कोशिकीय अपशिष्ट उत्पाद

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

जिसका प्रत्येक मार्ग अलग-अलग अपशिष्ट उत्पाद उत्पन्न करता है।

वातिल श्वसन

Main article: वातिल श्वसन

ऑक्सीजन की उपस्थिति में, कोशिकाएं ग्लूकोज अणुओं से ऊर्जा प्राप्त करने के लिए वातिल श्वसन का उपयोग करती हैं।

सरलीकृत सैद्धांतिक प्रतिक्रिया: C₆H₁₂O_{6 (aq)} + 6O_{2 (g)} → 6CO_{2 (g)} + 6H₂O _(l) + ~ 30ATP

जिससे वातिल 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।

इस प्रकार के वातिल श्वसन में, ऑक्सीजन इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से इलेक्ट्रॉनों के प्राप्तकर्ता के रूप में कार्य करता है। जिसमे इसके वातिल श्वसन बहुत कुशल होता है क्योंकि ऑक्सीजन प्रबल ऑक्सीडेंट है।

जिसके वातिल श्वसन चरणों की 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 व्यय होती है। जो कि इस रणनीति के परिणामस्वरूप अपशिष्ट उत्पाद H₂O और CO₂ श्वसन के विभिन्न चरणों में अलग-अलग मात्रा में बनता है। जो कि CO₂ पाइरूवेट डीकार्बाक्सिलेशन, H₂O में बनता है जिसे ऑक्सीडेटिव फाृॉस्फॉरिलेशन में बनता है, और दोनों साइट्रिक अम्ल चक्र में बनते हैं। जिसके अंतिम उत्पादों की सरल प्रकृति भी श्वसन की इस विधि की दक्षता को निरुपित करती है। ग्लूकोज के कार्बन-कार्बन बांड में संग्रहीत सारी ऊर्जा CO₂ और H₂O को छोड़कर निकल जाती है यद्यपि इन अणुओं के बंधनों में ऊर्जा संग्रहीत होती है, तो यह ऊर्जा कोशिका द्वारा सरलता से उपलब्ध नहीं होती है। जिससे सभी उपयोगी ऊर्जा कुशलतापूर्वक निकाली जाती है।

अवातिल श्वसन

Main article: अवातिल श्वसन

अवातिल श्वसन वातिल जीवों द्वारा किया जाता है जब किसी कोशिका में वातिल श्वसन के लिए पर्याप्त ऑक्सीजन नहीं होती है, इसी के साथ ही अवातिल श्वसन नामक कोशिकाएं भी होती हैं जो ऑक्सीजन की उपस्थिति में भी चयनात्मक रूप से अवातिल श्वसन करती हैं जिसे अवातिल श्वसन में सल्फेट और नाइट्रेट जैसे दुर्बल ऑक्सीडेंट ऑक्सीजन के स्थान पर ऑक्सीडेंट के रूप में काम करते हैं।

यह समान्य रूप से, अवातिल 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 वातिल श्वसन में ऑक्सीडेंट सदैव ऑक्सीजन होता है, जो कि अवातिल श्वसन में यह भिन्न होता है। जिसका प्रत्येक ऑक्सीडेंट अलग अपशिष्ट उत्पाद उत्पन्न करता है, जैसे नाइट्राइट, सक्सिनेट, सल्फाइड, मीथेन और एसीटेट है अवातिल श्वसन, वातिल श्वसन की तुलना में कम कुशल होता है। जो ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में, ऊर्जा प्रसारित करने के लिए ग्लूकोज में सभी कार्बन-कार्बन बांड को तोड़ा नहीं जा सकता है। जिसका अपशिष्ट उत्पादों में बड़ी मात्रा में निष्कर्षण योग्य ऊर्जा शेष रहती है।

जो कि अवातिल श्वसन समान्यत: प्रोकैरियोट्स में ऐसे वातावरण में होता है जिसमें ऑक्सीजन नहीं होता है।

किण्वन

Main article: किण्वन (जैव रसायन)

किण्वन अन्य प्रक्रिया है जिसके द्वारा कोशिकाएं ग्लूकोज से ऊर्जा निकाल सकती हैं। यह कोशिकीय श्वसन का रूप नहीं है, किन्तु यह एटीपी उत्पन्न करता है, ग्लूकोज को तोड़ता है और अपशिष्ट उत्पादों का उत्पादन करता है जो कि किण्वन, वातिल श्वसन की तरह, ग्लूकोज को दो पाइरूवेट अणुओं में तोड़ने से प्रारंभ होता है। यहां से, यह अंतर्जात कार्बनिक इलेक्ट्रॉन रिसेप्टर्स का उपयोग करके आगे बढ़ता है, जबकि सेलुलर श्वसन कोशिका रिसेप्टर्स का उपयोग करता है, जैसे वातिल श्वसन में ऑक्सीजन और एनारोबिक श्वसन में नाइट्रेट। ये विविध कार्बनिक रिसेप्टर्स प्रत्येक अलग-अलग अपशिष्ट उत्पाद उत्पन्न करते हैं

यह सामान्य उत्पाद लैक्टिक अम्ल , लैक्टोज, हाइड्रोजन और इथेनॉल हैं। जिमसे कार्बन डाइऑक्साइड भी समान्यत: उत्पन्न होता है। किण्वन मुख्य रूप से अवातिल स्थितियों में होता है, चूँकि ऐसे कुछ जीव जैसे कि खमीर ऑक्सीजन प्रचुर मात्रा में होने पर भी किण्वन का उपयोग करते हैं।

लैक्टिक अम्ल किण्वन

Main article: लैक्टिक अम्ल किण्वन

सरलीकृत सैद्धांतिक प्रतिक्रिया: C₆H₁₂O₆ $\to$ 2C₃H₆O₃ + 2 ATP (120 kJ) लैक्टिक अम्ल किण्वन को समान्यत: उस प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है जिसके द्वारा स्तनधारी मांसपेशी कोशिकाएं अवातिल वातावरण में ऊर्जा उत्पन्न करती हैं, जैसे कि अत्यधिक शारीरिक परिश्रम के स्थिति में, और यह किण्वन का सबसे सरल प्रकार है। यह वातिल श्वसन के समान मार्ग से प्रारंभ होता है, किन्तु बार जब ग्लूकोज पाइरूवेट में परिवर्तित हो जाता है तो दो मार्गों में से आगे बढ़ता है और ग्लूकोज के प्रत्येक अणु से एटीपी के केवल दो अणु उत्पन्न करता है। जिसे होमोलैक्टिक मार्ग में, यह अपशिष्ट के रूप में लैक्टिक अम्ल का उत्पादन करता है। जो कि हेटेरोलैक्टिक मार्ग में, यह लैक्टिक अम्ल के साथ-साथ इथेनॉल और कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन करता है। ऐसे लैक्टिक अम्ल किण्वन अपेक्षाकृत अक्षम है। जिसके अपशिष्ट उत्पाद लैक्टिक अम्ल और इथेनॉल पूरी तरह से ऑक्सीकृत नहीं हुए हैं और उनमें अभी भी ऊर्जा है, किन्तु इस ऊर्जा को निकालने के लिए ऑक्सीजन के अतिरिक्त की आवश्यकता होती है।

जिसे समान्यत: लैक्टिक अम्ल किण्वन तभी होता है जब वातिल कोशिकाओं में ऑक्सीजन की कमी होती है। चूँकि, कुछ वातिल स्तनधारी कोशिकाएँ वातिल श्वसन की तुलना में लैक्टिक अम्ल 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। जिसका अत्यधिक परिश्रम के अनुसार मांसपेशियों की कोशिकाएं वातिल श्वसन को पूरक करने के लिए लैक्टिक अम्ल किण्वन का भी उपयोग करेंगी। जिसके वातिल श्वसन की तुलना में लैक्टिक अम्ल किण्वन कुछ सीमा तक तेज़ है, चूँकि कम कुशल है, इसलिए दौड़ने जैसी गतिविधियों में यह मांसपेशियों को आवश्यक ऊर्जा जल्दी प्रदान करने में सहायता कर सकता है।

अपशिष्ट उत्पादों का स्राव और प्रभाव

कोशिकीय श्वसन कोशिकाओं के अंदर माइटोकॉन्ड्रिया के क्रेस्ट में होता है। जो कि अपनाए गए रास्तों के आधार पर, उत्पादों को अलग-अलग विधियों से समाधान किया जाता है।

इस प्रकार CO₂ कोशिका से रक्त प्रवाह में प्रसार के माध्यम से उत्सर्जित होता है, जहां इसे तीन विधियों से ले जाया जाता 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, जो कि फेफड़ों में ले जाया जाता है, और इसे साँस छोड़ दिया जाता है।

इस प्रकार के H₂O 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। जो कि 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।

इस प्रकार के किण्वन के उत्पादों को सेलुलर स्थितियों के आधार पर विभिन्न विधियों से संसाधित किया जा सकता है।

जब लैक्टिक अम्ल मांसपेशियों में जमा हो जाता है, जिससे मांसपेशियों और जोड़ों में दर्द के साथ-साथ थकान भी होती है। यह ढाल भी बनाता है जो कोशिकाओं से पानी को बाहर निकलने के लिए प्रेरित करता है और रक्तचाप बढ़ाता है। जिसके शोध से पता चलता है कि लैक्टिक अम्ल 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 वातिल श्वसन द्वारा पूरी तरह से उपापचय किया जा सकता है।

यह भी देखें

• वातिल श्वसन
• लैक्टिक अम्ल किण्वन