Продукт клеточных отходов

Клеточные отходы образуются как побочный продукт клеточного дыхания , ряда процессов и реакций, которые генерируют энергию для клетки, в форме АТФ . Одним из примеров клеточного дыхания, создающего клеточные отходы, является аэробное дыхание и анаэробное дыхание .

Каждый путь генерирует разные отходы.

Аэробное дыхание

В присутствии кислорода клетки используют аэробное дыхание для получения энергии из молекул глюкозы . ^[1]^[2]

Упрощенная теоретическая реакция: C ₆ H ₁₂ O _{6 (вод)} + 6O _{2 (г)} → 6CO _{2 (г)} + 6H ₂ O _(ж) + ~30АТФ

производят 6 молекул углекислого газа , 6 молекул воды и до 30 молекул АТФ ( аденозинтрифосфата Клетки, подвергающиеся аэробному дыханию , из каждой молекулы глюкозы в присутствии избытка кислорода ), который непосредственно используется для производства энергии.

При аэробном дыхании кислород служит получателем электронов из цепи переноса электронов . Таким образом, аэробное дыхание очень эффективно, поскольку кислород является сильным окислителем . Аэробное дыхание протекает в несколько этапов, что также повышает эффективность — поскольку глюкоза расщепляется постепенно, а АТФ вырабатывается по мере необходимости, в виде тепла тратится меньше энергии. Эта стратегия приводит к тому, что продукты жизнедеятельности H ₂ O и CO ₂ образуются в разных количествах на разных фазах дыхания. CO ₂ образуется при декарбоксилировании пирувата , H ₂ O образуется при окислительном фосфорилировании , и оба образуются в цикле лимонной кислоты . ^[3] Простота конечных продуктов также указывает на эффективность этого метода дыхания. Вся энергия, запасенная в углерод-углеродных связях глюкозы, высвобождается, оставляя CO ₂ и H ₂ O. Хотя в связях этих молекул есть энергия, эта энергия нелегко доступна клетке. Вся полезная энергия эффективно извлекается.

Анаэробное дыхание

Анаэробное дыхание осуществляется аэробными организмами, когда в клетке недостаточно кислорода для аэробного дыхания, а также клетками, называемыми анаэробами , которые избирательно выполняют анаэробное дыхание даже в присутствии кислорода. При анаэробном дыхании слабые окислители, такие как сульфат и нитрат . вместо кислорода служат ^[4]

Как правило, при анаэробном дыхании сахара расщепляются на углекислый газ и другие отходы, что определяется окислителем, который использует клетка. Если при аэробном дыхании окислителем всегда является кислород, то при анаэробном дыхании он варьируется. Каждый окислитель производит разные отходы, такие как нитрит, сукцинат, сульфид, метан и ацетат. Анаэробное дыхание соответственно менее эффективно, чем аэробное. В отсутствие кислорода не все связи углерод-углерод в глюкозе могут быть разорваны с высвобождением энергии. В отходах остается большое количество извлекаемой энергии. Анаэробное дыхание обычно происходит у прокариот в средах, не содержащих кислорода.

Ферментация

Ферментация — это еще один процесс, с помощью которого клетки могут извлекать энергию из глюкозы. Это не форма клеточного дыхания, но он генерирует АТФ, расщепляет глюкозу и производит отходы. Ферментация, как и аэробное дыхание, начинается с расщепления глюкозы на две молекулы пирувата . Отсюда оно протекает с помощью эндогенных органических электронных рецепторов, тогда как клеточное дыхание использует экзогенные рецепторы, например кислорода при аэробном дыхании и нитрата при анаэробном дыхании. Каждый из этих разнообразных органических рецепторов производит разные отходы. Обычными продуктами являются молочная кислота, лактоза, водород и этанол. Углекислый газ также часто производится. ^[5]Ферментация происходит в основном в анаэробных условиях, хотя некоторые организмы, такие как дрожжи, используют ферментацию даже при избытке кислорода.

Молочнокислое брожение

Упрощенная теоретическая реакция: C ₆ H ₁₂ O ₆ $\to$ 2C ₃ H ₆ O ₃ + 2 АТФ (120 кДж) ^[6] Молочнокислое брожение широко известно как процесс, посредством которого мышечные клетки млекопитающих производят энергию в анаэробной среде, например, в случаях больших физических нагрузок, и является простейшим типом ферментации. Оно начинается по тому же пути, что и аэробное дыхание, но как только глюкоза превращается в пируват, происходит по одному из двух путей и образуется только две молекулы АТФ из каждой молекулы глюкозы. В гомолактическом пути в качестве отходов образуется молочная кислота . В гетеролактическом пути он производит молочную кислоту, а также этанол и углекислый газ. ^[7] Молочнокислое брожение относительно неэффективно. Отходы молочной кислоты и этанола не полностью окислены и все еще содержат энергию, но для извлечения этой энергии требуется добавление кислорода. ^[8]

Обычно молочнокислое брожение происходит только тогда, когда аэробным клеткам не хватает кислорода. Однако некоторые аэробные клетки млекопитающих предпочитают использовать ферментацию молочной кислоты вместо аэробного дыхания. Это явление называется эффектом Варбурга и встречается преимущественно в раковых клетках. ^[9] Мышечные клетки при больших нагрузках также будут использовать ферментацию молочной кислоты в качестве дополнения к аэробному дыханию. Брожение молочной кислоты происходит несколько быстрее, хотя и менее эффективно, чем аэробное дыхание, поэтому при таких видах деятельности, как спринт, оно может помочь быстро обеспечить мышцы необходимой энергией. ^[10]

Секреция и воздействие продуктов жизнедеятельности

Клеточное дыхание происходит в кристах митохондрий внутри клеток. В зависимости от пути следования продукты обрабатываются по-разному.

CO ₂ выводится из клетки путем диффузии в кровоток, где транспортируется тремя путями:

До 7% растворяется в молекулярной форме в плазме крови.
Около 70-80% превращается в гидрокарбонат-ионы,
Остальная часть связывается с гемоглобином в эритроцитах, переносится в легкие и выдыхается. ^[11]

H ₂ выводится в виде пота, водяных паров при дыхании или мочи почками O также диффундирует из клетки в кровь, откуда . Вода вместе с некоторыми растворенными растворенными веществами удаляется из кровообращения в нефронах почек и в конечном итоге выводится с мочой. ^[12]

Продукты брожения можно перерабатывать по-разному, в зависимости от клеточных условий.

Молочная кислота имеет тенденцию накапливаться в мышцах, что вызывает боль в мышцах и суставах, а также усталость. ^[13] Он также создает градиент, который заставляет воду вытекать из клеток и повышает кровяное давление. ^[14] Исследования показывают, что молочная кислота также может играть роль в снижении уровня калия в крови. ^[15] Он также может превращаться обратно в пируват или обратно в глюкозу в печени и полностью метаболизироваться посредством аэробного дыхания. ^[16]

См. также

Ссылки

^ Аэробное дыхание
↑ Аэробное дыхание. Архивировано 6 июля 2007 г., в Wayback Machine.
^ Лодиш; Харви Ф. Лодиш; Арнольд Берк; Крис Кайзер; Монти Кригер; Энтони Бретшер; Хидде Л Плуг; Анжелика Амон; Мэтью П. Скотт (2 мая 2012 г.). Молекулярно-клеточная биология (7-е изд.). WH Фриман и компания. стр. 518–519. ISBN 978-1-4292-3413-9 .
^ Лодиш; Харви Ф. Лодиш; Арнольд Берк; Крис Кайзер; Монти Кригер; Энтони Бретшер; Хидде Л Плуг; Анжелика Амон; Мэтью П. Скотт (2 мая 2012 г.). Молекулярно-клеточная биология (7-е изд.). WH Фриман и компания. стр. 520–523. ISBN 978-1-4292-3413-9 .
^ Воэт, Дональд и Воэт, Джудит Г. (1995). Биохимия (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-58651-7 .
^ Молочнокислое брожение # cite ref-campbell 3-1
^ Кэмпбелл, Нил (2005). Биология, 7-е издание . Бенджамин Каммингс. ISBN 0-8053-7146-Х .
^ Ферментация (биохимия)
^ Варбург, О (1956). «О происхождении раковых клеток». Наука . 123 (3191): 309–314. Бибкод : 1956Sci...123..309W . дои : 10.1126/science.123.3191.309 . ПМИД 13298683 .
^ Рот, Стивен. «Почему молочная кислота накапливается в мышцах? И почему она вызывает болезненность?» . Научный американец.
^ МакКинли, Майкл (2012). Анатомия человека (3-е изд.) . Нью-Йорк: МакГроу Хилл. стр. 638–643, 748. ISBN. 978-0-07-337809-1 .
^ МакКинли, Майкл (2012). Анатомия человека (3-е изд.) . Нью-Йорк: МакГроу Хилл. стр. 818–830. ISBN 978-0-07-337809-1 .
^ «Гликолиз: анаэробное дыхание: гомолактическая ферментация» .
^ Ковиан, о. Г.; Крог, А. (1935). «Изменение осмотического давления и общей концентрации крови у человека во время и после мышечной работы». Скандинавский архив физиологии . 71 : 251–259. дои : 10.1111/j.1748-1716.1935.tb00401.x .
^ Чима-Дхадли, С; С.-К. Чонг; К.С. Камель; М.Л. Гальперин (2012). «Острая инфузия молочной кислоты снижает концентрацию калия в артериальной плазме, вызывая сдвиг калия в клетки печени у накормленных крыс» . Физиология нефронов . 120 (2): 7–15. дои : 10.1159/000336321 . ПМИД 22555123 . S2CID 7196683 . Проверено 28 ноября 2012 г.
^ Макардл, В.Д., Кэтч, Ф.И., и Кэтч, В.Л. (2010). Физиология упражнений: энергия, питание и работоспособность человека. Уолтерс Клювер/Липпинкотт Уильямс и Уилкинс Хелс. ISBN 0-683-05731-6

[1] Аэробное дыхание

[2] Аэробное дыхание. Архивировано 6 июля 2007 г., в Wayback Machine.

[3] Лодиш; Харви Ф. Лодиш; Арнольд Берк; Крис Кайзер; Монти Кригер; Энтони Бретшер; Хидде Л Плуг; Анжелика Амон; Мэтью П. Скотт (2 мая 2012 г.). Молекулярно-клеточная биология (7-е изд.). WH Фриман и компания. стр. 518–519. ISBN 978-1-4292-3413-9 .

[4] Лодиш; Харви Ф. Лодиш; Арнольд Берк; Крис Кайзер; Монти Кригер; Энтони Бретшер; Хидде Л Плуг; Анжелика Амон; Мэтью П. Скотт (2 мая 2012 г.). Молекулярно-клеточная биология (7-е изд.). WH Фриман и компания. стр. 520–523. ISBN 978-1-4292-3413-9 .

[5] Воэт, Дональд и Воэт, Джудит Г. (1995). Биохимия (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-58651-7 .

[6] Молочнокислое брожение # cite ref-campbell 3-1

[7] Кэмпбелл, Нил (2005). Биология, 7-е издание . Бенджамин Каммингс. ISBN 0-8053-7146-Х .

[8] Ферментация (биохимия)

[9] Варбург, О (1956). «О происхождении раковых клеток». Наука . 123 (3191): 309–314. Бибкод : 1956Sci...123..309W . дои : 10.1126/science.123.3191.309 . ПМИД 13298683 .

[10] Рот, Стивен. «Почему молочная кислота накапливается в мышцах? И почему она вызывает болезненность?» . Научный американец.

[11] МакКинли, Майкл (2012). Анатомия человека (3-е изд.) . Нью-Йорк: МакГроу Хилл. стр. 638–643, 748. ISBN. 978-0-07-337809-1 .

[12] МакКинли, Майкл (2012). Анатомия человека (3-е изд.) . Нью-Йорк: МакГроу Хилл. стр. 818–830. ISBN 978-0-07-337809-1 .

[13] «Гликолиз: анаэробное дыхание: гомолактическая ферментация» .

[14] Ковиан, о. Г.; Крог, А. (1935). «Изменение осмотического давления и общей концентрации крови у человека во время и после мышечной работы». Скандинавский архив физиологии . 71 : 251–259. дои : 10.1111/j.1748-1716.1935.tb00401.x .

[15] Чима-Дхадли, С; С.-К. Чонг; К.С. Камель; М.Л. Гальперин (2012). «Острая инфузия молочной кислоты снижает концентрацию калия в артериальной плазме, вызывая сдвиг калия в клетки печени у накормленных крыс» . Физиология нефронов . 120 (2): 7–15. дои : 10.1159/000336321 . ПМИД 22555123 . S2CID 7196683 . Проверено 28 ноября 2012 г.

[16] Макардл, В.Д., Кэтч, Ф.И., и Кэтч, В.Л. (2010). Физиология упражнений: энергия, питание и работоспособность человека. Уолтерс Клювер/Липпинкотт Уильямс и Уилкинс Хелс. ISBN 0-683-05731-6

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]