required in the cell.

• Ultimately 38 ATP are produced per mole of 
glucose that is degraded to carbon dioxide and 
water by respiration.

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