कोशिकीय श्वसन: परिभाषा, समीकरण और चरण

दार्शनिक बर्ट्रेंड रसेल ने कहा, "हर जीवित चीज एक प्रकार का साम्राज्यवादी है, जितना संभव हो सके बदलने की कोशिश कर रहा है" अपने पर्यावरण का अपने आप में।" रूपक एक तरफ, सेलुलर श्वसन औपचारिक तरीका है जिसमें जीवित चीजें अंततः करती हैं यह। कोशिकीय श्वसन बाहरी वातावरण (वायु और कार्बन स्रोतों) से पकड़े गए पदार्थों को लेता है और अधिक कोशिकाओं और ऊतकों के निर्माण और जीवन-निर्वाह करने के लिए उन्हें ऊर्जा में परिवर्तित करता है गतिविधियाँ। यह अपशिष्ट उत्पाद और पानी भी उत्पन्न करता है। इसे रोज़मर्रा के अर्थों में "श्वसन" के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जिसका अर्थ आमतौर पर "श्वास" जैसा ही होता है। साँसे कैसी है जीव ऑक्सीजन प्राप्त करते हैं, लेकिन यह ऑक्सीजन के प्रसंस्करण के समान नहीं है, और सांस लेने से कार्बन की आपूर्ति भी नहीं हो सकती है श्वसन; आहार इस बात का ख्याल रखता है, कम से कम जानवरों में।

सेलुलर श्वसन पौधों और जानवरों दोनों में होता है, लेकिन प्रोकैरियोट्स (जैसे, बैक्टीरिया) में नहीं होता है, जिसमें कमी होती है माइटोकॉन्ड्रिया और अन्य अंग और इस प्रकार ऑक्सीजन का उपयोग नहीं कर सकते, उन्हें ऊर्जा के रूप में ग्लाइकोलाइसिस तक सीमित कर सकते हैं स्रोत पौधे शायद श्वसन की तुलना में प्रकाश संश्लेषण से अधिक जुड़े होते हैं, लेकिन प्रकाश संश्लेषण हैyn प्लांट सेल श्वसन के लिए ऑक्सीजन का स्रोत और साथ ही ऑक्सीजन का एक स्रोत जो पौधे से बाहर निकलता है जिसका उपयोग किया जा सकता है जानवरों। दोनों ही मामलों में अंतिम उप-उत्पाद एटीपी, या एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट है, जो जीवित चीजों में प्राथमिक रासायनिक ऊर्जा वाहक है।

सेलुलर श्वसन, जिसे अक्सर एरोबिक श्वसन कहा जाता है, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी उत्पन्न करने के लिए ऑक्सीजन की उपस्थिति में ग्लूकोज अणु का पूर्ण विघटन है:

सी₆एच₁₂हे₆ + 6O₂ + 38 एडीपी +38 पी -> 6CO₂ + 6H₂ओ + 38 एटीपी + 420 किलो कैलोरी

इस समीकरण में एक ऑक्सीकरण घटक है (C₆एच₁₂हे₆ -> 6CO₂), अनिवार्य रूप से हाइड्रोजन परमाणुओं के रूप में इलेक्ट्रॉनों को हटाना। इसमें एक कमी घटक भी है, 6O₂ -> 6H₂O, जो हाइड्रोजन के रूप में इलेक्ट्रॉनों का योग है।

समग्र रूप से समीकरण का अनुवाद यह है कि अभिकारकों के रासायनिक बंधों में निहित ऊर्जा है held एडीनोसिन ट्राइफॉस्फेट उत्पन्न करने के लिए मुक्त फॉस्फोरस परमाणुओं (पी) से एडीनोसिन डिपोस्फेट (एडीपी) को जोड़ने के लिए उपयोग किया जाता है (एटीपी)।

पूरी प्रक्रिया में कई चरण शामिल हैं: ग्लाइकोलाइसिस साइटोप्लाज्म में होता है, इसके बाद क्रेब्स होता है माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में और माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली पर चक्र और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला क्रमशः।

पौधों और जानवरों दोनों में ग्लूकोज के टूटने में पहला कदम 10 प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला है जिसे ग्लाइकोलाइसिस के रूप में जाना जाता है। ग्लूकोज बाहर से पशु कोशिकाओं में प्रवेश करता है, उन खाद्य पदार्थों के माध्यम से जो ग्लूकोज अणुओं में टूट जाते हैं जो रक्त में परिसंचारी होते हैं और उन ऊतकों द्वारा ग्रहण किए जाते हैं जहां ऊर्जा की सबसे अधिक आवश्यकता होती है दिमाग)। इसके विपरीत, पौधे ग्लूकोज को बाहर से कार्बन डाइऑक्साइड लेने और सीओ को परिवर्तित करने के लिए प्रकाश संश्लेषण का उपयोग करके संश्लेषित करते हैं।₂ ग्लूकोज को। इस बिंदु पर, इस बात की परवाह किए बिना कि यह वहां कैसे पहुंचा, ग्लूकोज का प्रत्येक अणु उसी भाग्य के लिए प्रतिबद्ध है।

ग्लाइकोलाइसिस की शुरुआत में, छह-कार्बन ग्लूकोज अणु को कोशिका के अंदर फंसाने के लिए फॉस्फोराइलेट किया जाता है; फॉस्फेट ऋणात्मक रूप से आवेशित होते हैं और इसलिए कोशिका झिल्ली के माध्यम से प्रवाहित नहीं हो सकते जैसे कि गैर-ध्रुवीय, अपरिवर्तित अणु कभी-कभी कर सकते हैं। एक दूसरा फॉस्फेट अणु जोड़ा जाता है, जो अणु को अस्थिर बनाता है, और यह जल्द ही दो गैर-समान तीन-कार्बन यौगिकों में विभाजित हो जाता है। ये जल्द ही एक रासायनिक रूप धारण कर लेते हैं, और अंततः दो अणुओं को प्राप्त करने के लिए चरणों की एक श्रृंखला में पुनर्व्यवस्थित हो जाते हैं पाइरूवेट. रास्ते में, एटीपी के दो अणुओं का सेवन किया जाता है (वे ग्लूकोज में जोड़े गए दो फॉस्फेट की आपूर्ति जल्दी करते हैं) और चार उत्पादित होते हैं, प्रत्येक तीन-कार्बन प्रक्रिया द्वारा दो, प्रति अणु दो एटीपी अणुओं का जाल उत्पन्न करने के लिए ग्लूकोज।

बैक्टीरिया में, ग्लाइकोलाइसिस अकेले कोशिका के लिए पर्याप्त है - और इस प्रकार पूरे जीव की - ऊर्जा की जरूरत है। लेकिन पौधों और जानवरों में, ऐसा नहीं है, और पाइरूवेट के साथ, ग्लूकोज का अंतिम भाग्य मुश्किल से शुरू हुआ है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि ग्लाइकोलाइसिस को स्वयं ऑक्सीजन की आवश्यकता नहीं होती है, लेकिन ऑक्सीजन आमतौर पर शामिल होती है एरोबिक श्वसन और इसलिए सेलुलर श्वसन के बारे में चर्चा क्योंकि इसे संश्लेषित करने की आवश्यकता होती है पाइरूवेट

जीव विज्ञान के प्रति उत्साही लोगों के बीच एक आम गलत धारणा यह है कि क्लोरोप्लास्ट पौधों में वही कार्य करते हैं जो माइटोकॉन्ड्रिया जानवरों में करते हैं, और यह कि प्रत्येक प्रकार के जीवों में केवल एक या दूसरा होता है। ऐसा नहीं है। पौधों में क्लोरोप्लास्ट और माइटोकॉन्ड्रिया दोनों होते हैं, जबकि जानवरों में केवल माइटोकॉन्ड्रिया होते हैं। पौधे क्लोरोप्लास्ट का उपयोग जनरेटर के रूप में करते हैं - वे एक छोटे कार्बन स्रोत (CO .) का उपयोग करते हैं₂) एक बड़ा (ग्लूकोज) बनाने के लिए। पशु कोशिकाएं कार्बोहाइड्रेट, प्रोटीन और वसा जैसे मैक्रोमोलेक्यूल्स को तोड़कर अपना ग्लूकोज प्राप्त करती हैं, और इस प्रकार उन्हें भीतर से ग्लूकोज बनाने की आवश्यकता नहीं होती है। पौधों के मामले में यह अजीब और अक्षम लग सकता है, लेकिन पौधों ने एक विशेषता विकसित की है जो जानवरों में नहीं है: चयापचय कार्यों में प्रत्यक्ष उपयोग के लिए सूर्य के प्रकाश का उपयोग करने की क्षमता। यह पौधों को सचमुच अपना भोजन बनाने की अनुमति देता है।

माना जाता है कि माइटोकॉन्ड्रिया कई करोड़ों साल पहले एक तरह के मुक्त खड़े बैक्टीरिया थे, उनके द्वारा समर्थित एक सिद्धांत बैक्टीरिया के साथ-साथ उनके चयापचय तंत्र के लिए उल्लेखनीय संरचनात्मक समानता और अपने स्वयं के डीएनए और ऑर्गेनेल की उपस्थिति को कहा जाता है राइबोसोम यूकेरियोट्स पहली बार एक अरब साल पहले अस्तित्व में आया था जब एक कोशिका दूसरे (एंडोसिम्बियन्ट परिकल्पना) को निगलने में कामयाब रही थी। एक ऐसी व्यवस्था की ओर अग्रसर हुआ जो विस्तारित ऊर्जा-उत्पादन के कारण इस व्यवस्था में संलग्नक के लिए बहुत फायदेमंद थी क्षमताएं। माइटोकॉन्ड्रिया में एक डबल प्लाज्मा झिल्ली होती है, जैसे कोशिकाएं स्वयं; आंतरिक झिल्ली में सिलवटें होती हैं जिन्हें क्राइस्टे कहते हैं। माइटोकॉन्ड्रिया के आंतरिक भाग को मैट्रिक्स के रूप में जाना जाता है और यह संपूर्ण कोशिकाओं के कोशिका द्रव्य के अनुरूप होता है।

माइटोकॉन्ड्रिया की तरह क्लोरोप्लास्ट में बाहरी और आंतरिक झिल्ली और अपने स्वयं के डीएनए होते हैं। एक आंतरिक झिल्ली से घिरे हुए स्थान के अंदर थायलाकोइड्स नामक परस्पर, स्तरित और द्रव से भरे झिल्लीदार पाउच का वर्गीकरण होता है। थायलाकोइड्स का प्रत्येक "स्टैक" एक ग्रेनम (बहुवचन: ग्रेना) बनाता है। कणिका को घेरने वाली आंतरिक झिल्ली के भीतर के द्रव को स्ट्रोमा कहा जाता है।

क्लोरोप्लास्ट में क्लोरोफिल नामक एक वर्णक होता है जो दोनों पौधों को उनके हरे रंग का रंग देता है और प्रकाश संश्लेषण के लिए सूर्य के प्रकाश के संग्राहक के रूप में कार्य करता है। प्रकाश संश्लेषण के लिए समीकरण कोशिकीय श्वसन के बिल्कुल विपरीत है, लेकिन प्राप्त करने के लिए अलग-अलग चरण ग्लूकोज के लिए कार्बन डाइऑक्साइड किसी भी तरह से इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला, क्रेब्स चक्र और की विपरीत प्रतिक्रियाओं के समान नहीं है ग्लाइकोलाइसिस

इस प्रक्रिया में, जिसे ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड (टीसीए) चक्र या साइट्रिक एसिड चक्र भी कहा जाता है, पाइरूवेट अणुओं को पहले एसिटाइल कोएंजाइम ए (एसिटाइल सीओए) नामक दो-कार्बन अणुओं में परिवर्तित किया जाता है। इससे CO. का एक अणु निकलता है₂. एसिटाइल सीओए अणु तब माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में प्रवेश करते हैं, जहां उनमें से प्रत्येक साइट्रिक एसिड बनाने के लिए ऑक्सालोसेटेट के चार-कार्बन अणु के साथ जुड़ता है। इस प्रकार, यदि आप सावधानीपूर्वक लेखांकन कर रहे हैं, तो ग्लूकोज के एक अणु के परिणामस्वरूप क्रेब्स चक्र की शुरुआत में साइट्रिक एसिड के दो अणु होते हैं।

साइट्रिक एसिड, एक छह-कार्बन अणु, को आइसोसाइट्रेट में पुनर्व्यवस्थित किया जाता है, और फिर एक कार्बन परमाणु को केटोग्लूटारेट बनाने के लिए सीओ के साथ हटा दिया जाता है₂ चक्र से बाहर निकलना। बदले में केटोग्लूटारेट एक और कार्बन परमाणु से छीन लिया जाता है, जिससे एक और सीओ उत्पन्न होता है₂ और उत्तराधिकारी और एटीपी का एक अणु भी बनाते हैं। वहां से, चार-कार्बन सक्सेनेट अणु क्रमिक रूप से फ्यूमरेट, मैलेट और ऑक्सालोसेटेट में बदल जाता है। इन प्रतिक्रियाओं में इन अणुओं से हाइड्रोजन आयनों को हटा दिया जाता है और एनएडीएच और एफएडीएच बनाने के लिए उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन वाहक एनएडी + और एफएडी + पर हमला किया जाता है।₂ क्रमशः, जो अनिवार्य रूप से भेस में ऊर्जा "सृजन" है, जैसा कि आप जल्द ही देखेंगे। क्रेब्स चक्र के अंत में, मूल ग्लूकोज अणु ने 10 NADH और दो FADH को जन्म दिया है।₂ अणु।

क्रेब्स चक्र की प्रतिक्रियाएं मूल ग्लूकोज अणु प्रति एटीपी के केवल दो अणु उत्पन्न करती हैं, चक्र के प्रत्येक "मोड़" के लिए एक। इसका मतलब है कि ग्लाइकोलाइसिस में उत्पादित दो एटीपी के अलावा, क्रेब्स चक्र के बाद, परिणाम कुल चार एटीपी होता है। लेकिन एरोबिक श्वसन के वास्तविक परिणाम अभी इस स्तर पर सामने नहीं आए हैं।

इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला, जो आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली के क्राइस्ट पर होती है, सेलुलर श्वसन में पहला कदम है जो स्पष्ट रूप से ऑक्सीजन पर निर्भर करती है। NADH और FADH₂ क्रेब्स चक्र में उत्पादित अब एक प्रमुख तरीके से ऊर्जा रिलीज में योगदान करने के लिए तैयार हैं।

ऐसा होता है कि इन इलेक्ट्रॉन वाहक अणुओं (एक हाइड्रोजन आयन कर सकते हैं) पर संग्रहीत हाइड्रोजन आयन वर्तमान उद्देश्यों, श्वसन के इस भाग में इसके योगदान के संदर्भ में एक इलेक्ट्रॉन जोड़ी के रूप में माना जाता है) का उपयोग किया जाता है एक बनाने के रसायन परासरणी प्रवणता. आपने शायद एक सांद्रण प्रवणता के बारे में सुना होगा, जिसमें अणु उच्च सांद्रता वाले क्षेत्रों से. की ओर प्रवाहित होते हैं कम सांद्रता वाले क्षेत्र, जैसे पानी में घुलने वाली चीनी का घन और चीनी के कण बिखर जाते हैं भर में। एक रसायन परासरणी प्रवणता में, तथापि, NADH और FADH. से इलेक्ट्रॉन₂ झिल्ली में एम्बेडेड प्रोटीन के साथ हवा का प्रवाह और इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण प्रणाली के रूप में कार्य करना। इस प्रक्रिया में जारी ऊर्जा का उपयोग झिल्ली में हाइड्रोजन आयनों को पंप करने और इसके पार एक एकाग्रता ढाल बनाने के लिए किया जाता है। यह एक दिशा में हाइड्रोजन परमाणुओं के शुद्ध प्रवाह की ओर जाता है, और इस प्रवाह का उपयोग एटीपी सिंथेज़ नामक एक एंजाइम को शक्ति देने के लिए किया जाता है, जो एडीपी और पी से एटीपी बनाता है। इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के बारे में सोचें जो पानी के पहिये के पीछे पानी का एक बड़ा भार रखता है, जिसके बाद के घूर्णन का उपयोग चीजों को बनाने के लिए किया जाता है।

यह संयोगवश नहीं, वही प्रक्रिया है जिसका उपयोग क्लोरोप्लास्ट में ग्लूकोज संश्लेषण को शक्ति देने के लिए किया जाता है। क्लोरोप्लास्ट झिल्ली में ढाल बनाने के लिए ऊर्जा स्रोत इस मामले में एनएडीएच और एफएडीएच नहीं है₂, लेकिन धूप। कम H+ आयन सांद्रता की दिशा में हाइड्रोजन आयनों के बाद के प्रवाह का उपयोग CO से शुरू होने वाले छोटे से बड़े कार्बन अणुओं के संश्लेषण को शक्ति देने के लिए किया जाता है।₂ और C. के साथ समाप्त होता है₆एच₁₂हे₆.

केमोस्मोटिक ग्रेडिएंट से बहने वाली ऊर्जा का उपयोग न केवल एटीपी उत्पादन बल्कि प्रोटीन संश्लेषण जैसी अन्य महत्वपूर्ण सेलुलर प्रक्रियाओं को शक्ति देने के लिए किया जाता है। यदि इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला बाधित है (लंबे समय तक ऑक्सीजन की कमी के साथ), तो इस प्रोटॉन ढाल को बनाए नहीं रखा जा सकता है और सेलुलर ऊर्जा उत्पादन बंद हो जाता है, जैसे पानी का पहिया बहना बंद हो जाता है, जब उसके चारों ओर के पानी में दबाव-प्रवाह नहीं रह जाता है ढाल।

क्योंकि प्रत्येक एनएडीएच अणु को प्रयोगात्मक रूप से एटीपी और प्रत्येक एफएडीएच के लगभग तीन अणुओं का उत्पादन करने के लिए दिखाया गया है₂ एटीपी के दो अणुओं का उत्पादन करता है, इलेक्ट्रॉन-परिवहन श्रृंखला प्रतिक्रिया द्वारा जारी कुल ऊर्जा है (पिछले खंड का जिक्र करते हुए) १० गुना ३ (एनएडीएच के लिए) प्लस २ गुना २ (एफएडीएच के लिए)₂) कुल 34 एटीपी के लिए। इसे ग्लाइकोलाइसिस से 2 एटीपी और क्रेब्स चक्र से 2 में जोड़ें, और यहीं से एरोबिक श्वसन के समीकरण में 38 एटीपी का आंकड़ा आता है।