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Life Science

Chapter 3: Cell Processes1. Chemistry of Life2. Moving Cellular Materials3. Energy for Life

http://www.connecticutvalleybiological.com/cell‐processes‐vhs‐p‐14026.html

Chapter 3.1 Chemistry of Life

Learning Objectives:

1. List the differences among atoms, elements, molecules, and compounds.

2. Explain the relationship between chemistry and life science.

3. Discuss how organic compounds are different from inorganic compounds.

Vocabulary: mixture, organic compound, enzyme, inorganic compound

Matter…

• is anything that has mass and takes up space.

• Examples?

Energy …

• is anything that brings about change.

• can hold matter together or break it apart.

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Atoms

• All matter (whether solid, liquid, or gas) is made of atoms.

• Center of atom is called the nucleus.

The nucleus consists of: 

• protons (have a + charge)

• neutrons (have no charge)

http://bioap.wikispaces.com/file/view/atom.jpg/107303887/atom.jpg

Atoms ‐ Electrons

• Around the nucleus is a cloud 

of electrons (have a – charge).

• Constantly moving

• VERY small mass compared to protons and neutrons! 

The mass of 1,837 electrons = the mass of 1 proton

• Involved in CHEMICAL REACTIONS

http://www.freaklasers.com/laser‐pointer/how‐laser‐works‐freaklasers‐1.jpg

Matter vs. Energy

Definition Examples

Matter atoms, electrons, protons, and neutrons; __________, __________, __________,  __________,  __________

Energy sunlight,  electricity, heat, chemical energy

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Parts of an Atom

Electrical Charge? Location in Atom? Relative Mass?

Protons

Neutrons

Electrons

Elements…

• are made up of only one kind of atom.

• can’t be broken down into simpler form by chemical reactions.

• are known by their own one‐ or two‐letter symbol.

• make up everything in the

Universe.

http://www.walyou.com/blog/wp‐content/uploads/2009/07/periodic‐table‐elements‐au‐ring.jpg

http://static.howstuffworks.com/gif/periodic‐table‐2.jpg

http://facstaff.gpc.edu/~pgore/PhysicalScience/periodic‐table.gif

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How many of these elements can you identify?

O _____________

C _____________

H _____________

N _____________

Ca ____________

P _____________

K ______________

S ______________

Na _____________

Cl ______________

Mg _____________

Elements that make up the human body

99% of living matter……is made up of six (6) elements. That makes these elements pretty important!

S 

P

O

N

C

H

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Compounds and Molecules

• Compounds ‐ composed of molecules

• Molecules of compounds have atoms of 2 or more elements bonded together.

• Example: water

http://kentsimmons.uwinnipeg.ca/cm1504/introchemistry.htmhttp://www.quarked.org/askmarks/images/water.jpg

Compounds and Molecules

• Compounds ‐ composed of molecules

• Molecules of compounds have atoms of 2 or more elements bonded together.

• These elements are in exact proportions.

• Example: Water is always made up of ___ hydrogen atom(s) and ___ oxygen atom(s), bonded together in exactly the same way, to form a water molecule.

Compounds and Molecules• Molecular Compounds form when different atoms share their outermost electrons.

Hydrogen atoms have 1 electron.How many electrons does an oxygen atom have? (see pg. 66) 

– On Earth, Oxygen and hydrogen normally exist as gases.

– But as a compound (water), they can be liquid, solid, or gas.

**When a compound is formed, changes occur and a new substance forms.

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Organic and Inorganic CompoundsWhat’s the difference?

Characteristic ORGANIC COMPOUNDS INORGANIC COMPOUNDS

Contain elements:

Associated with:

Relative # of atoms:

Examples

Organic Compounds Found in All Living Things 

There are four groups:

1.

2.

3.

4.

1. Carbohydrates

• Elements: carbon, hydrogen, oxygen 

• Examples: sugars, starch, cellulose

• What function do they have?

1. Supply energy for cell processes

2. Form plant structures

3. Short‐term energy storage

http://www.fehd.gov.hk/english/safefood/nutrient/1.html

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2. Lipids

• Elements: carbon, hydrogen,                   oxygen, phosphorus 

• Examples: fats, oils, waxes,                  phospholipids, cholesterol

• What function do they have?

1. Store large amounts of energy long term

2. Form major part of cell membranes

http://www.fehd.gov.hk/english/safefood/nutrient/1.html

3. Proteins

• Elements: carbon, hydrogen,                   oxygen, nitrogen, sulfur 

• Examples: enzymes, skin, hair

• What function do they have?

1. Regulate cell processes

2. Build cell structures

http://www.fehd.gov.hk/english/safefood/nutrient/1.html

4. Nucleic Acids

• Elements: carbon, hydrogen,                   oxygen, nitrogen, phosphorus 

• Examples: DNA & RNA

• What function do they have?

1. Carry hereditary information

2. Used to make proteins

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Inorganic Compounds

• Made from elements…

…other than carbon.

…that living things need. 

• Example: Plants take up inorganic compounds from soil. These I.C. contain the elements nitrogen, phosphorus, and sulfur.

Some Inorganic Compounds Important in Humans:

http://www.fehd.gov.hk/english/safefood/nutrient/1.html

Compound Use in Body

Water Blood; chemical reactions 

Calcium phosphate Bone strength 

Hydrochloric acid Breaks down foods in stomach

Sodium bicarbonate Digestion

Salts containing S, Cl, and K Nerve messages

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Ch. 3.3 Energy for Life (p. 81)

Why It’s Important:  

Because of photosynthesis and respiration,              you use the Sun’s energy.

What You’ll Learn:

1. List the differences between producers and consumers.

2. Explain how the processes of photosynthesis and respiration store and release energy.

3. Describe how cells get energy from glucose through fermentation.

Vocabulary: metabolism, respiration, photosynthesis, fermentation

How do we get energy from the food we eat?

Chemical reactions! 

• Food contains chemical energy.

• Using chemical reactions, cells change this chemical energy into forms needed to perform all of the activities necessary for life. 

• All of your activities involve chemical reactions.

• Metabolism: The total of all chemical reactions in an organism.

• The chemical reactions in your cells need enzymes.  Enzymes are like can openers. 

• You need a can opener to open the can.• The can changes, but the can opener

doesn’t – it can be used over and over again.

Enzymes can break molecules apart (like a can opener), but enzymes also can cause molecules to join (unlike a can opener). 

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BUT…just any old enzyme won’t do!

There has to be a perfect fit between a particular molecule and a particular enzyme.

http://www.skinnersbiology.co.uk/enzyme.htmhttp://isbibbio.wikispaces.com/Fungal+Amylase+‐+Baking+Enzyme

BUT…just any old enzyme won’t do!

There has to be a perfect fit between a particular molecule and a particular enzyme.

http://www.skinnersbiology.co.uk/enzyme.htmhttp://isbibbio.wikispaces.com/Fungal+Amylase+‐+Baking+Enzyme

Photosynthesis

Living things are divided into two groups based on how they obtain FOOD:

1.

2.  

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Greek and Latin Word Roots Are Fun (and Useful!)

Photo means ____________.

Synthesis means ___________  ____________.

Photosynthetic Protists

Algae

http://en.wikipedia.org/wiki/Seaweedhttp://scienceblogs.com/clock/2006/07/biological_clocks_in_protista.php

Euglena

http://www.biologie.uni‐hamburg.de/b‐online/library/webb/BOT311/Cyanobacteria/Cyanobacteria.htm

Cyanobacteria

Stromatolites formed by cyanobacteria ‐Ancient oxygen producers3.5 billion years old! 

Photosynthetic 

Bacteria

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Photosynthesis During photosynthesis, producers use light energy to make sugars, which can be used as food.

_________________is a green pigment that captures sunlight energy. It’s what makes green plants green! In plants, this pigment is found in organelles called ___________________.

Raw Materials:

Captured by chlorophyll, the Sun’s energy 

drives chemical reactions…

Sugar 

Oxygen Water (from soil)

Carbon Dioxide (from air) 

Products:

PHOTOSYNTHESIS IN PLANTS

http://www.topnews.in/law/region/london?page=146

CO2 +  H2O  +  light energy C6H12O6 +  O2Chlorophyll

http://batizybiologya.blogspot.com/

(Don’t forget the enzymes!)

What kind of organic compound is SUGAR?

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Storing Carbohydrates• Plants make more sugar than they need to survive.

• Excess sugar is changed and stored as starches or used to make other carbohydrates.

• Plants use these carbohydrates as food for growth, maintenance, and reproduction.

What about food we eat? 

How is it connected to photosynthesis?

http://bio8.wikispaces.com/3)+The+Cell

http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lectures/ps01.htm

Respiration

During respiration, chemical reactions occur that break down food molecules into simpler substances and release their stored energy.

• Respiration occurs in the cells of all living things.

• Most cells need oxygen to break down food.

• Enzymes are also needed for the chemical reactions to occur.

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Respiration: Breaking Down Carbohydrates

• Out of all the types of food, carbohydrates are most easily broken down by cells.

– Respiration of carbohydrates begins in cytoplasm of cell.

– Carbohydrates broken down into glucose molecules

– Then each glucose molecule is broken down into two simpler molecules, releasing ENERGY.

Respiration, cont’dSo far…Carbohydrates  glucose molecules two simpler molecules 

• In mitochondria (most organisms), two simpler molecules broken down again using oxygen. 

– Produces much more energy than breakdown of glucose molecules did

– Produces carbon dioxide and water as wastes (humans exhale these)

Fermentation

Not enough oxygen for respiration?

• Fermentation is used to release to release some of the energy stored in glucose molecules when cells don’t have enough oxygen.

– Example: when you run so hard that you have to breathe rapidly

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Process of Fermentation• Starts in cytoplasm (like respiration) and ends in cytoplasm (unlike respiration, which finishes in mitochondria)

• Like respiration, starts with breakdown of glucose molecules into simpler molecules to release some energy

• These simpler molecules are broken down again to release more energy, producing wastes.

– Wastes may include lactic acid, alcohol, and carbon dioxide

– Lactic acid makes muscles feel stiff

Fermentation in Action

http://www.brsquared.org/wine/Articles/MLF/MLF.htm

The Big Picture

How are the processes of photosynthesis, respiration, and fermentation related?