세포폐기물제품

Cellular waste product

세포 폐기물은 ATP의 형태로 세포의 에너지를 생성하는 일련의 과정과 반응인 세포호흡의 부산물로 형성된다. 세포호흡이 세포폐물을 만들어 내는 한 예는 유산소호흡과 혐기호흡이다.

각각의 통로는 서로 다른 폐기물을 생산한다.

산소 호흡

주요 기사: 에어로빅 호흡

산소가 있을 때, 세포들은 포도당 분자로부터 에너지를 얻기 위해 유산소 호흡을 사용한다.[1][2]

단순화된 이론 반응: CHO6126 (aq) + 6O2 (g) → 6CO2 (g) + 6HO2 (l) + ~ 30ATP

유산소호흡을 하는 세포는 잉여 산소가 있는 포도당 각 분자로부터 이산화탄소 6개 분자, 물 6개 분자, 에너지 생산에 직접 사용되는 ATP(아데노신 3인산염) 최대 30개 분자를 생성한다.

유산소 호흡에서 산소는 전자 운반 체인의 전자를 받는 역할을 한다. 산소가 강한 산화제이기 때문에 유산소 호흡은 매우 효율적이다. 유산소 호흡은 일련의 단계로 진행되는데, 이것은 또한 효율을 높인다 - 포도당이 점차 분해되고 필요에 따라 ATP가 생성되기 때문에, 열로 낭비되는 에너지가 줄어들기 때문이다. 이 전략은 폐품 HO와2 CO가2 호흡의 다른 단계에서 서로 다른 양으로 형성되는 결과를 초래한다. CO는2 피루베이트 데카르복시화에서 형성되고, HO는2 산화인산화에서 형성되며, 둘 다 구연산 사이클에서 형성된다.[3] 최종 산물의 단순한 성질은 또한 이 호흡법의 효율을 나타낸다. 포도당의 탄소-탄소 결합에 저장된 모든 에너지가 방출되어 CO와2 HO를2 남긴다. 비록 이러한 분자의 결합에 에너지가 저장되어 있지만, 이 에너지는 세포에 의해 쉽게 접근할 수 없다. 모든 사용 가능한 에너지를 효율적으로 추출한다.

혐기성 호흡

주요 기사: 혐기성 호흡

혐기성 호흡은 유산소 호흡을 할 수 있는 세포 내에 충분한 산소가 없을 때 유산소 생물이 하는 것은 물론 산소가 있는 곳에서도 혐기성 호흡을 선택적으로 수행하는 혐기성 호흡이라는 세포가 하는 것이다. 혐기성 호흡에서는 황산염이나 질산염과 같은 약한 산화제가 산소 대신 산화제로 작용한다.[4]

일반적으로 혐기성 호흡당은 이산화탄소와 세포가 사용하는 산화제에 의해 지시되는 다른 폐기물로 분해된다. 유산소 호흡에서는 산화제가 항상 산소인 반면 혐기성 호흡에서는 산소가 다양하다. 각각의 산화제는 질산염, 굴복, 황화, 메탄, 아세테이트와 같은 다른 폐기물을 생산한다. 혐기성 호흡은 그에 상응하여 유산소 호흡보다 효율성이 떨어진다. 산소가 없으면 포도당의 탄소-탄소 결합이 모두 깨져 에너지를 방출할 수 있는 것은 아니다. 많은 양의 추출 가능한 에너지가 폐품에 남아 있다. 혐기성 호흡은 일반적으로 산소를 포함하지 않는 환경에서 원핵생물에서 발생한다.

발효

주요 기사: 발효(생물화학)

발효는 세포가 포도당으로부터 에너지를 추출할 수 있는 또 다른 과정이다. 이것은 세포호흡의 형태는 아니지만, ATP를 생성하고, 포도당을 분해하고, 폐기물을 생산한다. 발효는 유산소 호흡과 마찬가지로 포도당을 두 개의 화농 분자로 분해하는 것으로 시작한다. 여기서부터 내생성 유기전자 수용체를 사용하여 진행되는데 반해 세포호흡은 유산소호흡에 산소를, 혐기성 호흡에 질산염과 같은 외생성 수용체를 사용한다. 이러한 다양한 유기 수용체들은 각각 다른 폐기물을 생성한다. 일반적인 생산물은 젖산, 유당, 수소, 에탄올이다. 이산화탄소 또한 일반적으로 생산된다.[5] 발효는 주로 혐기성 조건에서 발생하는데, 효모와 같은 유기체는 산소가 풍부할 때에도 발효를 사용한다.

젖산 발효

주요기사 : 젖산 발효

단순화된 이론적 반응: CHO6126 } 2CHO363 + 2 ATP(120kJ)[6] 젖산 발효는 일반적으로 포유류 근육세포가 혐기성 환경에서 에너지를 생성하는 과정으로 알려져 있으며, 물리적으로 큰 힘을 발휘하는 경우처럼 가장 단순한 형태의 발효다. 에어로빅 호흡과 같은 경로를 따라 시작하지만 일단 포도당이 화농성으로 전환되면 두 경로 중 하나를 따라 내려가 포도당의 각 분자로부터 ATP의 두 분자만 생성된다. 균질 경로에서는 젖산을 노폐물로 생산한다. 이질적 경로에서는 에탄올과 이산화탄소는 물론 젖산을 생산한다.[7] 젖산 발효는 비교적 비효율적이다. 폐제품인 젖산과 에탄올은 완전히 산화되지 않고 여전히 에너지를 포함하고 있지만, 이 에너지를 추출하기 위해서는 산소를 첨가해야 한다.[8]

일반적으로 유산소 세포에 산소가 부족할 때만 젖산 발효가 일어난다. 그러나 일부 유산소 포유류 세포는 유산소 호흡보다 젖산 발효를 우선적으로 사용할 것이다. 이 현상을 워버그 효과라고 하며 주로 암세포에서 발견된다.[9] 큰 힘을 발휘하는 근육 세포들은 유산소 호흡을 보충하기 위해 젖산 발효를 사용할 것이다. 유산균 발효는 유산소 호흡보다 효율은 떨어지지만 다소 빨라 단거리 달리기와 같은 활동에서는 근육에 필요한 에너지를 빠르게 공급하는데 도움이 될 수 있다.[10]

폐기물의 분비와 효과

세포호흡은 세포 내 미토콘드리아의 크리스타에서 일어난다. 이어지는 경로에 따라 제품이 다른 방식으로 처리된다.

CO는2 혈액 흐름으로의 확산을 통해 세포에서 배출되며, 여기서 CO는 세 가지 방법으로 운반된다.

  • 최대 7%가 혈장에서 분자 형태로 용해된다.
  • 약 70-80%가 탄화수소산 이온으로 변환되고,
  • 나머지는 적혈구의 헤모글로빈과 결합하여 폐로 운반되어 숨을 내쉬게 된다.[11]

HO는2 또한 세포에서 혈류로 확산되는데, 그 곳에서 땀, 호흡 속의 수증기, 신장에서 나오는 소변 등의 형태로 배설된다. 물은 용해된 용액과 함께 신장의 네프론에서 혈액순환에서 제거되어 결국 소변으로 배설된다.[12]

발효의 산물은 세포 상태에 따라 다른 방법으로 처리될 수 있다.

젖산은 근육에 축적되는 경향이 있어 피로뿐만 아니라 근육과 관절에도 통증을 일으킨다.[13] 또한 세포에서 물이 흐르게 유도하고 혈압을 높이는 경사를 만든다.[14] 연구에 따르면 젖산은 또한 혈액 속의 칼륨 수치를 낮추는 역할을 할 수 있다고 한다.[15] 또한 다시 화농산염으로 전환하거나 간에서 포도당으로 전환하여 에어로빅 호흡으로 완전 대사할 수도 있다.[16]

참고 항목

참조

  1. ^ 산소 호흡
  2. ^ 2007년 7월 6일 웨이백 기계에 보관된 에어로빅 호흡
  3. ^ Lodish; Harvey F Lodish; Arnold Berk; Chris Kaiser; Monty Krieger; Anthony Bretscher; Hidde L Ploegh; Angelika Amon; Matthew P Scott (2 May 2012). Molecular Cell Biology (7th ed.). W. H. Freeman and Company. pp. 518–519. ISBN 978-1-4292-3413-9.
  4. ^ Lodish; Harvey F Lodish; Arnold Berk; Chris Kaiser; Monty Krieger; Anthony Bretscher; Hidde L Ploegh; Angelika Amon; Matthew P Scott (2 May 2012). Molecular Cell Biology (7th ed.). W. H. Freeman and Company. pp. 520–523. ISBN 978-1-4292-3413-9.
  5. ^ Voet, Donald & Voet, Judith G. (1995) 생화학 (제2판) 뉴욕, 뉴욕: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-58651-7
  6. ^ 젖산 발효#cite ref-campbell 3-1
  7. ^ Campbell, Neil (2005). Biology, 7th Edition. Benjamin Cummings. ISBN 0-8053-7146-X.
  8. ^ 발효(생물화학)
  9. ^ Warburg, O (1956). "On the origin of cancer cells". Science. 123 (3191): 309–314. Bibcode:1956Sci...123..309W. doi:10.1126/science.123.3191.309. PMID 13298683.
  10. ^ Roth, Stephen. "Why does lactic acid build up in muscles? And why does it cause soreness?". Scientific American.
  11. ^ McKinley, Michael (2012). Human Anatomy (3rd Ed). New York: McGraw Hill. pp. 638–643, 748. ISBN 978-0-07-337809-1.
  12. ^ McKinley, Michael (2012). Human Anatomy (3rd Ed). New York: McGraw Hill. pp. 818–830. ISBN 978-0-07-337809-1.
  13. ^ http://www.sparknotes.com/biology/cellrespiration/glycolysis/section3.rhtml
  14. ^ Covián, Fr. G.; Krogh, A. (1935). "The changes in osmotic pressure and total concentration of the blood in man during and after muscular work". Skandinavisches Archiv für Physiologie. 71: 251–259. doi:10.1111/j.1748-1716.1935.tb00401.x.
  15. ^ Cheema-Dhadli, S; C.-K. Chong; K.S. Kamel; M.L. Halperin (2012). "An Acute Infusion of Lactic Acid Lowers the Concentration of Potassium in Arterial Plasma by Inducing a Shift of Potassium into Cells of the Liver in Fed Rats". Nephron Physiology. 120 (2): 7–15. doi:10.1159/000336321. PMID 22555123. S2CID 7196683. Retrieved 28 November 2012.
  16. ^ 맥아들, W. D., 캐치, F. I., & 캐치, V. L. (2010) 운동 생리학: 에너지, 영양, 그리고 인간의 성과. 월터스 클루워/리핀콧 윌리엄스 & 윌킨스 헬스 ISBN 0-683-05731-6