एरोबिक श्वसन, एक शब्द जिसे अक्सर "सेलुलर श्वसन" के साथ एक दूसरे के स्थान पर इस्तेमाल किया जाता है, जीवित चीजों के लिए एक अद्भुत उच्च उपज तरीका है ऑक्सीजन की उपस्थिति में कार्बन यौगिकों के रासायनिक बंधों में संग्रहीत ऊर्जा निकालें, और इस निकाली गई ऊर्जा को चयापचय में उपयोग करें प्रक्रियाएं। यूकेरियोटिक जीव (यानी, जानवर, पौधे और कवक) सभी एरोबिक श्वसन का उपयोग करते हैं, मुख्य रूप से माइटोकॉन्ड्रिया नामक सेलुलर ऑर्गेनेल की उपस्थिति के लिए धन्यवाद। कुछ प्रोकैरियोटिक जीव (यानी, बैक्टीरिया) अधिक अल्पविकसित एरोबिक-श्वसन मार्गों का उपयोग करते हैं, लेकिन सामान्य तौर पर, जब आप "एरोबिक श्वसन" देखते हैं, तो आपको "बहुकोशिकीय यूकेरियोटिक" सोचना चाहिए जीव।"
लेकिन आपके दिमाग में बस इतना ही नहीं कूदना चाहिए। एरोबिक श्वसन के बुनियादी रासायनिक मार्गों के बारे में आपको जो कुछ जानने की आवश्यकता है, वह आपको बताता है, ऐसा क्यों है प्रतिक्रियाओं का इतना आवश्यक सेट, और यह सब कैसे जैविक और भूवैज्ञानिक के दौरान शुरू हुआ इतिहास।
एरोबिक श्वसन का रासायनिक सारांश
सभी सेलुलर पोषक तत्व चयापचय ग्लूकोज के अणुओं से शुरू होता है। यह छह-कार्बन चीनी तीनों मैक्रोन्यूट्रिएंट वर्गों (कार्बोहाइड्रेट, प्रोटीन और वसा) में खाद्य पदार्थों से प्राप्त की जा सकती है, हालांकि ग्लूकोज स्वयं एक साधारण कार्बोहाइड्रेट है। ऑक्सीजन की उपस्थिति में, ग्लूकोज कार्बन डाइऑक्साइड, पानी, गर्मी, उत्पन्न करने के लिए लगभग 20 प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला में रूपांतरित और टूट जाता है। और एडेनोसाइन ट्राइफॉस्फेट (एटीपी) के 36 या 38 अणु, सभी जीवित चीजों में कोशिकाओं द्वारा सबसे अधिक बार उपयोग किए जाने वाले अणु के प्रत्यक्ष स्रोत के रूप में ईंधन। एरोबिक श्वसन द्वारा उत्पादित एटीपी की मात्रा में भिन्नता इस तथ्य को दर्शाती है कि पौधे कोशिका कभी-कभी एक ग्लूकोज अणु से 38 एटीपी निचोड़ते हैं, जबकि पशु कोशिकाएं 36 एटीपी प्रति ग्लूकोज उत्पन्न करती हैं अणु यह एटीपी मुक्त फॉस्फेट अणुओं (पी) और एडीनोसिन डिपोस्फेट (एडीपी) के संयोजन से आता है, जिसमें लगभग सभी यह इलेक्ट्रॉन परिवहन की प्रतिक्रियाओं में एरोबिक श्वसन के बहुत बाद के चरणों में होता है जंजीर।
एरोबिक श्वसन का वर्णन करने वाली पूरी रासायनिक प्रतिक्रिया है:
सी6एच12हे6 + 36 (या 38) एडीपी + 36 (या 38) पी + 6O2 → 6CO2 + 6H2ओ + 420 किलो कैलोरी + 36 (या 38) एटीपी।
जबकि प्रतिक्रिया स्वयं इस रूप में काफी सीधी दिखाई देती है, यह उन कई कदमों को झुठलाती है जो इसे प्राप्त करने के लिए लेते हैं समीकरण के बाईं ओर (अभिकारक) दाईं ओर (उत्पाद, जिसमें मुक्त 420 किलोकलरीज शामिल हैं) तपिश)। परंपरा के अनुसार, प्रतिक्रियाओं के पूरे संग्रह को तीन भागों में विभाजित किया जाता है, जहां हर एक होता है: ग्लाइकोलाइसिस (साइटोप्लाज्म), क्रेब्स चक्र (माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स) और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला (आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल) झिल्ली)। हालांकि, इन प्रक्रियाओं की विस्तार से खोज करने से पहले, यह देखें कि पृथ्वी पर एरोबिक श्वसन कैसे शुरू हुआ, क्रम में है।
पृथ्वी की उत्पत्ति या एरोबिक श्वसन
एरोबिक श्वसन का कार्य कोशिकाओं और ऊतकों की मरम्मत, वृद्धि और रखरखाव के लिए ईंधन की आपूर्ति करना है। यह कुछ हद तक औपचारिक तरीका है कि एरोबिक श्वसन यूकेरियोटिक जीवों को जीवित रखता है। आप भोजन के बिना कई दिन और ज्यादातर मामलों में पानी के बिना कम से कम कुछ दिनों तक रह सकते हैं, लेकिन ऑक्सीजन के बिना केवल कुछ मिनट।
ऑक्सीजन (O) सामान्य वायु में अपने द्विपरमाणुक रूप में पाई जाती है, O2. इस तत्व की खोज, कुछ अर्थों में, १६०० के दशक में हुई, जब वैज्ञानिकों को यह स्पष्ट हो गया कि हवा में एक तत्व है जानवरों के अस्तित्व के लिए महत्वपूर्ण, एक जिसे बंद वातावरण में लौ से या लंबी अवधि में, द्वारा समाप्त किया जा सकता है श्वास।
आप जिस गैस में सांस लेते हैं, उसके मिश्रण का लगभग पांचवां हिस्सा ऑक्सीजन से बनता है। लेकिन ग्रह के ४.५ अरब साल के इतिहास में हमेशा ऐसा नहीं था, और इसमें बदलाव था समय के साथ पृथ्वी के वायुमंडल में ऑक्सीजन की मात्रा का जैविक पर गहरा प्रभाव पड़ा है क्रमागत उन्नति। ग्रह के वर्तमान जीवनकाल की पहली छमाही के लिए, वहाँ था नहीं न हवा में ऑक्सीजन। 1.7 अरब साल पहले तक, वायुमंडल में 4 प्रतिशत ऑक्सीजन था, और एककोशिकीय जीव प्रकट हुए थे। 0.7 अरब साल पहले तक, O2 हवा के 10 से 20 प्रतिशत के बीच बना है, और बड़े, बहुकोशिकीय जीव उभरे हैं। ३०० मिलियन वर्ष पहले, ऑक्सीजन की मात्रा ३५ प्रतिशत हवा तक बढ़ गई थी, और तदनुसार, डायनासोर और अन्य बहुत बड़े जानवर आदर्श थे। बाद में, O. द्वारा आयोजित हवा का हिस्सा2 15 प्रतिशत तक गिरकर फिर से उस स्थान पर पहुंच गया जहां वह आज है।
अकेले इस पैटर्न को ट्रैक करने से यह स्पष्ट हो जाता है कि वैज्ञानिक रूप से अत्यधिक संभावना है कि ऑक्सीजन का अंतिम कार्य जानवरों को बड़ा करना है।
ग्लाइकोलाइसिस: एक सार्वभौमिक प्रारंभिक बिंदु
ग्लाइकोलाइसिस की 10 प्रतिक्रियाओं को आगे बढ़ने के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता नहीं होती है, और ग्लाइकोलाइसिस कुछ हद तक सभी जीवित चीजों में होता है, प्रोकैरियोटिक और यूकेरियोटिक दोनों। लेकिन ग्लाइकोलाइसिस सेलुलर श्वसन की विशिष्ट एरोबिक प्रतिक्रियाओं के लिए एक आवश्यक अग्रदूत है, और यह आमतौर पर इनके साथ वर्णित है।
एक बार ग्लूकोज, एक हेक्सागोनल रिंग संरचना के साथ एक छह-कार्बन अणु, एक कोशिका के साइटोप्लाज्म में प्रवेश करता है, यह तुरंत फॉस्फोराइलेटेड होता है, जिसका अर्थ है कि इसके कार्बन में से एक फॉस्फेट समूह जुड़ा हुआ है। यह प्रभावी रूप से कोशिका के अंदर ग्लूकोज अणु को शुद्ध नकारात्मक चार्ज देकर फँसाता है। अणु को फिर से फॉस्फोराइलेटेड फ्रुक्टोज में पुनर्व्यवस्थित किया जाता है, बिना किसी नुकसान या परमाणुओं के लाभ के, इससे पहले कि अणु में एक और फॉस्फेट जोड़ा जाता है। यह अणु को अस्थिर करता है, जो तब तीन-कार्बन यौगिकों की एक जोड़ी में टूट जाता है, उनमें से प्रत्येक अपने स्वयं के फॉस्फेट से जुड़ा होता है। इनमें से एक दूसरे में बदल जाता है, और फिर, चरणों की एक श्रृंखला में, दो तीन-कार्बन अणु 2 एटीपी उत्पन्न करने के लिए एडीपी (एडेनोसिन डिपोस्फेट) के अणुओं को अपना फॉस्फेट छोड़ देते हैं। मूल छह-कार्बन ग्लूकोज अणु पाइरूवेट नामक तीन-कार्बन अणु के दो अणुओं के रूप में हवा करता है, और इसके अलावा, एनएडीएच (बाद में विस्तार से चर्चा की गई) के दो अणु उत्पन्न होते हैं।
क्रेब्स साइकिल
पाइरूवेट, ऑक्सीजन की उपस्थिति में, सेलुलर ऑर्गेनेल के मैट्रिक्स ("मध्य" सोचें) में चला जाता है माइटोकॉन्ड्रिया कहा जाता है और इसे दो-कार्बन यौगिक में परिवर्तित किया जाता है, जिसे एसिटाइल कोएंजाइम ए (एसिटाइल) कहा जाता है सीओए)। इस प्रक्रिया में, कार्बन डाइऑक्साइड का एक अणु (CO .)2). इस प्रक्रिया में, NAD. का एक अणु+ (एक तथाकथित उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन वाहक) NADH में परिवर्तित हो जाता है।
क्रेब्स चक्र, जिसे साइट्रिक एसिड चक्र या ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड चक्र भी कहा जाता है, को प्रतिक्रिया के बजाय एक चक्र के रूप में जाना जाता है। क्योंकि इसके उत्पादों में से एक, चार-कार्बन अणु ऑक्सालोसेटेट, के अणु के साथ संयोजन करके चक्र की शुरुआत में फिर से प्रवेश करता है एसिटाइल कोआ। इसका परिणाम साइट्रेट नामक छह-कार्बन अणु में होता है। इस अणु को एंजाइमों की एक श्रृंखला द्वारा अल्फा-केटोग्लूटारेट नामक पांच-कार्बन यौगिक में हेरफेर किया जाता है, जो बाद में एक और कार्बन खो देता है जिससे कि सक्सेनेट हो सके। हर बार जब कोई कार्बन खोता है, तो वह CO. के रूप में होता है2, और क्योंकि ये प्रतिक्रियाएं ऊर्जावान रूप से अनुकूल हैं, प्रत्येक कार्बन डाइऑक्साइड हानि दूसरे NAD another के रूपांतरण के साथ होती है+ एनएडी को। सक्सेनेट के बनने से एटीपी का एक अणु भी बनता है।
सक्सेनेट को फ्यूमरेट में परिवर्तित किया जाता है, जिससे FADH का एक अणु उत्पन्न होता है2 FAD. से2+ (NAD. के समान एक इलेक्ट्रॉन वाहक)+ समारोह में)। यह मैलेट में परिवर्तित हो जाता है, एक और एनएडीएच उत्पन्न करता है, जिसे बाद में ऑक्सालोसेटेट में बदल दिया जाता है।
यदि आप स्कोर रख रहे हैं, तो आप 3 NADH, 1 FADH. की गणना कर सकते हैं2 और क्रेब्स चक्र के 1 एटीपी प्रति मोड़। लेकिन ध्यान रखें कि प्रत्येक ग्लूकोज अणु चक्र में प्रवेश के लिए एसिटाइल सीओए के दो अणुओं की आपूर्ति करता है, इसलिए संश्लेषित इन अणुओं की कुल संख्या 6 एनएडीएच, 2 एफएडीएच है।2 और 2 एटीपी। इस प्रकार क्रेब्स चक्र सीधे अधिक ऊर्जा उत्पन्न नहीं करता है - केवल 2 एटीपी प्रति ग्लूकोज की आपूर्ति की गई ग्लूकोज के अणु - और किसी भी ऑक्सीजन की आवश्यकता नहीं है। लेकिन NADH और FADH2 के लिए महत्वपूर्ण हैं ऑक्सीडेटिव फाृॉस्फॉरिलेशन प्रतिक्रियाओं की अगली श्रृंखला में कदम, सामूहिक रूप से इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला कहा जाता है।
इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला
NADH और FADH. के विभिन्न अणु2 सेलुलर श्वसन के पूर्ववर्ती चरणों में बनाए गए इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में उपयोग के लिए तैयार हैं, जो कि क्राइस्टे नामक आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली की परतों में होता है। संक्षेप में, NAD. से जुड़े उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन+ और FAD2+ झिल्ली में एक प्रोटॉन ढाल बनाने के लिए उपयोग किया जाता है। इसका सीधा सा मतलब है कि प्रोटॉन की उच्च सांद्रता है (H .)+ आयन) दूसरी तरफ की तुलना में झिल्ली के एक तरफ, इन आयनों को उच्च प्रोटॉन सांद्रता वाले क्षेत्रों से कम प्रोटॉन सांद्रता वाले क्षेत्रों में प्रवाहित करने के लिए एक प्रोत्साहन बनाते हैं। इस तरह, प्रोटॉन पानी की तुलना में थोड़ा अलग व्यवहार करते हैं, कहते हैं, पानी जो "चाहता है" उच्च ऊंचाई वाले क्षेत्र से निचले क्षेत्र में स्थानांतरित हो जाता है एकाग्रता - यहाँ, इलेक्ट्रॉन परिवहन में देखे गए तथाकथित रसायन-परासरणी प्रवणता के बजाय गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में जंजीर।
एक जलविद्युत संयंत्र में एक टरबाइन की तरह बहते पानी की ऊर्जा का उपयोग कहीं और काम करने के लिए करता है (उस स्थिति में, बिजली उत्पन्न करें), प्रोटॉन द्वारा स्थापित कुछ ऊर्जा एटीपी उत्पन्न करने के लिए एडीपी अणुओं को मुक्त फॉस्फेट समूहों (पी) को संलग्न करने के लिए झिल्ली के पार ढाल को पकड़ लिया जाता है, एक प्रक्रिया जिसे फॉस्फोराइलेशन कहा जाता है (और इस उदाहरण में, ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण)। वास्तव में, यह इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में बार-बार होता है, जब तक कि सभी NADH और FADH2 ग्लाइकोलाइसिस और क्रेब्स चक्र से - पूर्व के लगभग 10 और बाद के दो - का उपयोग किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप प्रति ग्लूकोज अणु में एटीपी के लगभग 34 अणुओं का निर्माण होता है। चूंकि ग्लाइकोलाइसिस और क्रेब्स चक्र प्रत्येक ग्लूकोज अणु में 2 एटीपी उत्पन्न करते हैं, कम से कम आदर्श परिस्थितियों में, यदि ऊर्जा जारी की जाती है, तो कुल राशि 34 + 2 + 2 = 38 एटीपी है।
इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में तीन अलग-अलग बिंदु होते हैं जिन पर प्रोटॉन आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली को पार कर सकते हैं और इसके बीच की जगह में प्रवेश कर सकते हैं बाद में और बाहरी माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली, और चार अलग आणविक परिसरों (संख्या I, II, III और IV) जो कि भौतिक लंगर बिंदु बनाते हैं जंजीर।
इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला को ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है क्योंकि O2 श्रृंखला में अंतिम इलेक्ट्रॉन-युग्म स्वीकर्ता के रूप में कार्य करता है। यदि कोई ऑक्सीजन मौजूद नहीं है, तो श्रृंखला में प्रतिक्रियाएं जल्दी बंद हो जाती हैं क्योंकि इलेक्ट्रॉनों का "डाउनस्ट्रीम" प्रवाह बंद हो जाता है; उन्हें कहीं नहीं जाना है। इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला को पंगु बनाने वाले पदार्थों में साइनाइड (CN .) है-). यही कारण है कि आपने सायनाइड को घातक ज़हर के रूप में हत्या के शो या जासूसी फिल्मों में देखा होगा; जब इसे पर्याप्त मात्रा में दिया जाता है, प्राप्तकर्ता के भीतर एरोबिक श्वसन बंद हो जाता है, और इसके साथ, जीवन ही।
पौधों में प्रकाश संश्लेषण और एरोबिक श्वसन
अक्सर यह माना जाता है कि पौधे कार्बन डाइऑक्साइड से ऑक्सीजन बनाने के लिए प्रकाश संश्लेषण से गुजरते हैं, जबकि जानवर इसका उपयोग करते हैं ऑक्सीजन से कार्बन डाइऑक्साइड उत्पन्न करने के लिए श्वसन, जिससे एक स्वच्छ पारिस्थितिकी तंत्र को व्यापक, पूरक बनाए रखने में मदद मिलती है संतुलन। जबकि यह सतह पर सच है, यह भ्रामक है, क्योंकि पौधे प्रकाश संश्लेषण और एरोबिक श्वसन दोनों का उपयोग करते हैं।
चूँकि पौधे खा नहीं सकते, इसलिए उन्हें अपना भोजन निगलने के बजाय बनाना चाहिए। यह वह है जो प्रकाश संश्लेषण, जीवों में होने वाली प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला है जिसमें क्लोरोप्लास्ट नामक जीवों की कमी होती है। सूर्य के प्रकाश द्वारा संचालित, CO2 माइटोकॉन्ड्रिया में इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के समान चरणों की एक श्रृंखला में पादप कोशिका के अंदर क्लोरोप्लास्ट के अंदर ग्लूकोज में इकट्ठा किया जाता है। तब ग्लूकोज को क्लोरोप्लास्ट से मुक्त किया जाता है; सबसे अधिक यदि यह पौधे का एक संरचनात्मक भाग बन जाता है, लेकिन कुछ ग्लाइकोलाइसिस से गुजरते हैं और फिर प्लांट सेल माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश करने के बाद बाकी एरोबिक श्वसन के माध्यम से आगे बढ़ते हैं।
