पादपों में श्वसन — ग्लाइकोलिसिस, TCA चक्र व ATP लेखा
ग्लाइकोलिसिस व अवायवीय विकल्प
ग्लाइकोलिसिस — EMP पथ — कोशिकाद्रव्य में होता है और प्रत्येक जीव में सामान्य है, वायवीय हो या न हो। एक ग्लूकोस टूटकर दो पाइरुवेट बनता है, नेट लाभ 2 ATP व 2 NADH सहित। नेट शब्द पर ध्यान दें: दो ATP वस्तुतः आरंभ में, हेक्सोकाइनेज़ व फॉस्फोफ्रक्टोकाइनेज़ चरणों पर खर्च होते हैं, और चार बाद में बनते हैं, अतः स्थूल आँकड़ा 4 और नेट 2 है। प्रश्न उस अंतर का नियमित लाभ उठाते हैं।
| नियति | परिस्थितियाँ व एंज़ाइम | उत्पाद व प्राप्ति |
|---|---|---|
| ऐल्कोहॉली किण्वन | अवायवीय; पाइरुवेट डिकार्बोक्सिलेज़ तत्पश्चात् ऐल्कोहॉल डिहाइड्रोजिनेज़ — यीस्ट में | इथेनॉल + CO₂; केवल ग्लाइकोलिसिस के 2 ATP |
| लैक्टिक अम्ल किण्वन | अवायवीय; लैक्टेट डिहाइड्रोजिनेज़ — कुछ जीवाणुओं में तथा ऑक्सीजन-ऋण में हमारी पेशी में | लैक्टिक अम्ल, कोई CO₂ नहीं; पुनः केवल 2 ATP |
| वायवीय श्वसन | पाइरुवेट माइटोकॉन्ड्रियल आधात्री में प्रवेश करता है; पाइरुवेट डिहाइड्रोजिनेज़ को NAD⁺, CoA व Mg²⁺ चाहिए | ऐसीटिल CoA + CO₂ + NADH — TCA चक्र में संयोजक अभिक्रिया |
TCA चक्र व इलेक्ट्रॉन परिवहन
| विषय | प्रति फेरा | टिप्पणी |
|---|---|---|
| आरंभिक अभिक्रिया | ऐसीटिल CoA (2C) + ऑक्सैलोऐसीटेट (4C) → सिट्रेट (6C) | OAA अंत में पुनरुद्भूत होता है, वही उसे चक्र बनाता है |
| NADH | 3 | आइसोसिट्रेट, α-कीटोग्लूटारेट व मैलेट डिहाइड्रोजिनेज़ चरणों पर |
| FADH₂ | 1 | केवल सक्सिनेट → फ्यूमरेट पर; सक्सिनेट डिहाइड्रोजिनेज़ ही एकमात्र TCA एंज़ाइम है जो भीतरी झिल्ली में है |
| GTP / ATP | 1 | सक्सिनिल CoA → सक्सिनेट पर — चक्र का एकमात्र क्रियाधार-स्तरीय फॉस्फोरिलीकरण |
| CO₂ | 2 | दो विकार्बोक्सिलीकरण; श्वसित CO₂ वस्तुतः यहीं से आती है |
| घटक | वह क्या करता है |
|---|---|
| संकुल I — NADH डिहाइड्रोजिनेज़ | NADH से इलेक्ट्रॉन लेकर यूबिक्विनोन तक |
| संकुल II — सक्सिनेट डिहाइड्रोजिनेज़ | FADH₂ से इलेक्ट्रॉन डालता है, संकुल I को छोड़कर — इसीलिए FADH₂ कम ATP देता है |
| यूबिक्विनोन → संकुल III → साइटोक्रोम c | गतिशील वाहक जो इलेक्ट्रॉन आगे भेजते व प्रोटॉन पंप करते हैं |
| संकुल IV — साइटोक्रोम c ऑक्सिडेज़ | इलेक्ट्रॉन O₂, अंतिम ग्राही को देता है, जिससे जल बनता है |
| संकुल V — ATP सिंथेज़ | प्रोटॉन प्रवणता उसमें से निस्सृत होकर ATP बनाती है — ऑक्सीकारी फॉस्फोरिलीकरण |
श्वसन गुणांक व उभयपथी पथ
| क्रियाधार | RQ | क्यों |
|---|---|---|
| कार्बोहाइड्रेट | 1.0 | C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O — गैसें ठीक संतुलित |
| वसा | 1 से कम (लगभग 0.7) | वसाएँ हाइड्रोजन-समृद्ध व ऑक्सीजन-न्यून हैं, अतः उनका ऑक्सीकरण अतिरिक्त ऑक्सीजन खर्च करता है |
| प्रोटीन | लगभग 0.9 | दोनों के मध्यवर्ती |
| कार्बनिक अम्ल | 1 से अधिक | पहले से आंशिक ऑक्सीकृत, अतः आपेक्षिक रूप से कम O₂ चाहिए |
मुख्य बिंदु
- स्थान: ग्लाइकोलिसिस कोशिकाद्रव्य में, संयोजक अभिक्रिया व TCA माइटोकॉन्ड्रियल आधात्री में, ETC भीतरी झिल्ली पर।
- ग्लाइकोलिसिस नेट 2 ATP व 2 NADH देता है — स्थूल 4 ATP, में से हेक्सोकाइनेज़ व फॉस्फोफ्रक्टोकाइनेज़ पर 2 खर्च।
- किण्वन NAD⁺ पुनरुद्भवन हेतु है, ATP बनाने हेतु नहीं; वह ग्लूकोस की ऊर्जा का 7% से कम मुक्त करता है।
- एक TCA फेरा: 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP, 2 CO₂। एकमात्र FADH₂ चरण सक्सिनेट → फ्यूमरेट है।
- सक्सिनिल CoA → सक्सिनेट, TCA चक्र का एकमात्र क्रियाधार-स्तरीय फॉस्फोरिलीकरण है।
- NCERT लेखा: 1 NADH = 3 ATP, 1 FADH₂ = 2 ATP, कुल प्रति ग्लूकोस 36 ATP। FADH₂ कम देता है क्योंकि वह संकुल II पर प्रवेश करता है।
- ऑक्सीजन केवल अंतिम चरण पर कार्य करती है परंतु उसकी अनुपस्थिति पूरी शृंखला रोक देती है, क्योंकि वाहक एक पंक्ति हैं।
- RQ: कार्बोहाइड्रेट 1, वसा लगभग 0.7, प्रोटीन लगभग 0.9, कार्बनिक अम्ल 1 से अधिक। श्वसन उभयपथी है, केवल अपघटनी नहीं।
अभ्यास प्रश्न (8)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
एक ग्लूकोस अणु से ग्लाइकोलिसिस की नेट ATP व NADH प्राप्ति है:
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उत्तर: A — 2 ATP व 2 NADH
चार ATP बनते हैं परंतु दो पहले हेक्सोकाइनेज़ व फॉस्फोफ्रक्टोकाइनेज़ चरणों पर खर्च हो जाते हैं, अतः नेट 2 है, 2 NADH सहित। 4-ATP विकल्प स्थूल आँकड़ा है — अशुद्ध शब्द से जुड़ी शुद्ध संख्या — और 36 पूर्ण वायवीय श्वसन का कुल है, केवल ग्लाइकोलिसिस का नहीं।अवायवीय कोशिका में किण्वन का प्राथमिक प्रयोजन है:
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उत्तर: A — NAD⁺ पुनरुद्भूत करना जिससे ग्लाइकोलिसिस चल सके
किण्वन अपना कोई ATP नहीं बनाता — उसका कार्य NADH का पुनः ऑक्सीकरण है जिससे NAD⁺ उपलब्ध हो और ग्लाइकोलिसिस न ठहरे, इथेनॉल अथवा लैक्टेट अपशिष्ट रूप में। CO₂ व जल में पूर्ण ऑक्सीकरण वायवीय श्वसन है, ठीक वही जो अवायवीय कोशिका नहीं कर सकती।TCA चक्र के एक फेरे में FADH₂ किस चरण पर बनता है?
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उत्तर: A — सक्सिनेट से फ्यूमरेट
सक्सिनेट डिहाइड्रोजिनेज़ चक्र का एकमात्र FADH₂-उत्पादक एंज़ाइम है, और उल्लेखनीय रूप से एकमात्र TCA एंज़ाइम जो आधात्री में मुक्त होने के स्थान पर भीतरी माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली में धँसा है। आइसोसिट्रेट व मैलेट चरण NADH देते हैं, और सक्सिनिल CoA से सक्सिनेट वह क्रियाधार-स्तरीय फॉस्फोरिलीकरण है जो GTP देता है।FADH₂, NADH से कम ATP देता है क्योंकि वह:
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उत्तर: A — शृंखला में संकुल II पर प्रवेश करता है, एक प्रोटॉन-पंपिंग संकुल छोड़कर
दोनों दो इलेक्ट्रॉन वहन करते हैं, परंतु FADH₂ उन्हें संकुल I के स्थान पर संकुल II पर देता है, अतः वे एक कम प्रोटॉन-पंपिंग स्थान से गुज़रते हैं और तदनुरूप कम ATP बनाते हैं। यह वह कहाँ प्रवेश करता है इसका संरचनात्मक परिणाम है, वह कितने इलेक्ट्रॉन रखता है इसका अंतर नहीं।वसा-समृद्ध अंकुरित बीज का श्वसन गुणांक होगा:
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उत्तर: A — 1 से कम
वसाएँ हाइड्रोजन-समृद्ध व ऑक्सीजन-न्यून हैं, अतः उनके ऑक्सीकरण को मुक्त CO₂ की तुलना में अतिरिक्त O₂ चाहिए, जिससे RQ लगभग 0.7 मिलता है। ठीक 1 RQ कार्बोहाइड्रेट का है और 1 से अधिक कार्बनिक अम्लों का, जो पहले से आंशिक ऑक्सीकृत हैं और अतः तुलनात्मक रूप से कम ऑक्सीजन चाहते हैं।श्वसन को उभयपथी पथ कहा जाता है क्योंकि:
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उत्तर: A — उसके मध्यवर्ती तोड़े जाने के साथ जैवसंश्लेषण हेतु निकाले भी जाते हैं
उभयपथी का अर्थ है एक साथ अपघटन व उपचय की सेवा: ऐसीटिल CoA वसा अम्ल संश्लेषण हेतु निकलता है, α-कीटोग्लूटारेट व ऑक्सैलोऐसीटेट ऐमीनो अम्लों हेतु, सक्सिनिल CoA पॉरफिरिनों हेतु। ऑक्सीजन सहित अथवा रहित होना भिन्न गुण है, और दोनों जगतों में उपस्थित होना पथ के रसायन के विषय में कुछ नहीं कहता।श्वसन करती कोशिका की ऑक्सीजन आपूर्ति बंद कर दी जाए तो इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला रुक जाती है क्योंकि:
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उत्तर: A — अंतिम वाहक अपने इलेक्ट्रॉन आगे नहीं दे सकता, अतः उसके पीछे का प्रत्येक वाहक अपचयित रह जाता है
ऑक्सीजन केवल संकुल IV पर सहभागी है, परंतु वाहक एक पंक्ति बनाते हैं, अतः अवरुद्ध निकास पूरी पंक्ति पीछे तक रोक देता है और NADH का पुनः ऑक्सीकरण नहीं हो पाता — जो बदले में TCA चक्र ठहरा देता है। इसके विपरीत ग्लाइकोलिसिस चलता रहता है, क्योंकि किण्वन ऑक्सीजन बिना NAD⁺ पुनरुद्भूत कर सकता है।प्रति NADH 3 ATP व प्रति FADH₂ 2 ATP की NCERT परिपाटी से, एक ग्लूकोस अणु के पूर्ण वायवीय ऑक्सीकरण से कुल ATP प्राप्ति है:
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उत्तर: A — 36
ग्लाइकोलिसिस नेट 2 ATP व 2 NADH देता है, संयोजक अभिक्रिया 2 NADH जोड़ती है, और दो TCA फेरे 6 NADH, 2 FADH₂ व 2 ATP जोड़ते हैं; 3 व 2 पर बदलने से कुल 36 मिलता है। आँकड़ा 2 केवल ग्लाइकोलिसिस है, और 18 प्रति ग्लूकोस कैल्विन चक्र द्वारा खर्च ATP है — पिछले अध्याय की संख्या जो यहाँ जान-बूझकर दी गई है।