कोशिकीय अपशिष्ट उत्पाद

सेलुलर अपशिष्ट उत्पाद सेलुलर श्वसन के उप-उत्पाद के रूप में बनते हैं, प्रक्रियाओं और प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला जो एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट के रूप में कोशिका के लिए ऊर्जा उत्पन्न करती है। सेलुलर अपशिष्ट उत्पाद बनाने वाले सेलुलर श्वसन का एक उदाहरण एरोबिक श्वसन और अवायवीय श्वसन है।

प्रत्येक मार्ग अलग-अलग अपशिष्ट उत्पाद उत्पन्न करता है।

वायवीय श्वसन
ऑक्सीजन की उपस्थिति में, कोशिकाएं ग्लूकोज अणुओं से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए एरोबिक श्वसन का उपयोग करती हैं। सरलीकृत सैद्धांतिक प्रतिक्रिया: सी6H12O6 (aq) 6ओ2 (g) → 6CO2 (g) + ताहा2O(l) + ~ 30एटीपी

एरोबिक श्वसन से गुजरने वाली कोशिकाएं अतिरिक्त ऑक्सीजन की उपस्थिति में ग्लूकोज के प्रत्येक अणु से कार्बन डाईऑक्साइड  के 6 अणु, पानी के 6 अणु और एटीपी (एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट) के 30 अणुओं का उत्पादन करती हैं, जिसका उपयोग सीधे ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।

एरोबिक श्वसन में, ऑक्सीजन इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से इलेक्ट्रॉनों के प्राप्तकर्ता के रूप में कार्य करता है। इस प्रकार एरोबिक श्वसन बहुत कुशल है क्योंकि ऑक्सीजन एक मजबूत ऑक्सीडेंट है। एरोबिक श्वसन चरणों की एक श्रृंखला में होता है, जिससे दक्षता भी बढ़ती है - चूंकि ग्लूकोज धीरे-धीरे टूटता है और आवश्यकतानुसार एटीपी का उत्पादन होता है, इसलिए गर्मी के रूप में कम ऊर्जा बर्बाद होती है। इस रणनीति के परिणामस्वरूप अपशिष्ट उत्पाद एच2ओ और सीओ2 श्वसन के विभिन्न चरणों में अलग-अलग मात्रा में बनता है। सीओ2 पाइरूवेट डीकार्बाक्सिलेशन, एच में बनता है2O ऑक्सीडेटिव फाृॉस्फॉरिलेशन में बनता है, और दोनों साइट्रिक एसिड चक्र में बनते हैं। अंतिम उत्पादों की सरल प्रकृति भी श्वसन की इस विधि की दक्षता को इंगित करती है। ग्लूकोज के कार्बन-कार्बन बांड में संग्रहीत सारी ऊर्जा CO को छोड़कर निकल जाती है2 और वह2O. यद्यपि इन अणुओं के बंधनों में ऊर्जा संग्रहीत होती है, यह ऊर्जा कोशिका द्वारा आसानी से उपलब्ध नहीं होती है। सभी उपयोगी ऊर्जा कुशलतापूर्वक निकाली जाती है।

अवायवीय श्वसन
अवायवीय श्वसन एरोबिक जीवों द्वारा किया जाता है जब किसी कोशिका में एरोबिक श्वसन के लिए पर्याप्त ऑक्सीजन नहीं होती है, साथ ही अवायवीय श्वसन नामक कोशिकाएं भी होती हैं जो ऑक्सीजन की उपस्थिति में भी चयनात्मक रूप से अवायवीय श्वसन करती हैं। अवायवीय श्वसन में सल्फेट और नाइट्रेट जैसे कमजोर ऑक्सीडेंट ऑक्सीजन के स्थान पर ऑक्सीडेंट के रूप में काम करते हैं। आम तौर पर, अवायवीय श्वसन में शर्करा कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य अपशिष्ट उत्पादों में टूट जाती है जो कोशिका द्वारा उपयोग किए जाने वाले ऑक्सीडेंट द्वारा निर्धारित होते हैं। जबकि एरोबिक श्वसन में ऑक्सीडेंट हमेशा ऑक्सीजन होता है, अवायवीय श्वसन में यह भिन्न होता है। प्रत्येक ऑक्सीडेंट एक अलग अपशिष्ट उत्पाद उत्पन्न करता है, जैसे नाइट्राइट, सक्सिनेट, सल्फाइड, मीथेन और एसीटेट। अवायवीय श्वसन, एरोबिक श्वसन की तुलना में कम कुशल होता है। ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में, ऊर्जा जारी करने के लिए ग्लूकोज में सभी कार्बन-कार्बन बांड को तोड़ा नहीं जा सकता है। अपशिष्ट उत्पादों में बड़ी मात्रा में निष्कर्षण योग्य ऊर्जा बची रहती है। अवायवीय श्वसन आमतौर पर प्रोकैरियोट्स में ऐसे वातावरण में होता है जिसमें ऑक्सीजन नहीं होता है।

किण्वन
किण्वन एक अन्य प्रक्रिया है जिसके द्वारा कोशिकाएं ग्लूकोज से ऊर्जा निकाल सकती हैं। यह कोशिकीय श्वसन का एक रूप नहीं है, लेकिन यह एटीपी उत्पन्न करता है, ग्लूकोज को तोड़ता है और अपशिष्ट उत्पादों का उत्पादन करता है। किण्वन, एरोबिक श्वसन की तरह, ग्लूकोज को दो पाइरूवेट अणुओं में तोड़ने से शुरू होता है। यहां से, यह अंतर्जात कार्बनिक इलेक्ट्रॉन रिसेप्टर्स का उपयोग करके आगे बढ़ता है, जबकि सेलुलर श्वसन बहिर्जात रिसेप्टर्स का उपयोग करता है, जैसे एरोबिक श्वसन में ऑक्सीजन और एनारोबिक श्वसन में नाइट्रेट। ये विविध कार्बनिक रिसेप्टर्स प्रत्येक अलग-अलग अपशिष्ट उत्पाद उत्पन्न करते हैं। सामान्य उत्पाद लैक्टिक एसिड, लैक्टोज, हाइड्रोजन और इथेनॉल हैं। कार्बन डाइऑक्साइड भी आमतौर पर उत्पन्न होता है। किण्वन मुख्य रूप से अवायवीय स्थितियों में होता है, हालांकि कुछ जीव जैसे कि खमीर ऑक्सीजन प्रचुर मात्रा में होने पर भी किण्वन का उपयोग करते हैं।

लैक्टिक एसिड किण्वन
सरलीकृत सैद्धांतिक प्रतिक्रिया: सी6H12O6 $$\to$$ एस3H6O3 + 2 एटीपी (120 केजे) दुग्धाम्ल  किण्वन को आमतौर पर उस प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है जिसके द्वारा स्तनधारी मांसपेशी कोशिकाएं अवायवीय वातावरण में ऊर्जा उत्पन्न करती हैं, जैसे कि अत्यधिक शारीरिक परिश्रम के मामले में, और यह किण्वन का सबसे सरल प्रकार है। यह एरोबिक श्वसन के समान मार्ग से शुरू होता है, लेकिन एक बार जब ग्लूकोज पाइरूवेट में परिवर्तित हो जाता है तो दो मार्गों में से एक में आगे बढ़ता है और ग्लूकोज के प्रत्येक अणु से एटीपी के केवल दो अणु पैदा करता है। होमोलैक्टिक मार्ग में, यह अपशिष्ट के रूप में लैक्टिक एसिड का उत्पादन करता है। हेटेरोलैक्टिक मार्ग में, यह लैक्टिक एसिड के साथ-साथ इथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन करता है। लैक्टिक एसिड किण्वन अपेक्षाकृत अक्षम है। अपशिष्ट उत्पाद लैक्टिक एसिड और इथेनॉल पूरी तरह से ऑक्सीकृत नहीं हुए हैं और उनमें अभी भी ऊर्जा है, लेकिन इस ऊर्जा को निकालने के लिए ऑक्सीजन के अतिरिक्त की आवश्यकता होती है। आम तौर पर, लैक्टिक एसिड किण्वन तभी होता है जब एरोबिक कोशिकाओं में ऑक्सीजन की कमी होती है। हालाँकि, कुछ एरोबिक स्तनधारी कोशिकाएँ एरोबिक श्वसन की तुलना में लैक्टिक एसिड किण्वन का प्राथमिकता से उपयोग करेंगी। इस घटना को वारबर्ग प्रभाव (ऑन्कोलॉजी) कहा जाता है और यह मुख्य रूप से कैंसर कोशिकाओं में पाया जाता है। अत्यधिक परिश्रम के तहत मांसपेशियों की कोशिकाएं एरोबिक श्वसन को पूरक करने के लिए लैक्टिक एसिड किण्वन का भी उपयोग करेंगी। एरोबिक श्वसन की तुलना में लैक्टिक एसिड किण्वन कुछ हद तक तेज़ है, हालांकि कम कुशल है, इसलिए दौड़ने जैसी गतिविधियों में यह मांसपेशियों को आवश्यक ऊर्जा जल्दी प्रदान करने में मदद कर सकता है।

अपशिष्ट उत्पादों का स्राव और प्रभाव
कोशिकीय श्वसन कोशिकाओं के भीतर माइटोकॉन्ड्रिया के क्रेस्ट में होता है। अपनाए गए रास्तों के आधार पर, उत्पादों को अलग-अलग तरीकों से निपटाया जाता है।

सीओ2 कोशिका से रक्त प्रवाह में प्रसार के माध्यम से उत्सर्जित होता है, जहां इसे तीन तरीकों से ले जाया जाता है: एच2O कोशिका से बाहर रक्तप्रवाह में भी फैल जाता है, जहां से यह पसीने, सांस में जलवाष्प या गुर्दे से मूत्र के रूप में उत्सर्जित होता है। पानी, कुछ घुले हुए पदार्थों के साथ, गुर्दे के नेफ्रॉन में रक्त परिसंचरण से हटा दिया जाता है और अंततः मूत्र के रूप में उत्सर्जित होता है। किण्वन के उत्पादों को सेलुलर स्थितियों के आधार पर विभिन्न तरीकों से संसाधित किया जा सकता है।
 * 7% तक रक्त प्लाज्मा में आणविक रूप में घुला होता है।
 * लगभग 70-80% हाइड्रोकार्बोनेट आयनों में परिवर्तित हो जाता है,
 * शेष लाल रक्त कोशिकाओं में हीमोग्लोबिन के साथ जुड़ जाता है, फेफड़ों में ले जाया जाता है, और साँस छोड़ दिया जाता है।

लैक्टिक एसिड मांसपेशियों में जमा हो जाता है, जिससे मांसपेशियों और जोड़ों में दर्द के साथ-साथ थकान भी होती है। यह एक ढाल भी बनाता है जो कोशिकाओं से पानी को बाहर निकलने के लिए प्रेरित करता है और रक्तचाप बढ़ाता है। शोध से पता चलता है कि लैक्टिक एसिड रक्त में पोटैशियम  के स्तर को कम करने में भी भूमिका निभा सकता है। इसे वापस पाइरूवेट में परिवर्तित किया जा सकता है या यकृत में ग्लूकोज में परिवर्तित किया जा सकता है और एरोबिक श्वसन द्वारा पूरी तरह से चयापचय किया जा सकता है।

यह भी देखें

 * एरोबिक श्वसन
 * लैक्टिक एसिड किण्वन