Клеточные отходы - Википедия - Cellular waste product

Клеточные отходы образуются как побочный продукт клеточное дыхание, серия процессов и реакций, которые генерируют энергию для клетки, в виде АТФ. Одним из примеров клеточного дыхания, создающего клеточные отходы, являются: аэробного дыхания и анаэробное дыхание.

Каждый путь порождает разные отходы.

Аэробного дыхания

Основная статья: Аэробного дыхания

В присутствии кислорода клетки используют аэробное дыхание для получения энергии из глюкоза молекулы.[1][2]

Упрощенная теоретическая реакция: C6ЧАС12О6 (водн.) + 6O2 (г) → 6CO2 (г) + 6H2О (l) + ~ 30АТП

Клетки, подвергающиеся аэробному дыханию, производят 6 молекул углекислый газ, 6 молекул воды, и до 30 молекул АТФ (аденозинтрифосфат ), которая непосредственно используется для производства энергии из каждой молекулы глюкозы в присутствии избытка кислорода.

При аэробном дыхании кислород служит приемником электронов от электронная транспортная цепь. Таким образом, аэробное дыхание очень эффективно, потому что кислород является сильным окислитель. Аэробное дыхание проходит в несколько этапов, что также увеличивает эффективность - поскольку глюкоза расщепляется постепенно и АТФ вырабатывается по мере необходимости, меньше энергии расходуется в виде тепла. Эта стратегия приводит к отходам H2O и CO2 образуется в разных количествах на разных фазах дыхания. CO2 формируется в Пируват декарбоксилирования, H2O образуется в окислительного фосфорилирования, и оба образуются в цикл лимонной кислоты.[3] Простота конечных продуктов также свидетельствует об эффективности этого метода дыхания. Вся энергия, хранящаяся в углерод-углеродных связях глюкозы, высвобождается, оставляя CO2 и H2О. Несмотря на то, что в связях этих молекул хранится энергия, клетке нелегко получить доступ к этой энергии. Вся полезная энергия эффективно извлекается.

Анаэробное дыхание

Основная статья: Анаэробное дыхание

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

Обычно при анаэробном дыхании сахара расщепляются на углекислый газ и другие продукты жизнедеятельности, которые определяются окислителем, который использует клетка. В то время как при аэробном дыхании окислителем всегда является кислород, при анаэробном дыхании он варьируется. Каждый окислитель производит разные отходы, такие как нитрит, сукцинат, сульфид, метан и ацетат. Соответственно, анаэробное дыхание менее эффективно, чем аэробное. В отсутствие кислорода не все углерод-углеродные связи в глюкозе могут быть разорваны с высвобождением энергии. В отходах остается много извлекаемой энергии. Анаэробное дыхание обычно происходит у прокариот в среде, не содержащей кислорода.

Ферментация

Основная статья: Ферментация (биохимия)

Ферментация - это еще один процесс, с помощью которого клетки могут извлекать энергию из глюкозы. Это не форма клеточного дыхания, но она производит АТФ, расщепляет глюкозу и производит отходы. Ферментация, как и аэробное дыхание, начинается с расщепления глюкозы на две части. пируват молекулы. Отсюда он продолжает использовать эндогенный органических электронных рецепторов, тогда как клеточное дыхание использует экзогенный рецепторы, такие как кислород при аэробном дыхании и нитраты при анаэробном дыхании. Каждый из этих разнообразных органических рецепторов производит разные отходы. Обычные продукты - молочная кислота, лактоза, водород и этанол. Также обычно производится двуокись углерода.[5]Ферментация происходит в основном в анаэробных условиях, хотя некоторые организмы, такие как дрожжи, используют ферментацию даже при избытке кислорода.

Молочная ферментация

Основная статья: Молочнокислое брожение

Упрощенная теоретическая реакция: C6ЧАС12О6 2C3ЧАС6О3 + 2 АТФ (120 кДж)[6] Молочная ферментация широко известна как процесс, с помощью которого мышечные клетки млекопитающих вырабатывают энергию в анаэробной среде, например, при больших физических нагрузках, и является самым простым типом ферментации. Он начинается по тому же пути, что и аэробное дыхание, но как только глюкоза превращается в пируват проходит по одному из двух путей и производит только две молекулы АТФ из каждой молекулы глюкозы. В гомолактическом пути он производит молочная кислота как отходы. В гетеролактическом пути он производит молочную кислоту, а также этиловый спирт и диоксид углерода.[7] Молочно-кислотное брожение относительно неэффективно. Молочная кислота и этанол 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 предпочтительнее используют ферментацию молочной кислоты, а не аэробное дыхание. Это явление называется Эффект варбурга и обнаруживается в основном в раковых клетках.[9] Клетки мышц при больших нагрузках также будут использовать ферментацию молочной кислоты, чтобы дополнить аэробное дыхание. Брожение молочной кислоты происходит несколько быстрее, хотя и менее эффективно, чем аэробное дыхание, поэтому в таких видах деятельности, как спринт, оно может помочь быстро обеспечить мышцы необходимой энергией.[10]

Секреция и последствия отходов жизнедеятельности

Клеточное дыхание происходит в кристы из митохондрии внутри клеток. В зависимости от пройденного пути, с продуктами обращаются по-разному.

CO2 выводится из клетки через распространение в кровоток, где он транспортируется тремя способами:

  • До 7% растворяется в молекулярной форме в плазме крови.
  • Около 70-80% превращается в гидрокарбонат-ионы,
  • Остальное связывается с гемоглобин в красных кровяных тельцах, переносится в легкие и выдыхается.[11]

ЧАС2O также диффундирует из клетки в кровоток, откуда он выводится в виде потоотделения, водяного пара при дыхании или моча от почки. Вода вместе с некоторыми растворенными веществами удаляется из кровообращения в нефроны из почек и в конечном итоге выводится с мочой.[12]

Продукты брожения можно обрабатывать по-разному, в зависимости от условий клетки.

Молочная кислота имеет тенденцию накапливаться в мышцах, что вызывает боль в мышцах и суставах, а также вызывает 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 калий в крови.[15] Он также может быть преобразован обратно в пируват или обратно в глюкозу в печени и полностью метаболизирован путем аэробного дыхания.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Аэробного дыхания
  2. ^ Аэробного дыхания В архиве 6 июля 2007 г. Wayback Machine
  3. ^ Лодиш; Харви Ф. Лодиш; Арнольд Берк; Крис Кайзер; Монти Кригер; Энтони Бретчер; Хидде Л. Плоег; Анжелика Амон; Мэтью П. Скотт. Молекулярная клеточная биология (7-е изд.). В. Х. Фриман и компания. С. 518–519. ISBN  978-1-4292-3413-9.
  4. ^ Лодиш; Харви Ф. Лодиш; Арнольд Берк; Крис Кайзер; Монти Кригер; Энтони Бретчер; Хидде Л. Плоег; Анжелика Амон; Мэтью П. Скотт. Молекулярная клеточная биология (7-е изд.). В. Х. Фриман и компания. С. 520–523. ISBN  978-1-4292-3413-9.
  5. ^ Воет, Дональд и Воет, Джудит Г. (1995). Биохимия (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-471-58651-7.
  6. ^ Молочная ферментация # cite ref-campbell 3-1
  7. ^ Кэмпбелл, Нил (2005). Биология, 7-е издание. Бенджамин Каммингс. ISBN  0-8053-7146-X.
  8. ^ Ферментация (биохимия)
  9. ^ Варбург, О (1956). «О происхождении раковых клеток». Наука. 123 (3191): 309–314. Bibcode:1956Научный ... 123..309Вт. Дои:10.1126 / science.123.3191.309. PMID  13298683.
  10. ^ Рот, Стивен. «Почему в мышцах накапливается молочная кислота? И почему она вызывает болезненность?». Scientific American.
  11. ^ МакКинли, Майкл (2012). Анатомия человека (3-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу Хилл. С. 638–643, 748. ISBN  978-0-07-337809-1.
  12. ^ МакКинли, Майкл (2012). Анатомия человека (3-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу Хилл. С. 818–830. ISBN  978-0-07-337809-1.
  13. ^ http://www.sparknotes.com/biology/cellrespiration/glycolysis/section3.rhtml
  14. ^ Ковиан, о. ГРАММ.; Крог, А. (1935). «Изменение осмотического давления и общей концентрации крови у человека во время и после мышечной работы». Skandinavisches Archiv für Physiologie. 71: 251–259. Дои:10.1111 / j.1748-1716.1935.tb00401.x.
  15. ^ Cheema-Dhadli, S; К.-К. Чонг; К.С. Камель; М.Л. Гальперин (2012). «Острая инфузия молочной кислоты снижает концентрацию калия в артериальной плазме, вызывая перемещение калия в клетки печени у откормленных крыс». Физиология нефрона. 120 (2): 7–15. Дои:10.1159/000336321. Получено 28 ноября 2012.
  16. ^ МакАрдл, В. Д., Катч, Ф. И., и Катч, В. Л. (2010). Физиология упражнений: энергия, питание и работоспособность человека. Wolters Kluwer / Lippincott Williams & Wilkins Health. ISBN  0-683-05731-6