منتج النفايات الخلوية

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

تتكون الفضلات الخلوية كناتج ثانوي لعملية التنفس الخلوي ، وهي سلسلة من العمليات والتفاعلات التي تولد الطاقة للخلية على شكل جزيئات ATP . ومن أمثلة التنفس الخلوي الذي ينتج عنه فضلات خلوية: التنفس الهوائي والتنفس اللاهوائي .

ينتج عن كل مسار منتجات نفايات مختلفة.

التنفس الهوائي

في وجود الأكسجين، تستخدم الخلايا التنفس الهوائي للحصول على الطاقة من جزيئات الجلوكوز . [ 1 ] [ 2 ]

التفاعل النظري المبسط: C₆H₁₂O₆ ( aq ) + 6O₂ ( g) → 6CO₂ (g) + 6H₂O ( l ) + ~ 30ATP

تنتج الخلايا التي تخضع للتنفس الهوائي 6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون ، و6 جزيئات من الماء ، وما يصل إلى 30 جزيئًا من ATP ( أدينوسين ثلاثي الفوسفات )، والذي يستخدم مباشرة لإنتاج الطاقة، من كل جزيء من الجلوكوز في وجود فائض من الأكسجين.

في التنفس الهوائي، يعمل الأكسجين كمستقبل للإلكترونات من سلسلة نقل الإلكترون . ولذلك، يُعدّ التنفس الهوائي عالي الكفاءة لأن الأكسجين عامل مؤكسد قوي . يتم التنفس الهوائي عبر سلسلة من الخطوات، مما يزيد من كفاءته، حيث يتم تكسير الجلوكوز تدريجيًا وإنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) حسب الحاجة، مما يقلل من الطاقة المهدرة على شكل حرارة. ينتج عن هذه الاستراتيجية تكوّن نواتج ثانوية، هي الماء (H₂O) وثاني أكسيد الكربون (CO₂ ) ، بكميات متفاوتة في مراحل التنفس المختلفة. يتكوّن ثاني أكسيد الكربون في عملية نزع الكربوكسيل من البيروفات ، بينما يتكوّن الماء في عملية الفسفرة التأكسدية ، وكلاهما يتكوّن في دورة حمض الستريك . [ 3 ] كما تشير بساطة النواتج النهائية إلى كفاءة هذه الطريقة في التنفس. تُطلق جميع الطاقة المخزنة في روابط الكربون-كربون في الجلوكوز، تاركةً ثاني أكسيد الكربون والماء . وعلى الرغم من وجود طاقة مخزنة في روابط هذه الجزيئات، إلا أن هذه الطاقة لا يمكن للخلية الوصول إليها بسهولة. يتم استخلاص جميع الطاقة القابلة للاستخدام بكفاءة عالية.

التنفس اللاهوائي

تُجري الكائنات الهوائية التنفس اللاهوائي عندما لا يتوفر الأكسجين الكافي في الخلية لإجراء التنفس الهوائي ، وكذلك الخلايا اللاهوائية التي تُجري التنفس اللاهوائي بشكل انتقائي حتى في وجود الأكسجين. في التنفس اللاهوائي، تعمل مؤكسدات ضعيفة مثل الكبريتات والنترات كبديل للأكسجين. [ 4 ]

في التنفس اللاهوائي، تُحلل السكريات عمومًا إلى ثاني أكسيد الكربون ونواتج ثانوية أخرى، وتختلف هذه النواتج باختلاف المؤكسد المستخدم في الخلية. فبينما يكون الأكسجين هو المؤكسد دائمًا في التنفس الهوائي، يتغير هذا المؤكسد في التنفس اللاهوائي. وينتج عن كل مؤكسد ناتج ثانوي مختلف، مثل النتريت، والساكسينات، والكبريتيد، والميثان، والأسيتات. ونتيجةً لذلك، يكون التنفس اللاهوائي أقل كفاءة من التنفس الهوائي. ففي غياب الأكسجين، لا يمكن كسر جميع روابط الكربون-كربون في الجلوكوز لإطلاق الطاقة، مما يُبقي جزءًا كبيرًا من الطاقة القابلة للاستخلاص في النواتج الثانوية. ويحدث التنفس اللاهوائي عادةً في بدائيات النوى في بيئات خالية من الأكسجين.

التخمير

التخمر عملية أخرى تستطيع الخلايا من خلالها استخلاص الطاقة من الجلوكوز. وهو ليس شكلاً من أشكال التنفس الخلوي، ولكنه يُنتج جزيئات ATP، ويُحلل الجلوكوز، ويُنتج فضلات. يبدأ التخمر، كالتنفس الهوائي، بتحليل الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات . ومن ثم، يستمر باستخدام مستقبلات إلكترونية عضوية داخلية ، بينما يستخدم التنفس الخلوي مستقبلات خارجية ، مثل الأكسجين في التنفس الهوائي والنترات في التنفس اللاهوائي. تُنتج كل من هذه المستقبلات العضوية المختلفة فضلات متنوعة. ومن الفضلات الشائعة حمض اللاكتيك، واللاكتوز ، والهيدروجين، والإيثانول. كما يُنتج ثاني أكسيد الكربون بشكل شائع. [ 5 ] يحدث التخمر بشكل أساسي في ظروف لاهوائية، على الرغم من أن بعض الكائنات الحية، مثل الخميرة، تستخدم التخمر حتى في وجود الأكسجين بوفرة.

تخمير حمض اللاكتيك

التفاعل النظري المبسط: C 6 H 12 O 6→{\displaystyle \to }2C₃H₆O₃ + 2 ATP (120 كيلو جول) [6] يُعرف تخمير حمض اللاكتيك بأنه العملية التي تُنتج بها خلايا عضلات الثدييات الطاقة في البيئات اللاهوائية، كما هو الحال عند بذل مجهود بدني كبير، وهو أبسط أنواع التخمير. يبدأ التخمير على نفس مسار التنفس الهوائي، ولكن بمجرد تحويل الجلوكوز إلى بيروفات ، يسلك أحد مسارين، وينتج جزيئين فقط من ATP من كل جزيء جلوكوز. في مسار التخمير المتجانس، يُنتج حمض اللاكتيك كنفايات. أما في مسار التخمير غير المتجانس، فيُنتج حمض اللاكتيك بالإضافة إلى الإيثانول وثاني أكسيد الكربون. [ 7 ] يُعد تخمير حمض اللاكتيك غير فعال نسبيًا. لم يتأكسد حمض اللاكتيك والإيثانول الناتجين بشكل كامل، ولا يزالان يحتويان على طاقة، ولكنه يتطلب إضافة الأكسجين لاستخلاص هذه الطاقة. [ 8 ]

بشكل عام، لا يحدث تخمير حمض اللاكتيك إلا عندما تفتقر الخلايا الهوائية إلى الأكسجين. مع ذلك، تُفضل بعض خلايا الثدييات الهوائية استخدام تخمير حمض اللاكتيك على التنفس الهوائي. تُعرف هذه الظاهرة بتأثير واربورغ ، وتُلاحظ بشكل أساسي في الخلايا السرطانية. [ 9 ] كما تستخدم خلايا العضلات، عند بذل مجهود كبير، تخمير حمض اللاكتيك لتكملة التنفس الهوائي. يُعد تخمير حمض اللاكتيك أسرع نوعًا ما، وإن كان أقل كفاءة، من التنفس الهوائي، لذا في أنشطة مثل العدو السريع، يُمكن أن يُساعد في توفير الطاقة اللازمة للعضلات بسرعة. [ 10 ]

إفراز وتأثيرات الفضلات

يحدث التنفس الخلوي في أعراف الميتوكوندريا داخل الخلايا . وبحسب المسارات المتبعة، يتم التعامل مع النواتج بطرق مختلفة.

يتم إخراج ثاني أكسيد الكربون من الخلية عن طريق الانتشار إلى مجرى الدم، حيث يتم نقله بثلاث طرق:

  • يتم إذابة ما يصل إلى 7% منه في شكله الجزيئي في بلازما الدم .
  • يتم تحويل حوالي 70-80% إلى أيونات الهيدروكربونات،
  • أما الباقي فيرتبط بالهيموجلوبين في خلايا الدم الحمراء، وينتقل إلى الرئتين، ثم يُزفر. [ 11 ]

ينتشر الماء ( H₂O ) أيضًا من الخلية إلى مجرى الدم، حيث يُطرح على شكل عرق، أو بخار ماء في الزفير، أو بول من الكليتين . يُزال الماء، إلى جانب بعض المواد المذابة، من الدورة الدموية في النيفرونات الكلوية، ويُطرح في النهاية على شكل بول. [ 12 ]

يمكن معالجة منتجات التخمير بطرق مختلفة، اعتمادًا على الظروف الخلوية.

يميل حمض اللاكتيك إلى التراكم في العضلات، مما يُسبب ألمًا في العضلات والمفاصل، بالإضافة إلى الإرهاق. [ 13 ] كما أنه يُحدث تدرجًا يُحفز تدفق الماء خارج الخلايا، مما يزيد من ضغط الدم . [ 14 ] تشير الأبحاث إلى أن حمض اللاكتيك قد يُساهم أيضًا في خفض مستويات البوتاسيوم في الدم. [ 15 ] ويمكن أيضًا تحويله مرة أخرى إلى بيروفات أو إلى جلوكوز في الكبد، حيث يتم استقلابه بالكامل عن طريق التنفس الهوائي. [ 16 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ التنفس الهوائي
  2. ↑ التنفس الهوائي ( مؤرشف في 6 يوليو 2007، على موقع Wayback Machine)
  3. ↑ لوديش؛ هارفي ف. لوديش؛ أرنولد بيرك؛ كريس كايزر؛ مونتي كريجر؛ أنتوني بريتشر؛ هيد إل. بلوغ؛ أنجليكا آمون؛ ماثيو ب. سكوت (2 مايو 2012). بيولوجيا الخلية الجزيئية (  الطبعة السابعة). دبليو إتش فريمان وشركاه. الصفحات 518-519 . ISBN  978-1-4292-3413-9.
  4. ↑ لوديش؛ هارفي ف. لوديش؛ أرنولد بيرك؛ كريس كايزر؛ مونتي كريجر؛ أنتوني بريتشر؛ هيد إل. بلوغ؛ أنجليكا آمون؛ ماثيو ب. سكوت (2 مايو 2012). بيولوجيا الخلية الجزيئية ( الطبعة السابعة). دبليو إتش فريمان وشركاه. الصفحات 520-523 . ISBN   978-1-4292-3413-9.
  5. ^ فويت، دونالد وفويت، جوديث ج. (1995). الكيمياء الحيوية (الطبعة الثانية). نيويورك، نيويورك: جون وايلي وأولاده. رقم ISBN 978-0-471-58651-7.
  6. ↑ تخمير حمض اللاكتيك#cite ref-campbell 3-1
  7. ↑ كامبل، نيل (2005). علم الأحياء، الطبعة السابعة . بنجامين كامينغز. ISBN 0-8053-7146-X.
  8. ↑ التخمر (الكيمياء الحيوية)
  9. ↑ واربورغ، أو (1956). "حول أصل الخلايا السرطانية". مجلة ساينس . 123 (3191): 309-314 . Bibcode : 1956Sci...123..309W . doi : 10.1126/science.123.3191.309 . PMID 13298683 . 
  10. ↑ روث، ستيفن. "لماذا يتراكم حمض اللاكتيك في العضلات؟ ولماذا يسبب الألم؟" . مجلة ساينتفك أمريكان.
  11. ↑ ماكينلي، مايكل (2012). تشريح الإنسان (الطبعة الثالثة) . نيويورك: ماكجرو هيل. الصفحات 638-643 ، 748. ISBN  978-0-07-337809-1.
  12. ↑ ماكينلي، مايكل (2012). تشريح الإنسان (الطبعة الثالثة) . نيويورك: ماكجرو هيل. الصفحات 818-830 . ISBN  978-0-07-337809-1.
  13. ↑ "تحلل الجلوكوز: التنفس اللاهوائي: التخمر المتجانس" .
  14. ↑ كوفيان، ف. ج.؛ كروغ، أ. (1935). "التغيرات في الضغط الأسموزي والتركيز الكلي للدم لدى الإنسان أثناء وبعد العمل العضلي". أرشيف علم وظائف الأعضاء الإسكندنافي . 71 : 251-259 . doi : 10.1111/j.1748-1716.1935.tb00401.x .
  15. ↑ شيما-دهادلي، س؛ تشونغ، سي-كيه؛ كامل، كيه إس؛ هالبرين، إم إل (2012). " يؤدي التسريب الحاد لحمض اللاكتيك إلى خفض تركيز البوتاسيوم في بلازما الدم الشرياني عن طريق تحفيز انتقال البوتاسيوم إلى خلايا الكبد في الفئران المُغذّاة" . فيزيولوجيا النفرون . 120 (2): 7-15 . doi : 10.1159/000336321 . PMID 22555123. S2CID 7196683. تاريخ الاسترجاع: 28 نوفمبر 2012 .  
  16. ↑ مكاردل، دبليو دي، كاتش، إف آي، وكاتش، في إل (2010). فسيولوجيا التمرين: الطاقة، والتغذية، والأداء البشري. وولترز كلوير/ليبنكوت ويليامز آند ويلكنز هيلث. ISBN 0-683-05731-6