Клеточные отходы образуются как побочный продукт клеточного дыхания , серии 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 приводит к образованию различных отходов.
В присутствии кислорода клетки используют аэробное дыхание для получения энергии из молекул глюкозы . [1] [2]
Упрощенная теоретическая реакция: C 6 H 12 O 6 (водн.) + 6O 2 (г.) → 6CO 2 (г.) + 6H 2 O (ж.) + ~ 30ATP
Клетки, осуществляющие аэробное дыхание, производят из каждой молекулы глюкозы в присутствии избытка кислорода 6 молекул углекислого газа , 6 молекул воды и до 30 молекул АТФ ( аденозинтрифосфата ), 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 ряд этапов, что также повышает эффективность — поскольку глюкоза расщепляется постепенно, а АТФ вырабатывается по мере необходимости, меньше энергии тратится в виде тепла. Эта стратегия приводит к образованию отходов H 2 O и CO 2 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] Простая природа конечных продуктов также указывает на эффективность этого метода дыхания. Вся энергия, хранящаяся в углерод-углеродных связях глюкозы, высвобождается, оставляя CO 2 и H 2 O. Хотя в связях этих молекул хранится энергия, эта энергия не так легко доступна клетке. Вся полезная энергия эффективно извлекается.
Анаэробное дыхание осуществляется аэробными организмами, когда в клетке недостаточно кислорода для осуществления аэробного дыхания, а также клетками, называемыми анаэробами , которые избирательно осуществляют 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 отходы, которые определяются окислителем, используемым клеткой. В то время как при аэробном дыхании окислителем всегда является кислород, при анаэробном дыхании он меняется. Каждый окислитель производит различные отходы, такие как нитрит, сукцинат, сульфид, метан и ацетат. Анаэробное дыхание, соответственно, менее эффективно, чем аэробное. При отсутствии кислорода не все углерод-углеродные связи в глюкозе могут быть разорваны для высвобождения энергии. Большое количество извлекаемой энергии остается в отходах. Анаэробное дыхание обычно происходит у прокариот в средах, не содержащих кислорода.
Ферментация — это еще один процесс, с помощью которого клетки могут извлекать энергию из глюкозы. Это не форма клеточного дыхания, но она генерирует АТФ, расщепляет глюкозу и производит отходы. Ферментация, как и аэробное дыхание, начинается с расщепления глюкозы на две молекулы пирувата . Отсюда она продолжается с использованием эндогенных органических электронных рецепторов, тогда как клеточное дыхание использует экзогенные рецепторы, такие как кислород при аэробном дыхании и нитрат при анаэробном дыхании. Каждый из этих разнообразных органических рецепторов генерирует различные отходы. Распространенными продуктами являются молочная кислота, лактоза, водород и этанол. Также обычно вырабатывается углекислый газ. [5] Ферментация происходит в основном в анаэробных условиях, хотя некоторые организмы, такие как дрожжи, используют ферментацию даже при обилии кислорода.
Упрощенная теоретическая реакция: C 6 H 12 O 6 2C 3 H 6 O 3 + 2 АТФ (120 кДж) [6] Молочнокислое брожение широко известно как процесс, посредством которого мышечные клетки млекопитающих вырабатывают энергию в анаэробных условиях, например, в случаях больших физических нагрузок, и является простейшим типом брожения. Оно начинается по тому же пути, что и аэробное дыхание, но после того, как глюкоза превращается в пируват, продолжается по одному из двух путей и производит только две молекулы АТФ из каждой молекулы глюкозы. В гомолактическом пути он производит молочную кислоту в качестве отходов. В гетеролактическом пути он производит молочную кислоту, а также этанол и углекислый газ. [7] Молочнокислое брожение относительно неэффективно. Отходы молочная кислота и этанол не были полностью окислены и все еще содержат энергию, но для извлечения этой энергии требуется добавление кислорода. [8]
Как правило, брожение молочной кислоты происходит только тогда, когда аэробным клеткам не хватает кислорода. Однако некоторые аэробные клетки млекопитающих будут предпочтительно использовать брожение молочной кислоты вместо аэробного дыхания. Это явление называется эффектом Варбурга и встречается в основном в раковых клетках. [9] Мышечные клетки при большой нагрузке также будут использовать брожение 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]
Клеточное дыхание происходит в кристах митохондрий внутри клеток. В зависимости от выбранных путей продукты обрабатываются по-разному.
CO2 выводится из клетки путем диффузии в кровоток, где он транспортируется тремя способами :
H 2 O также диффундирует из клетки в кровоток, откуда он выводится в виде пота, водяного пара в дыхании или мочи из почек . Вода, вместе с некоторыми растворенными веществами, удаляется из кровообращения в нефронах почек и в конечном итоге выводится в виде мочи. [12]
Продукты ферментации могут быть переработаны различными способами в зависимости от клеточных условий.
Молочная кислота имеет тенденцию накапливаться в мышцах, что вызывает боль в мышцах и суставах, а также усталость. [13] Она 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] Она также может быть преобразована обратно в пируват или преобразована обратно в глюкозу в печени и полностью метаболизирована аэробным дыханием. [16]
