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 продукты жизнедеятельности клеток, являются аэробное дыхание и анаэробное дыхание .
Каждый путь порождает разные отходы.
Аэробного дыхания
В присутствии кислорода клетки используют аэробное дыхание для получения энергии от молекул глюкозы . [1] [2]
Упрощенная теоретическая реакция: C 6 H 12 O 6 (водн.) + 6O 2 (г) → 6CO 2 (г) + 6H 2 O (л) + ~ 30 ат.
Клетки, подвергающиеся аэробному дыханию, производят 6 молекул углекислого газа , 6 молекул воды и до 30 молекул АТФ ( аденозинтрифосфата ), который непосредственно используется для производства энергии, из каждой молекулы глюкозы в присутствии избытка кислорода.
При аэробном дыхании кислород служит приемником электронов из цепи переноса электронов . Таким образом, аэробное дыхание очень эффективно, поскольку кислород является сильным окислителем . 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 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 хранится энергия, клетка не может легко получить доступ к этой энергии. 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, служат окислителями вместо кислорода. [4]
Как правило, 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
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 молекулы пирувата . Отсюда оно происходит с использованием эндогенных рецепторов органических электронов, тогда как клеточное дыхание использует экзогенные рецепторы, такие как кислород при аэробном дыхании и нитраты при анаэробном дыхании. Каждый из этих разнообразных органических рецепторов производит разные отходы. Обычные продукты - это молочная кислота, лактоза, водород и этанол. Также обычно производится углекислый газ. [5] Ферментация происходит в основном в анаэробных условиях, хотя некоторые организмы, такие как дрожжи, используют ферментацию даже при избытке кислорода.
Молочная ферментация
Упрощенная теоретическая реакция: C 6 H 12 O 6 2C 3 H 6 O 3 + 2 ATP (120 кДж) [6] Молочная ферментация широко известна как процесс, с помощью которого мышечные клетки млекопитающих производят энергию в анаэробной среде, например, при больших физических нагрузках, и является простейшим типом ферментация. Он начинается по тому же пути, что и аэробное дыхание, но после того, как 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 молочную кислоту в виде отходов. В гетеролактическом пути он производит молочную кислоту, а также этанол и диоксид углерода. [7] Молочнокислое брожение относительно неэффективно. Молочная кислота и этанол не окислены полностью 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 эффектом Варбурга и обнаруживается в основном в раковых клетках. [9] Клетки мышц при больших нагрузках также будут использовать ферментацию молочной кислоты для дополнения аэробного дыхания. 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 крист из митохондрий в клетках. В зависимости от пройденного пути, с продуктами обращаются по-разному.
CO 2 выводится из клетки путем диффузии в кровоток, где он транспортируется тремя способами:
- До 7% растворяется в молекулярной форме в плазме крови.
- Около 70-80% превращается в гидрокарбонат-ионы,
- Остальная часть связывается с гемоглобином в красных кровяных тельцах, переносится в легкие и выдыхается. [11]
H 2 O также диффундирует из клетки в кровоток, откуда выводится в виде потоотделения, водяного пара при дыхании или мочи из почек . Вода вместе с некоторыми 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 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 калия в крови. [15] Он также может быть преобразован обратно в пируват или обратно в глюкозу в печени и полностью метаболизируется путем аэробного дыхания. [16]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Аэробное дыхание
- ^ Аэробная Дыхательная архивация 6 июля 2007, в Wayback Machine
- ^ 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.). WH Freeman and Company. С. 518–519. ISBN 978-1-4292-3413-9.
- ^ 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.). WH Freeman and Company. С. 520–523. ISBN 978-1-4292-3413-9.
- ^ Voet, Дональд и Voet, Джудит Г. (1995). Биохимия (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley & Sons. 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-X.
- ^ Ферментация (биохимия)
- ^ Варбург, О (1956). «О происхождении раковых клеток». Наука . 123 (3191): 309–314. Bibcode : 1956Sci ... 123..309W . DOI : 10.1126 / science.123.3191.309 . PMID 13298683 .
- ^ Рот, Стивен. «Почему в мышцах накапливается молочная кислота? И почему она вызывает болезненность?» . Scientific American.
- ^ МакКинли, Майкл (2012). Анатомия человека (3-е изд.) . Нью-Йорк: Макгроу Хилл. С. 638–643, 748. ISBN 978-0-07-337809-1.
- ^ МакКинли, Майкл (2012). Анатомия человека (3-е изд.) . Нью-Йорк: Макгроу Хилл. С. 818–830. ISBN 978-0-07-337809-1.
- ^ http://www.sparknotes.com/biology/cellrespiration/glycolysis/section3.rhtml
- ^ 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. DOI : 10.1111 / j.1748-1716.1935.tb00401.x .
- ^ Cheema-Dhadli, S; К.-К. Чонг; К.С. Камель; М.Л. Гальперин (2012). «Острая инфузия молочной кислоты снижает концентрацию калия в артериальной плазме, вызывая перенос калия в клетки печени у откормленных крыс» . Физиология нефрона . 120 (2): 7–15. DOI : 10.1159 / 000336321 . Проверено 28 ноября 2012 года .
- ^ McArdle, WD, Katch, FI, и Katch, VL (2010). Физиология упражнений: энергия, питание и работоспособность человека. Wolters Kluwer / Lippincott Williams & Wilkins Health. ISBN 0-683-05731-6