17
1 Name: _________________________________ Per: ______ Date: _________________ Photosynthesis, Cellular Respiration and Energy Concept Practice Packet I. How do biological organisms use energy? 1 IA. The Importance of ATP Living organisms use a twostep process to provide the energy needed for most biological processes. I. First, cellular respiration makes ATP from ADP plus a phosphate (P). The energy for this chemical reaction is provided by the cellular respiration of sugars or other organic molecules. II. Then, the hydrolysis of ATP provides the energy for most biological processes. When ATP and water react to form ADP plus a phosphate, this reaction provides the energy for many different cellular processes. Notice that the role of ATP in biological organisms is somewhat similar to the role of money in our society. Most people use a twostep process to get food, clothing, etc. I Cellular respiration of sugars or other organic molecules provides the energy to make ATP. Most people work to earn money. II Then, the hydrolysis of ATP provides the energy for most biological processes. Then people spend their money to buy the things they need or want. 1 By Dr. Ingrid Waldron, University of Pennsylvania, 2016. Teachers are encouraged to copy this Student Handout for classroom use. A Word file (which can be used to prepare a modified version if desired), Teacher Notes with instructional suggestions, background information and alignment with Next Generation Science Standards are available at http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/energy.

Photosynthesis, Cellular Respiration and Energy Practice ... Cellular Respiration...! 6! + 6c.!If!Helmont's!conclusion!is!not!justified!by!the!results!of!his!experiment,!state!a!more!valid!conclusion.!!!!!

  • Upload
    others

  • View
    69

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

  1  

Name:  _________________________________   Per:  ______           Date:  _________________    Photosynthesis,  Cellular  Respiration  and  Energy  Concept  Practice  Packet    I.  How  do  biological  organisms  use  energy?1  

 IA.  The  Importance  of  ATP  Living  organisms  use  a  two-­‐step  process  to  provide  the  energy  needed  for  most  biological  processes.    

I.  First,  cellular  respiration  makes  ATP  from  ADP  plus  a  phosphate  (P).  The  energy  for  this  chemical  reaction  is  provided  by  the  cellular  respiration  of  sugars  or  other  organic  molecules.      

 II.  Then,  the  hydrolysis  of  ATP  provides  the  energy  for  most  biological  processes.  When  ATP  and  water  react  to  form  ADP  plus  a  phosphate,  this  reaction  provides  the  energy  for  many  different  cellular  processes.    

   

Notice  that  the  role  of  ATP  in  biological  organisms  is  somewhat  similar  to  the  role  of  money  in  our  society.  Most  people  use  a  two-­‐step  process  to  get  food,  clothing,  etc.    

I  

 

Cellular  respiration  of  sugars  or  other  organic  molecules  provides  the  energy  to  make  ATP.    

Most  people  work  to  earn  money.  

II    

Then,  the  hydrolysis  of  ATP  provides  the  energy  for  most  biological  processes.    

Then  people  spend  their  money  to  buy  the  things  they  need  or  want.  

     

                                                                                                               1  By  Dr.  Ingrid  Waldron,  University  of  Pennsylvania,  2016.  Teachers  are  encouraged  to  copy  this  Student  Handout  for  classroom  use.    A  Word  file  (which  can  be  used  to  prepare  a  modified  version  if  desired),  Teacher  Notes  with  instructional  suggestions,  background  information  and  alignment  with  Next  Generation  Science  Standards  are  available  at  http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/energy.  

  2  

1.  Give  one  reason  why  the  reaction,  ADP  +  P  à  ATP  +  H2O,  requires  energy  input.  (Hint:  Notice  the  charges  of  the  molecules  in  the  top  figure.)          

 

 2a.  Inside  each  cell,  there  is  a  constant  cycle  of  synthesis  and  breakdown  of  ATP.  Add  to  this  diagram  to  show:  

• how  cellular  respiration  contributes  to  the  production  of  ATP  

• how  the  hydrolysis  of  ATP  to  form  ADP  +  P  is  useful.    

 

2b.  Explain  why  a  cell  needs  to  constantly  break  down  and  synthesize  ATP.  

     IB.  Cellular  Respiration  The  chemical  equations  shown  below  summarize  the  cellular  respiration  of  glucose  (a  simple  sugar).  Glucose  and  oxygen  are  the  inputs  for  a  series  of  chemical  reactions  which  provide  the  energy  to  make  ATP  from  ADP  +  P.  The  actual  process  of  cellular  respiration  in  cells  requires  many  steps  which  are  not  shown  here.      

 3.  Write  the  names  of  each  of  the  molecules  in  these  chemical  equations.    4.  How  do  our  bodies  get  glucose  and  other  organic  molecules  for  cellular  respiration?          5.  Why  do  we  need  to  breathe  all  day  and  all  night?        6a.  If  you  search  for  "cellular  respiration  equation"  on  the  web,  some  of  the  most  popular  sites  give  the  following  chemical  equation  for  cellular  respiration  of  glucose.    

C6H12O6  +  6  O2                              6  CO2  +  6  H2O  +  ATP      What  is  wrong  with  this  chemical  equation?  (Hint:  Think  about  where  the  atoms  in  an  ATP  molecule  come  from.)            

  3  

6b.  Write  a  corrected  version  of  this  chemical  equation  that  gives  a  more  accurate  summary  of  cellular  respiration.  (Hint:  This  corrected  chemical  equation  should  combine  the  two  coupled  reactions  shown  in  the  middle  of  this  page.)      

 IC.  Using  ATP  to  Provide  Energy  for  Biological  Processes  The  hydrolysis  of  ATP  provides  the  energy  for  many  biological  processes,  including  mechanical  work,  pumping  ions  into  or  out  of  a  cell,  and  synthesizing  molecules  (see  second  figure  on  page  1).      7a.  The  coupled  reactions  shown  below  summarize  how  hydrolysis  of  ATP  provides  the  energy  for  muscle  cells  to  contract.  Fill  in  the  blanks  to  complete  the  top  line.    

                     many  ______  +  many  H2O                              many  ______  +  many  P                                                                                                                                                                                      \/                                                                                                                                                                                            \/                                      

                   muscle  cell  relaxed                            muscle  cell  contracted    7b.  The  bottom  line  represents  the  reactions  of  muscle  proteins  that  result  in  muscle  contraction.    What  does  \/  represent?                                                  \/        8a.  The  reaction,  ATP  +  H2O  →  ADP  +  P  occurs:  

a. only  in  muscle  cells  b. in  muscle  cells  and  nerve  cells  c. in  all  the  cells  in  your  body.  

 8b.  What  reasoning  supports  the  answer  you  chose?          

 Two  important  general  principles  about  energy  are:  

• Energy  can  be  transformed  from  one  type  to  another  (e.g.  chemical  energy  can  be  transformed  to  the  kinetic  energy  of  muscle  contraction).  However,  energy  can  not  be  created  or  destroyed  by  biological  processes.    

• All  types  of  energy  transformation  are  inefficient.  For  example,  the  energy  for  muscle  contraction  is  provided  by  the  hydrolysis  of  ATP,  but  only  about  20-­‐25%  of  the  energy  from  this  chemical  reaction  is  captured  in  the  kinetic  energy  of  muscle  contraction.  The  rest  of  the  energy  is  converted  to  heat.    

 9.  Cellular  respiration  takes  place  primarily  in  organelles  called  mitochondria.  Some  textbooks  claim  that  "Mitochondria  make  the  energy  needed  for  biological  processes."  Explain  what  is  wrong  with  this  sentence  and  give  a  more  accurate  sentence.    

           10.  Explain  why  your  body  gets  warmer  when  you  are  physically  active.    

  4  

   

II.    Where  does  a  plant's  mass  come  from?2  

 (from  "Hard-­‐to-­‐Teach  Biology  Concepts"  by  Susan  Koba  with  Anne  Tweed,  NSTA  Press)    

 1.    Which  of  the  four  hypotheses  in  the  cartoon  do  you  agree  with?              In  this  activity,  you  will  analyze  information  to  evaluate  these  four  hypotheses.    Almost  all  of  a  plant’s  mass  consists  of  water  and  organic  molecules  (e.g.  cellulose  and  proteins).  The  weight  of  all  the  organic  molecules  is  called  the  biomass.    2.  This  pie  chart  for  a  plant’s  mass  shows  that  more  than  half  of  a    

plant’s  mass  is        __________________________  .                  (organic  molecules/water)  

   In  plants,  organic  molecules  are  made  largely  from  sugars  which  are  produced  by  photosynthesis.      3a.  Which  chemical  equation  correctly  summarizes  how  photosynthesis  in  plants  produces  the  sugar,  glucose?  Explain  how  the  other  chemical  equation  violates  a  basic  principle  that  applies  to  all  chemical  equations.                                                                                      sunlight  

a. 6  CO2  +  6  H2O                                      C6H12O6  +  6  O2                                                                                                                                                          sunlight                b.        6  CO2  +  6  H2O                                      6  C6H12O6  +  O2            3b.  Which  of  the  input  molecules  for  photosynthesis  comes  from  the  air?    _______    3c.  Which  of  the  input  molecules  for  photosynthesis  comes  from  the  soil?  ______                                                                                                                  2  By  Dr.  Ingrid  Waldron,  Department  of  Biology,  University  of  Pennsylvania,  ©  2017.  Teachers  are  encouraged  to  copy  this  Student  Handout  for  classroom  use.  This  Student  Handout  and  Teacher  Notes  with  background  information  and  instructional  suggestions  are  available  at  http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/plantmass    

  5  

 3d.  Can  the  energy  in  sunlight  be  converted  to  the  C,  H  or  O  atoms  in  glucose?  ___  yes      ___  no      This  figure  shows  how  photosynthesis  in  chloroplasts  inside  plant  cells  produces  sugars  and  these  sugars  are  transformed  into  the  different  types  of  organic  molecules  that  become  part  of  growing  plant  cells.    

   4.  The  CO2  needed  for  photosynthesis  enters  the  plant  through  the  _____________.                                                (leaves/roots)  The  water  in  the  plant  cells’  vacuoles  and  cytoplasm  (including  the  water  used  for    

photosynthesis)  enters  the  plant  through  the  _______________.                        (leaves/roots)    

5.  Explain  how  a  carbon  atom  from  a  CO2  molecule  in  the  air  can  end  up  as  a  carbon  atom  in  a  protein  in  a  plant  cell.  

       6a.  In  1642-­‐1647,  Helmont  carried  out  a  classic  experiment  to  evaluate  where  a  plant’s  mass  came  from.  He  grew  a  willow  tree  in  a  pot  and  added  only  water  during  the  five-­‐year  experiment.  He  recorded  the  weight  of  the  tree  and  the  weight  of  the  dried  soil  in  the  pot  at  the  beginning  and  end  of  his  experiment.  Complete  this  table  to  show  the  changes  in  weight  for  the  tree  and  for  the  dried  soil.  

  Weight  of  Tree   Weight  of  Dried  Soil  1642                5  pounds              200  pounds  1647        169  pounds,  3  ounces              199  pounds,  14  ounces  Change  in  Weight      

 

6b.  Helmont  concluded  that  almost  none  of  the  weight  of  the  tree  came  from  the  dry  soil,  so  almost  all  of  the  weight  of  plants  comes  from  water.  Is  his  conclusion  justified  by  the  findings  from  his  experiment?    yes___      no___      Explain  why  or  why  not.              

  6  

 6c.  If  Helmont's  conclusion  is  not  justified  by  the  results  of  his  experiment,  state  a  more  valid  conclusion.                7.  Complete  the  table  below  to  summarize  your  evaluation  of  four  hypotheses  about  where  a  plant’s  mass  comes  from.  Use  the  information  already  presented  and  these  research  findings:  

• Most  of  the  mass  of  the  sugar  molecules  produced  by  photosynthesis  comes  from  CO2.  Most  of  the  mass  of  plant  organic  molecules  comes  from  these  sugar  molecules.  Therefore,  most  of  the  mass  of  plant  organic  molecules  comes  from  CO2.    

• Many  plants  can  be  grown  with  their  roots  in  water  instead  of  soil.  However,  growth  and  survival  are  limited  unless  a  small  amount  of  soil  or  fertilizer  is  added  to  the  water.  

 

How  much  of  a  plant's  mass    comes  from  each  of  the  

following?  

Explain  the  evidence  and  reasoning  that  supports  your  conclusion.  

 The  sun's  energy    __a  substantial  amount  __a  very  small  amount        __none    

 

 Molecules  in  the  air  that  come    into  the  plant’s  leaves    __a  substantial  amount  __a  very  small  amount        __none    

 

 Water  taken  up  by  the  plant’s  roots    __a  substantial  amount  __a  very  small  amount        __none    

 

 Nutrients  in  the  soil  that  are  taken  up  by  the  plant’s  roots    __a  substantial  amount  __a  very  small  amount        __none    

 

 

     

  7  

   

III.  Using  Models  to  Understand  Photosynthesis3    A  scientific  model  is  a  simplified  representation  of  reality  that  highlights  certain  key  features  of  a  process,  structure  or  system.  A  good  model  helps  us  to  understand  a  process  such  as  photosynthesis.      During  photosynthesis,  plant  cells  use  carbon  dioxide,  water,  and  the  energy  in  sunlight  to  produce  sugar  molecules  and  oxygen.  Some  of  the  light  energy  is  transformed  to  chemical  energy  in  the  sugar  molecules.      One  model  of  photosynthesis  is  a  chemical  equation  that  summarizes  the  inputs  and  outputs  of  photosynthesis.  Two  different  versions  of  this  chemical  equation  are  shown  in  this  box.  

 1a.  Write  the  names  of  the  molecules  in  the  first  version  of  this  chemical  equation.    1b.  For  each  type  of  molecule,  draw  a  line  that  links  the  chemical  formula  in  the  first  version  of  the  equation  with  the  corresponding  diagram  in  the  second  version  of  the  equation.      2.  The  chart  below  shows  another  type  of  model  of  photosynthesis.  This  chart  emphasizes  that:    

• One  type  of  energy  can  be  transformed  to  another  type  of  energy.  • One  type  of  matter  can  be  converted  to  another  type  of  matter;  i.e.  the  atoms  in  the  input  

molecules  are  reorganized  as  the  atoms  in  the  output  molecules.  • Energy  is  not  converted  to  matter  and  matter  is  not  converted  to  energy.  

 

Complete  this  chart  to  show  the  changes  during  photosynthesis.    

 

                                                                                                               3  By  Dr.  Ingrid  Waldron,  Dept.  Biology,  University  of  Pennsylvania,  ©  2016.  Teachers  are  encouraged  to  copy  this  Student  Handout  for  classroom  use.  This  Student  Handout  and  Teacher  Notes  with  instructional  suggestions  and  background  biology  are  available  at  http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/modelenergy.    

  8  

 Photosynthesis  takes  place  in  chloroplasts  inside  leaf  cells.  This  diagram  of  a  chloroplast  provides  another  model  of  photosynthesis.      This  model  shows:  

• some  of  the  multiple  steps  involved  in  synthesizing  a  single  sugar  molecule  

• a  few  of  the  many  molecules  needed  for  photosynthesis.      Another  important  molecule  is  chlorophyll,  a  green  pigment  which  absorbs  light  and  begins  the  process  of  converting  light  energy  to  chemical  energy.      

   

 

3a.  In  this  diagram,  write  the  names  of  each  type  of  input  and  output  molecule  for  photosynthesis.    3b.  Circle  the  part  of  the  chloroplast  where  you  would  expect  chlorophyll  to  be  located.      4.  A  typical  leaf  is  flat  and  thin,  so  each  leaf  cell  is  relatively  near  the  surface  of  the  leaf.  How  does  this  leaf  shape  help  to  maximize  the  rate  of  photosynthesis  in  leaves?  

   

   5.  All  three  models  of  photosynthesis  (the  diagram  above  and  the  chemical  equations  and  chart  on  page  1)  show  some  of  the  same  basic  characteristics  of  photosynthesis.  What  are  some  basic  characteristics  of  photosynthesis  that  are  shown  in  all  three  of  these  models  of  photosynthesis?    

       6.  For  each  type  of  model,  describe  one  advantage  that  helps  you  to  better  understand  photosynthesis.    

Advantage  of  the  Chemical  Equations  (p.  7)  

Advantage  of  the  Energy-­‐Matter  Chart  (p.  7)  

Advantage  of  the  Chloroplast  Diagram  (this  page)  

         

         

                 

 

       

 

  9  

 IV.  How  do  muscles  get  the  energy  they  need  for  athletic  activity?4    

 All  athletic  activity  depends  on  muscle  contractions  that  require  energy.  Inside  muscle  cells,  the  hydrolysis  of  ATP  provides  the  energy  for  the  molecular  reactions  that  result  in  muscle  contraction.  

   

A  typical  muscle  cell  at  rest  has  only  enough  ATP  for  ~1  or  2  seconds  of  contraction.  To  continue  contraction  for  more  than  1  or  2  seconds,  a  muscle  cell  needs  to  restore  the  ATP  molecules.    Two  processes  can  use  glucose  to  produce  ATP:  

• aerobic  respiration  (Aerobic  means  that  a  process  requires  air  or,  specifically,  oxygen  =  O2.  Aerobic  respiration  is  also  called  cellular  respiration.)  

• anaerobic  fermentation  (Anaerobic  means  that  the  process  does  not  require  O2.)    1a.  In  the  diagram  above,  label  the  arrow  that  shows  the  hydrolysis  of  ATP.  1b.  Label  the  arrow  that  shows  energy  input  from  anaerobic  fermentation  or  aerobic  respiration.    Anaerobic  fermentation  and  aerobic  respiration  are  summarized  in  the  coupled  chemical  reactions  shown  in  the  boxes  below.  In  both  processes,  glucose  is  broken  down  to  smaller  molecules  in  chemical  reactions  that  release  energy  which  is  used  in  the  production  of  ATP.      2.  Write  in  the  names  of  the  molecules  in  the  first  chemical  equation  in  each  box.  (Anaerobic  fermentation  in  muscles  produces  lactic  acid.)  Fill  in  the  blanks  in  the  last  chemical  equation  shown.                                                                                                                                                                                                                                            \/  

           represents  chemical    reactions;                    \/    represents  energy  transfer  between  coupled  reactions    3.  During  vigorous  physical  activity  a  person  breathes  faster  and  deeper.  This  increases  the  supply  of  O2  for  the  muscles.  How  does  this  contribute  to  better  athletic  performance?  

           

                                                                                                               4  By  Dr.  Ingrid  Waldron,  Biology  Dept,  Univ  Pennsylvania,  ©2016.  This  Student  Handout  and  Teacher  Notes  with  instructional  suggestions  and  background  information  are  available  at  http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/energyathlete.      

Anaerobic  Fermentation    

         C6H12O6       2  C3H6O3                                                                  \/                                                                                \/        2  ADP  +  2  P   2  ATP    

Aerobic  Respiration        C6H12O6  +  6  O2     6  CO2  +6  H2O                                                                                      \/                                                                                                          \/        ~29  ____  +  ~29  P   ~29  ____    

  10  

 Anaerobic  fermentation  and  aerobic  respiration  produce  most  of  the  ATP  for  muscle  contraction,  but  muscle  cells  can  make  a  rapid,  brief  burst  of  ATP  using  creatine  phosphate  (also  called  phosphocreatine.)    

 

 4.  Fill  in  the  blanks  in  the  first  reaction  below  to  show  how  hydrolysis  of  ATP  provides  the  energy  for  muscle  cells  to  contract.  (Hint:  See  the  top  of  page  1.)                              many  ______  +  many  H2O                                    many  ______  +  many  P                            \/                                                                                                                                                                                                              \/                                      

                   muscle  cell  relaxed                            muscle  cell  contracted    5.  During  physical  activity  muscle  cells  have  increased  rates  of  anaerobic  fermentation,  aerobic  respiration  and/or  the  hydrolysis  of  creatine  phosphate.  Explain  why  it  is  useful  for  these  rates  to  increase  in  muscle  cells  during  physical  activity.  

   

       

 General  Principles    

• Energy  can  be  transformed  from  one  type  to  another  (e.g.  chemical  energy  can  be  transformed  to  the  kinetic  energy  of  muscle  motion).  Energy  is  not  created  or  destroyed  by  biological  processes.  

• All  types  of  energy  transformation  are  inefficient  and  result  in  the  production  of  heat.  For  example,  when  hydrolysis  of  ATP  provides  the  energy  for  muscle  contraction,  only  about  20-­‐25%  of  the  chemical  energy  released  is  captured  in  the  kinetic  energy  of  muscle  contraction.  The  rest  of  the  energy  from  the  hydrolysis  of  ATP  is  converted  to  heat.  

• The  atoms  in  molecules  can  be  rearranged  into  other  molecules,  but  matter  (atoms  in  molecules)  is  not  created  or  destroyed.      

 6.  Aerobic  respiration  occurs  mainly  inside  the  mitochondria  in  cells.  A  website  claims  that  "The  mitochondria  in  muscle  cells  make  the  energy  needed  for  athletic  activity."  Explain  what  is  wrong  with  this  sentence,  and  give  a  more  accurate  sentence.          

     7.  Explain  why  your  body  gets  warmer  when  you  are  physically  active.    

     

  11  

You  have  seen  that  anaerobic  fermentation  and  aerobic  respiration  of  glucose  provide  the  energy  to  produce  ATP,  and  hydrolysis  of  ATP  provides  the  energy  for  muscle  contraction.  The  obvious  next  question  is  "How  does  glucose  get  to  the  muscles?"  As  shown  in  this  chart,  glucose  can  be  derived  from:  

• carbohydrates  in  food  (e.g.  starch  or  sugars  such  as  sucrose)    • glycogen  (a  polymer  of  glucose  used  to  store  glucose  in  muscles  and  in  the  liver).  

Then,  glucose  is  carried  by  the  blood  from  the  digestive  system  to  the  muscles.      

Digestive  System            Mouth,  stomach  and  small  intestine                -­‐  carbohydrates  in  food                  glucose    

  Respiratory  System                                                                    -­‐  air  in  lungs                  O2                                                                                                                                                                          blood  

                                                                   blood      

       Liver                -­‐  glycogen                        many  glucose                                                            

  Muscles            -­‐  anaerobic  fermentation  and  aerobic  respiration                  of  glucose  provides  the  energy  to  produce  ATP    

           -­‐  glycogen                        many  glucose                                                    

 Notice  that  the  energy  supply  for  muscle  contraction  depends  on  the  cooperation  of:  • the  digestive  system  (to  provide  glucose)    • the  respiratory  system  (to  provide  O2)    • the  circulatory  system  (since  the  blood  pumped  by  the  heart  carries  glucose  and  O2  to  the  muscles).      8.  The  chart  shows  that  at  some  times  glycogen  is  broken  down  to  release  glucose,  and  at  other  times  many  glucose  molecules  are  combined  to  form  glycogen.    • Use  an  X  to  mark  the  arrows  for  the  reaction  that  occur  at  a  higher  rate  during  vigorous  exercise.  • Use  an  M  to  mark  the  arrows  for  the  reaction  that  occurs  at  a  higher  rate  during  rest  after  a  meal.    During  exercise,  fat  molecules  stored  in  muscles  and  in  adipose  tissue  are  broken  down  to  fatty  acids  which  muscle  cells  can  use  as  another  input  for  aerobic  respiration.    9.  Regular  aerobic  exercise  such  as  walking,  running  or  swimming  results  in  changes  in  the  body  called  training  effects.  Complete  the  following  table  to  explain  how  each  listed  training  effect  contributes  to  an  increased  capacity  for  aerobic  respiration  in  muscle  cells.      

Training  Effect  Produced  by  Regular  Aerobic  Exercise  

Explain  how  this  training  effect  can  contribute  to    an  increase  in  the  rate  of  aerobic  respiration  in  muscle  cells.  

The  heart  can  pump  more  blood  per  second  and  the  muscles  have  more  capillaries  (small  blood  vessels  where  O2,  glucose,  and  fatty  acids  move  from  the  blood  to  the  muscle  cells).  

 

Muscle  cells  have  more  and  larger  mitochondria  and  more  enzymes  for  aerobic  respiration.  

 

Muscle  cells  have  more  stored  glycogen  and  more  of  the  molecules  that  facilitate  uptake  of  glucose  and  fatty  acids  into  cells.  

 

 

  12  

In  active  muscle,  both  anaerobic  fermentation  and  aerobic  respiration  produce  ATP.  In  addition,  creatine  phosphate  can  be  used  to  produce  ATP.  The  relative  importance  of  these  three  energy  sources  varies  depending  on  the  intensity  and  duration  of  the  physical  activity.  To  learn  how  the  primary  source  of  muscle  ATP  differs  for  races  of  different  lengths,  read  the  following  information  and  answer  questions  10-­‐12.    

• Creatine  phosphate  can  be  used  to  produce  ATP  more  rapidly  than  anaerobic  fermentation  or  aerobic  respiration.  Muscle  cells  typically  have  enough  creatine  phosphate  to  supply  ATP  for  ~10  seconds  of  intense  activity.  

• Anaerobic  fermentation  is  faster  than  aerobic  respiration  and  does  not  require  O2,  so  anaerobic  fermentation  can  provide  a  lot  of  ATP  for  brief  intense  athletic  events.  However,  anaerobic  fermentation  can  only  be  a  major  source  of  energy  for  a  minute  or  two,  in  part  because  anaerobic  fermentation  produces  lactic  acid  and  too  much  lactic  acid  has  harmful  effects.  

• Aerobic  respiration  is  the  slowest  of  these  processes,  but  aerobic  respiration  produces  more  ATP  per  glucose  molecule  than  anaerobic  fermentation  and  aerobic  respiration  can  continue  for  hours.  

 Running  Distance   Running  Time  (world  record;  US  high  school  record)   Speed    

100  m   9.6  seconds;  10.0  seconds   10.4;  10.0  m/sec.  400  m   43.2  seconds;  44.7  seconds      9.3;  8.9  m/sec.  

Marathon  (42.2  km)   2  hours  3  min.  23  sec.;  2  hours  23  min.  47  sec.      5.7;  4.9  m/sec.    10.  What  do  you  think  is  the  primary  source  of  ATP  for  muscles  during  a  marathon?                                                            aerobic  respiration    __              anaerobic  fermentation  __          creatine  phosphate    __  Explain  your  reasoning.            11.  Explain  why  creatine  phosphate  is  the  most  important  contributor  to  ATP  production  during  a  100  m  race  and  less  important  for  longer  races.        

 12.  Explain  why,  for  a  400  m  race,  anaerobic  fermentation  supplies  more  of  the  ATP  than  aerobic  respiration.          13.  Complete  this  table  concerning  two  of  the  recovery  processes  that  occur  after  an  athletic  event.    

Recovery  Process   Explain  why  this  recovery  process  is  useful  after  a  marathon  which  ended  with  an  intense  sprint.  

In  muscle  cells  and  liver  cells,  glycogen  is  synthesized  from  glucose  derived  from  food  molecules.  

 

 In  liver  cells,  lactic  acid  is  converted  back  to  glucose.    

 

 

     

  13  

   

V.  Photosynthesis  and  Cellular  Respiration    VA.  Understanding  the  Basics  of  Bioenergetics  and  Biosynthesis5    This  figure  shows  the  processes  that  plant  cells  use  to  provide  the  energy  needed  for  many  of  the  activities  of  life.    First,  photosynthesis  uses  the  energy  in  sunlight  to  make  glucose  from  carbon  dioxide  and  water.    Then,  cellular  respiration  uses  glucose  and  oxygen  as  inputs  for  reactions  that  release  energy,  which  cellular  respiration  uses  to  make  ATP  from  ADP  and  P.    Finally,  hydrolysis  of  ATP  provides  energy  in  the  form  needed  for  many  biological  processes.    1.  In  the  figure,  underline  the  names  of  each  of  the  four  inputs  for  cellular  respiration.    2a.  Photosynthesis  produces  glucose  and  oxygen.  These  molecules  are  inputs  for    

________________________________________________.  

 

   2b.  Cellular  respiration  produces  carbon  dioxide  and  water.  These  molecules  are  inputs  for  

 2c.  Notice  that  photosynthesis  and  cellular  respiration  make  a  cycle  where  the  products  of  each  process  are  inputs  molecules  for  the  other  process.  Draw  an  oval  around  the  part  of  the  figure  that  shows  this  cycle.      3a.  Cellular  respiration  produces  ATP  and  H2O.  These  molecules  are  the  inputs  for        3b.  The  hydrolysis  of  ATP  produces  ADP  and  P.  ADP  and  P  are  inputs  for  

 3c.  Cellular  respiration  and  hydrolysis  of  ATP  make  a  cycle  where  the  products  of  each  process  are  inputs  for  the  other  process.  Draw  a  triangle  around  the  part  of  the  figure  that  shows  this  cycle.      4a.  Why  do  plants  need  to  carry  out  both  photosynthesis  and  cellular  respiration?            

4b.  Why  do  animals  need  to  carry  out  cellular  respiration,  but  not  photosynthesis?          

                                                                                                               5By  Dr.  Ingrid  Waldron,  Department  of  Biology,  University  of  Pennsylvania,  ©  2016.    Teachers  are  encouraged  to  copy  this  Student  Handout  for  classroom  use.  This  Student  Handout  and  Teacher  Notes  with  background  information  and  instructional  suggestions  are  available  at  http://serendip.brynmawr.edu/exchange/bioactivities/photocellrespir.  

  14  

 To  represent  the  overall  chemical  equations  for  photosynthesis  and  cellular  respiration,  you  will  use  16  rectangles.  Divide  a  sheet  of  paper  into  16  rectangles.    For  photosynthesis,  prepare:  

• four  rectangles,  each  with  one  of  the  following:  C6H12O6,  6  CO2,  6  H2O,  6  O2;    write  the  name  of  the  molecule  represented  by  each  chemical  formula  

• one  rectangle  with  →  to  represent  a  chemical  reaction  • two  rectangles  with  +  • one  rectangle  with  sunlight  

 For  cellular  respiration,  you  will  need  all  of  the  photosynthesis  rectangles  except  the  last,  plus:  

• four  rectangles,  each  with  one  of  the  following:  ~29  ATP,  ~29  ADP,  ~29  P,  ~29  H2O  • one  additional  rectangle  with  →  • two  additional  rectangles  with  +  • one  rectangle  with    \/    to  represent  energy  transfer  between  coupled  reactions  

                                                                                                       \/    

5.  Arrange  the  eight  rectangles  for  photosynthesis  to  show  the  overall  chemical  equation  for  photosynthesis.  Copy  this  chemical  equation  into  the  top  box  in  this  chart.    

                                 

6.  Rearrange  the  photosynthesis  rectangles  (except  for  sunlight)  to  show  the  first  chemical  equation  for  cellular  respiration.  Arrange  the  rest  of  the  rectangles  to  show  the  rest  of  the  process  of  cellular  respiration.  Copy  these  chemical  equations  for  cellular  respiration  into  the  bottom  box  in  the  above  chart.    7.  Draw  two  arrows  to  show  how  the  products  of  photosynthesis  can  be  used  as  the  inputs  for  cellular  respiration.  Next,  draw  two  arrows  to  show  how  the  products  of  cellular  respiration  can  be  used  as  the  inputs  for  photosynthesis.    8.  What  happens  to  the  ATP  produced  by  cellular  respiration?  Show  the  chemical  reaction.  Explain  how  this  reaction  is  useful.      

Photosynthesis          

Cellular  Respiration    

  15  

 Not  all  of  the  sugar  molecules  produced  by  photosynthesis  are  used  for  cellular  respiration.  Some  of  the  sugar  molecules  are  used  to  synthesize  other  organic  molecules.  For  example,  multiple  glucose  molecules  are  joined  together  to  make  starch  or  cellulose.      9a.  Circle  one  glucose  monomer  in  each  polymer  in  the  figure.    9b.  Why  do  plants  need  to  make  cellulose?  

       

9c.  Why  is  it  useful  for  plants  to  make  starch  molecules?  Give  a  specific  example  of  how  starch  molecules  are  useful  for  a  plant.          The  sugars  produced  by  photosynthesis  are  also  used  to  make  other  plant  molecules,  such  as  the  amino  acids  which  are  the  building  blocks  for  proteins.    10.  The  sugars  produced  by  photosynthesis  are  used  for  two  different  purposes:  • Some  of  the  sugar  molecules  are  used  for  cellular  respiration  to  produce  ________  which  provides  energy  for  

the  processes  of  life.  • Some  of  the  sugar  molecules  are  used  to  synthesize  _____________________________________.    11.  A  plant  is  made  up  primarily  of:  

• organic  molecules  like  cellulose  and  proteins  • water  molecules.    

To  grow,  plants  add  more  organic  molecules  and  water.  Draw  a  flow  chart  or  diagram  to  show:  • how  plants  make  the  organic  molecules  needed  to  grow  • how  plants  get  the  carbon  dioxide  and  water  needed  for  photosynthesis  and  growth.  

               

 

VB.    Plant  Growth  Puzzle  Biomass  is  the  weight  of  the  organic  molecules  in  an  organism,  after  the  water  has  been  removed.  Thus,  biomass  =  an  organism’s  weight  -­‐  the  weight  of  the  water  in  the  organism.    

12.  Which  process  can  result  in  decreased  biomass  for  a  plant?          ___  cellular  respiration          ___  photosynthesis  

 

How  does  this  process  result  in  decreased  biomass?  Where  does  the  mass  go?      

   

  16  

13.  Which  process  can  contribute  to  increased  biomass  for  a  plant?    ___  cellular  respiration        __  photosynthesis  

   

Where  does  the  increased  biomass  come  from?    What  molecules  are  taken  in  by  the  plant  and  used  to  create  organic  molecules  that  become  part  of  the  plant's  biomass?    

       14.  A  typical  seed  contains  many  starch  and/or  fat  molecules.  When  a  seed  germinates  and  a  plant  first  begins  to  grow,  these  starch  and  fat  molecules  are  broken  down  to  provide  glucose  and  fatty  acids,  which  can  be  used  as  input  for  cellular  respiration  to  produce  ATP.    When  a  seed  begins  growing    

underground  in  the  dark,  the  plant  cannot  carry  out  _________________________________  because    (cellular  respiration/photosynthesis)  

there  is  no  light.  A  plant  growing  in  the  dark  will  only  carry  out  _______________________________            (cellular  respiration/photosynthesis)  

and  the  plant  will  _________  biomass.                                          (gain/lose)            An  experimenter  evaluated  the  change  in  biomass  for  seeds  kept  in  petri  dishes  under  three  different  conditions  (shown  in  the  top  row  of  the  table  below).  At  the  beginning  of  the  experiment  each  batch  of  seeds  weighed  1.5  grams.  The  seeds  had  very  little  water,  so  each  batch  of  seeds  had  1.46  grams  of  biomass.      After  ten  days,  the  seeds  that  were  exposed  to  water  had  sprouted  to  produce  plants.  To  determine  the  biomass  of  each  batch  of  seeds/plants,  they  were  dried  in  an  oven  overnight  (to  remove  all  the  water)  and  then  weighed.        15.  For  each  condition  in  the  table  below,  predict  the  biomass  after  10  days.  Explain  why  you  predict  a  decrease,  increase  or  no  change  from  the  initial  1.46  grams  of  biomass.        

Condition  for  each  batch  of  seeds  

1.  Light,  no  water                    (seeds  did  not  sprout)  

2.  Light,  water                      (seeds  sprouted  to                            produce  plants)  

3.  Water,  no  light                              (seeds  sprouted  to                                    produce  plants)  

Predicted  biomass  at  10  days  (grams)   __<1.46    __~1.46      __  >  1.46   __<1.46    __~1.46      __  >  1.46   __<1.46    __~1.46      __  >  1.46  

 Reason  for  predicting  decrease,  increase  or  no  change  in  biomass        

 

     

     

  17  

16.  Your  teacher  will  tell  you  the  results  of  the  experiment.    Enter  the  observed  results  in  this  table.    If  any  of  the  observed  results  differ  from  your  predictions  in  question  15,  explain  the  biological  reasons  for  the  observed  results.      

Condition  for  each  batch  of  seeds  

1.  Light,  no  water                    (seeds  did  not  sprout)  

2.  Light,  water                      (seeds  sprouted  to                            produce  plants)  

3.  Water,  no  light                              (seeds  sprouted  to                                    produce  plants)  

Observed  biomass  at  10  days  (grams)  

     

Did  this  result  match  your  prediction?  

___  yes            ___  no   ___  yes            ___  no   ___  yes            ___  no  

 If  any  result  did  not  match  your  prediction,  explain  a  possible  reason  for  the  observed  result.        

     

 A  paradox  is  observed  when  you  compare  the  results  observed  for  the  seeds  in  light,  but  no  water  vs.  the  plants  that  developed  with  water,  but  no  light.      

               

 

                                                           Comparison  of  Results  for:  Seeds  in  light,  no  water   vs.   Plants  in  no  light,  water  

More  biomass     More  volume  and  more  total  weight    

17.  What  explanation  can  account  for  this  paradox?  In  other  words,  explain  why:  • the  seeds  in  light,  with  no  water  had  more  biomass  than  the  plants  that  developed  with  water,  but  no  

light,    • but  the  plants  had  more  volume  and  more  total  weight  than  the  seeds.