माध्यमिक जीवविज्ञान · Grades 10–12

31कोशिकीय श्वसन और किण्वन

किसी मैराथन धावक की पेशियाँ साढ़े तीन घंटों पर हर मिनट लगभग आधा मोल ATP ख़र्च करती हैं — यानी उस अणु का एक चौथाई किलोग्राम, जो ऐसे भंडार से हज़ारों बार बनाया, इस्तेमाल किया और दोबारा बनाया जाता है जो पाँच सेकंड चलता। उनमें से हर ATP अणु की क़ीमत कोई ग्लूकोज या कोई वसीय अम्ल चुकाता है, जिसे परमाणु दर परमाणु तोड़ा जाता है, और वह ऑक्सीजन अणु भी जो शुरू में साँस के साथ भीतर लिया जाता है और आख़िर में पानी की तरह बाहर। अध्याय 4 ने संतुलन दिया था; यह अध्याय सूत्रकणिका खोलता है और उन तीन चरणों से होकर ग्लूकोज का पीछा करता है जो उसकी ऊर्जा को ATP में बदलते हैं — और दिखाता है कि ऑक्सीजन चुक जाए तो कोई कोशिका क्या करती है।

31.1 ATP, वह मुद्रा

परिभाषा 31.1 (ATP)

ATP (एडिनोसीन ट्राइफ़ॉस्फ़ेट) एक न्यूक्लियोटाइड है जो क़तार में तीन फ़ॉस्फ़ेट समूह ढोता है। आख़िरी को हटाने पर कोशिका की परिस्थितियों में प्रति मोल लगभग $30\,\mathrm{kJ}$ छूटते हैं, और कोशिका की हर ऊर्जा माँगती प्रक्रिया — संकुचन, परिवहन, संश्लेषण, किसी जुगनू की रोशनी — उसी हटाव से चलती है। उसका उत्पाद, ADP, इस अध्याय की अभिक्रियाओं से दोबारा ATP में चार्ज होता है। कोई कोशिका कुछ ही सेकंड लायक़ ATP थामती है और उसे लगातार पलटती रहती है; और विश्राम करता कोई मनुष्य एक दिन में लगभग अपने ही शरीर के द्रव्यमान भर ATP पुनर्चक्रित करता है।

प्रतिज्ञप्ति 31.2 (ऊर्जा कहाँ है)

ग्लूकोज अपने कार्बन–हाइड्रोजन बंधों में ऊर्जा जमा रखता है; और उसे छोड़ने का मतलब है उस हाइड्रोजन को, उसके इलेक्ट्रॉनों समेत, ऑक्सीजन तक पहुँचाना — यानी ग्लूकोज को कार्बन डाइऑक्साइड तक ऑक्सीकृत करना और ऑक्सीजन को पानी तक अपचयित। किसी लौ की तरह एक ही क़दम में किया जाए तो वह ऊर्जा ऊष्मा की तरह निकल जाती। कोशिका उसे दर्जनों छोटे क़दमों में करती है, जिनमें से हर एक कोई एंजाइम चलाता है, और उनमें से कई पर ऊर्जा का एक हिस्सा पकड़ लेती है: वह हाइड्रोजन पहले वाहक अणुओं — यानी अपचयित NAD — पर लादा जाता है, और केवल आख़िर में ऑक्सीजन को सौंपा जाता है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

31.2 तीन चरण

प्रतिज्ञप्ति 31.3 (ग्लाइकोलिसिस)

कोशिकाद्रव्य में, बिना ऑक्सीजन के, कोई ग्लूकोज (छह कार्बन) दस एंजाइम क़दमों से पाइरुवेट (हर एक तीन कार्बन) के दो अणुओं में चीर दिया जाता है: यानी ग्लाइकोलिसिस। संतुलन: शुरू करने को दो ATP खपे, चार बने, यानी 2 ATP का शुद्ध लाभ, और हाइड्रोजन से लदे दो अपचयित NAD। वह पाइरुवेट अब भी ग्लूकोज की अधिकांश ऊर्जा थामे है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

प्रतिज्ञप्ति 31.4 (सूत्रकणिका उस ऑक्सीकरण को पूरा करती है)

ऑक्सीजन उपलब्ध हो तो पाइरुवेट सूत्रकणिका में घुसता है, जो दो झिल्लियों से घिरा एक कोशिकांग है, और जिसकी भीतरी झिल्ली क्रिस्टी में मुड़ी है तथा तरल आधात्री को घेरती है।

आधात्री में हर पाइरुवेट अभिक्रियाओं के एक चक्र में, यानी क्रेब्स चक्र में, तोड़ा जाता है: उसके तीनों कार्बन तीन $\mathrm{CO_2}$ की तरह निकलते हैं, उसका हाइड्रोजन वाहकों पर लादा जाता है (अपचयित NAD और एक दूसरा वाहक), और थोड़ा ATP सीधे बनता है — प्रति पाइरुवेट एक।
भीतरी झिल्ली में वे लदे वाहक अपने इलेक्ट्रॉन प्रोटीनों की एक शृंखला को सौंपते हैं, यानी श्वसन शृंखला को, जो उन्हें नीचे ऑक्सीजन तक पहुँचाती है, और वह प्रोटॉनों से जुड़कर पानी बनाती है। उस शृंखला पर छूटती ऊर्जा प्रोटॉनों को उस झिल्ली के पार पंप करती है, और किसी घूमते एंजाइम से होकर उनकी वापसी ATP का संश्लेषण चलाती है — यानी प्रति ग्लूकोज लगभग 26।

एक ग्लूकोज के लिए कुल: लगभग 30 ATP (2 ग्लाइकोलिसिस से, 2 उस चक्र से, कोई 26 उस शृंखला से), छह $\mathrm{CO_2}$ छोड़ी गईं, छह $\mathrm{O_2}$ खपीं, और $2870\,\mathrm{kJ}$ का बाक़ी हिस्सा ऊष्मा की तरह।

साक्ष्य. किसी बंद कक्ष में ऑक्सीजन जाँच के साथ रखी अलग की गई सूत्रकणिकाएँ ग्लूकोज देने पर कोई ऑक्सीजन नहीं खपातीं, पर पाइरुवेट देने पर उसे तेज़ी से खपाती हैं — यानी सूत्रकणिका ग्लूकोज से शुरू नहीं कर सकती; कोशिकाद्रव्य को करना पड़ता है। श्वसन शृंखला का कोई ज़हर (साइनाइड) जोड़ने पर वह खपत तुरंत रुक जाती है, चाहे कोई भी क्रियाधार मौजूद हो। ADP जोड़ने पर वह खपत तेज़ होती है और उसके चुकने पर धीमी: यानी ऑक्सीजन का इस्तेमाल ATP संश्लेषण से जुड़ा है। और किसी हमिंगबर्ड की उड़ान पेशी या किसी मैराथन धावक की जाँघ की सूत्रकणिकाओं में क्रिस्टी किसी विश्राम करते ऊतक से कई गुना सघन भरी होती हैं। ∎

इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में एक सूत्रकणिका। भीतरी झिल्ली क्रिस्टी में मुड़ी है, जो श्वसन शृंखला और ATP बनाता एंजाइम ढोती हैं; और उनके बीच का तरल, यानी आधात्री, क्रेब्स चक्र चलाता है।

श्वसन के तीनों चरण, और किण्वन वाला छोटा रास्ता। कोशिकाद्रव्य में ग्लाइकोलिसिस दो ATP तथा दो पाइरुवेट देता है; सूत्रकणिका में क्रेब्स चक्र उन्हें छीलकर कार्बन डाइऑक्साइड तक ले जाता है और वाहक लाद देता है, जिन्हें श्वसन शृंखला ऑक्सीजन पर उतारती है तथा अधिकांश ATP बनाती है। बिना ऑक्सीजन के पाइरुवेट किण्वन की ओर मोड़ दिया जाता है, जो आगे कुछ नहीं देता।

उदाहरण 31.5 (कोई ऑक्सीजन लेखा पढ़ना)

कक्ष में अलग की गई सूत्रकणिकाएँ: ऑक्सीजन $8\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ पर ठहरी रहती है; ग्लूकोज जोड़ा जाता है, कुछ नहीं; पाइरुवेट जोड़ा जाता है, ऑक्सीजन प्रति मिनट $0.5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ की दर से गिरती है; ADP जोड़ा जाता है, वह गिरावट कुछ देर के लिए प्रति मिनट $1.5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ तक तीखी हो जाती है, फिर $0.5$ पर लौट आती है; साइनाइड जोड़ा जाता है, वह गिरावट रुक जाती है। एक ही लेखे में चार तथ्य: सूत्रकणिका को पाइरुवेट चाहिए, ग्लूकोज नहीं; ऑक्सीजन का इस्तेमाल ATP संश्लेषण से जुड़ा है; वह जुड़ाव उसी शृंखला से होकर है जिसे साइनाइड रोकता है; और बिना काम की सूत्रकणिका सुस्त पड़ी रहती है।

अलग की गई सूत्रकणिकाओं की ऑक्सीजन खपत। ग्लूकोज कुछ नहीं करता; पाइरुवेट वह खपत शुरू करता है; ADP उसे तब तक तेज़ करता है जब तक वह ADP चुक न जाए; और साइनाइड, जो श्वसन शृंखला रोकता है, उसे बंद कर देता है।

31.3 बिना ऑक्सीजन के: किण्वन

प्रतिज्ञप्ति 31.6 (किण्वन वाहक दोबारा बना देता है)

ग्लाइकोलिसिस प्रति ग्लूकोज दो NAD वाहक लाद देता है; और ऑक्सीजन के साथ वह सूत्रकणिका उन्हें उतार देती है। बिना ऑक्सीजन के वे सारे वाहक सेकंडों के भीतर लदे रह जाते और ग्लाइकोलिसिस रुक जाता। किण्वन कोशिकाद्रव्य का उन्हें उतारने का ढंग है: वह पाइरुवेट ख़ुद वह हाइड्रोजन ले लेता है और या तो लैक्टेट बन जाता है (पेशी कोशिकाएँ, दूध के जीवाणु) या, कोई $\mathrm{CO_2}$ खोने के बाद, इथेनॉल (ख़मीर)। आगे कोई ATP नहीं बनता; पैदावार ग्लाइकोलिसिस के वही 2 ATP हैं, यानी श्वसन से कोई पंद्रह गुना कम, और वह उत्पाद — लैक्टेट या इथेनॉल — अब भी ग्लूकोज की अधिकांश ऊर्जा थामे है।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

प्रति ग्लूकोज ATP पैदावार। अकेला ग्लाइकोलिसिस, अपने वाहक को दोबारा बनाने के लिए किण्वन के साथ, 2 देता है; क्रेब्स चक्र सीधे 2 और जोड़ता है; और श्वसन शृंखला, जिसे ऑक्सीजन चाहिए, बाक़ी 26 जोड़ती है।

उदाहरण 31.7 (पेशी का चुनाव)

किसी फ़र्राटा धावक के पेशी तंतु को ATP उससे तेज़ चाहिए जितना उसकी सूत्रकणिकाएँ तथा उसकी ऑक्सीजन आपूर्ति बना सकें; लैक्टिक किण्वन वाला ग्लाइकोलिसिस ATP तीन गुना तेज़ पहुँचाता है, और वह भी पंद्रह गुनी ग्लूकोज क़ीमत पर, तथा लैक्टेट तब तक जमा होता है जब तक दर्द उस मेहनत को रोक न दे। किसी मैराथन धावक के तंतु श्वसन पर चलते हैं, धीरे और लगभग अनिश्चित काल तक, और ग्लूकोज के साथ वसा भी जलाते हैं; उसकी सूत्रकणिकाएँ बड़ी तथा अधिक हैं, उसकी केशिकाएँ सघन हैं, और उसका लैक्टेट नीचा रहता है। अध्याय 9 के तंतु प्रकार यही दो रणनीतियाँ हैं, जो कोशिकाओं में गढ़ी हैं।

विधि 31.8 (किसी ऊर्जा बजट का संतुलन)

ज़रूरी शक्ति को ATP में बदलिए: प्रति मोल ATP लगभग $30\,\mathrm{kJ}$ काम आती ऊर्जा पर, $1\,\mathrm{kW}$ उपापचयी शक्ति प्रति मिनट $2\,\mathrm{mol}$ ATP है।
ATP को ईंधन में बदलिए: श्वसन में प्रति ग्लूकोज 30 ATP, किण्वन में 2।
ईंधन को ऑक्सीजन में बदलिए: श्वसित प्रति ग्लूकोज 6 $\mathrm{O_2}$ , और प्रति मोल गैस $24\,\mathrm{L}$ ।
ज़रूरी ऑक्सीजन की तुलना उससे कीजिए जो रक्त पहुँचाता है (अध्याय 8): वह कमी किण्वन पूरी करता है, अपने लैक्टेट के साथ।

टिप्पणी 31.9 (प्रकाशसंश्लेषण का दर्पण)

प्रकाशसंश्लेषण प्रकाश से पानी के इलेक्ट्रॉन वाहकों पर लादता है और उनसे कार्बन डाइऑक्साइड को शर्करा में अपचयित करता है, तथा ऑक्सीजन छोड़ता है; जबकि श्वसन शर्करा से इलेक्ट्रॉन वाहकों पर उतारता है और उन्हें ऑक्सीजन तक पहुँचाता है, जिससे पानी बनता और कार्बन डाइऑक्साइड छूटती है, तथा उस ऊर्जा से ATP बनाता है। दोनों को ऐसे कोशिकांग चलाते हैं जो कभी दोनों ही मुक्त जीवाणु थे (अध्याय 24), जहाँ हरितलवक वही जुटाता है जो सूत्रकणिका खपाती है; और मिलकर वे धूप को हर कोशिका की मुद्रा में बदल देते हैं, तथा वायुमंडल की ऑक्सीजन उनके हिसाब का बचा हुआ शेष है।

31.4 अभ्यास

अभ्यास 31.1 ★

ATP क्या है, और कोई कोशिका उसे इस्तेमाल करे तो क्या होता है?

हल

हल — अभ्यास 31.1.

क़तार में तीन फ़ॉस्फ़ेट वाला एक न्यूक्लियोटाइड, यानी कोशिका की ऊर्जा मुद्रा। उसे इस्तेमाल करना आख़िरी फ़ॉस्फ़ेट हटा देता है, जिससे किसी प्रक्रिया को चलाने के लिए प्रति मोल लगभग $30\,\mathrm{kJ}$ छूटते हैं, और पीछे ADP बचता है जिसे दोबारा चार्ज होना है।

अभ्यास 31.2 ★

श्वसन के तीनों चरणों का नाम लीजिए, हर एक कहाँ होता है, और हर एक क्या देता है।

हल

हल — अभ्यास 31.2.

कोशिकाद्रव्य में ग्लाइकोलिसिस: 2 ATP और 2 अपचयित NAD, तथा दो पाइरुवेट। सूत्रकणिका की आधात्री में क्रेब्स चक्र: कार्बन डाइऑक्साइड, लदे वाहक, 2 ATP। भीतरी झिल्ली में श्वसन शृंखला: वाहक ऑक्सीजन पर उतारे गए, पानी, और लगभग 26 ATP।

अभ्यास 31.3 ★

सूत्रकणिका का वर्णन कीजिए और बताइए कि उसके किस खाने में कौन-सा चरण चलता है।

हल

हल — अभ्यास 31.3.

दो झिल्लियाँ, जिनकी भीतरी क्रिस्टी में मुड़ी है और आधात्री को घेरे है। आधात्री: क्रेब्स चक्र। भीतरी झिल्ली: श्वसन शृंखला और ATP संश्लेषण।

अभ्यास 31.4 ★

किण्वन कोशिका के लिए क्या हासिल करता है, और वह क्या देता है?

हल

हल — अभ्यास 31.4.

वह ग्लाइकोलिसिस के अपचयित NAD को पाइरुवेट पर उतार देता है, ताकि ग्लाइकोलिसिस बिना ऑक्सीजन के चलता रह सके। पैदावार: केवल ग्लाइकोलिसिस के वही 2 ATP, तथा लैक्टेट या इथेनॉल और $\mathrm{CO_2}$ ।

अभ्यास 31.5 ★

श्वसन और किण्वन की ATP पैदावार की, और हर एक के आख़िर में बचे उत्पादों की, तुलना कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 31.5.

लगभग 30 ATP के सामने 2। श्वसन कार्बन डाइऑक्साइड तथा पानी छोड़ता है; और किण्वन लैक्टेट, या इथेनॉल तथा कार्बन डाइऑक्साइड, जो आज भी ऊर्जा में अमीर हैं।

अभ्यास 31.6 ★★

ऑक्सीजन लेखे से बताइए कि उन चारों जोड़ों में से हर एक क्या दिखाता है।

हल

हल — अभ्यास 31.6.

ग्लूकोज: कोई असर नहीं — सूत्रकणिकाएँ उसे इस्तेमाल नहीं कर सकतीं। पाइरुवेट: ऑक्सीजन खपत शुरू होती है — यानी सूत्रकणिका का क्रियाधार। ADP: खपत तेज़ होती है — यानी ऑक्सीजन का इस्तेमाल ATP संश्लेषण से जुड़ा है। साइनाइड: खपत रुक जाती है — यानी ऑक्सीजन के इस्तेमाल की जगह श्वसन शृंखला है।

अभ्यास 31.7 ★★

अलग की गई सूत्रकणिकाएँ ग्लूकोज क्यों नहीं इस्तेमाल कर सकतीं, जबकि पूरी कोशिका कर सकती है?

हल

हल — अभ्यास 31.7.

ग्लाइकोलिसिस, जो ग्लूकोज को पाइरुवेट में बदलता है, कोशिकाद्रव्य में होता है; और सूत्रकणिका के पास उसके एंजाइम नहीं हैं तथा वह पाइरुवेट भीतर लेती है, ग्लूकोज नहीं।

अभ्यास 31.8 ★★

समझाइए कि किण्वन न होता तो बिना ऑक्सीजन के ग्लाइकोलिसिस सेकंडों के भीतर क्यों रुक जाता।

हल

हल — अभ्यास 31.8.

हर ग्लूकोज दो NAD लाद देता है; कोशिका के पास NAD का केवल एक छोटा भंडार है, और वह सारा लद जाए तो ग्लाइकोलिसिस के पास अपना हाइड्रोजन सौंपने को कोई वाहक नहीं बचता और वह रुक जाता है। किण्वन उस NAD को पाइरुवेट पर उतारता है और उस पथ को चलता रखता है।

अभ्यास 31.9 ★★

किसी कोशिका को प्रति सेकंड 60 ATP चाहिए। श्वसन से, और किण्वन से, उसकी क़ीमत प्रति सेकंड कितने ग्लूकोज अणु पड़ती है?

हल

हल — अभ्यास 31.9.

श्वसन: प्रति सेकंड $60/30 = 2$ ग्लूकोज। किण्वन: प्रति सेकंड $60/2 = 30$ ग्लूकोज, यानी पंद्रह गुना अधिक।

अभ्यास 31.10 ★★

साइनाइड मिनटों के भीतर जानलेवा है। श्वसन शृंखला से समझाइए कि क्यों, और मस्तिष्क तथा हृदय पहले क्यों चूकते हैं।

हल

हल — अभ्यास 31.10.

साइनाइड श्वसन शृंखला रोक देता है, इसलिए कोई इलेक्ट्रॉन ऑक्सीजन तक नहीं पहुँचता और प्रति ग्लूकोज 30 में से लगभग 26 ATP तुरंत खो जाते हैं; और किण्वन वह कमी नहीं ढँक सकता। मस्तिष्क तथा हृदय ATP सबसे तेज़ इस्तेमाल करते हैं और उनके भंडार सबसे छोटे हैं, इसलिए वे मिनटों के भीतर चूक जाते हैं।

अभ्यास 31.11 ★★

आपकी साँस से निकलती कार्बन डाइऑक्साइड कहाँ से आती है, चरण दर चरण? और श्वसन से बना पानी?

हल

हल — अभ्यास 31.11.

वह कार्बन डाइऑक्साइड सूत्रकणिका की आधात्री में, क्रेब्स चक्र से (और उस क़दम से भी जो पाइरुवेट को उसमें दाख़िल करता है) छोड़ी जाती है: ग्लाइकोलिसिस में कोई नहीं। और वह पानी श्वसन शृंखला के आख़िर में बनता है, जब इलेक्ट्रॉन तथा प्रोटॉन ऑक्सीजन से जुड़ते हैं।

अभ्यास 31.12 ★★★

कोई पेशी किसी दौड़ के दौरान लैक्टेट बनाती है और, उसके बाद, यकृत श्वसन के ATP से उस लैक्टेट को वापस ग्लूकोज में बदल देता है। समझाइए कि पूरा शरीर उस ग्लूकोज के लिए, जिसे उस पेशी ने किण्वित किया, आख़िर में 30 ATP से अधिक क्यों चुका बैठता है।

हल

हल — अभ्यास 31.12.

उस पेशी को प्रति किण्वित ग्लूकोज 2 ATP मिले; और उस ग्लूकोज को लैक्टेट से दोबारा बनाने में यकृत को लगभग 6 ATP लगते हैं, जो दूसरा ईंधन श्वसित करके चुकाए जाते हैं। शरीर ने 2 पाने के लिए 6 ख़र्च किए हैं: यानी किण्वन ऐसी ऊर्जा उधार लेता है जो ब्याज समेत लौटानी पड़ती है।

अभ्यास 31.13 ★★★

हवा में ख़मीर ग्लूकोज धीरे इस्तेमाल करता है और कोई इथेनॉल नहीं बनाता; बंद कर देने पर वह उसे तेज़ी से इस्तेमाल करता है और इथेनॉल बनाता है। पैदावारों से समझाइए, और बताइए कि रोटी की लोई ख़मीर को हवा मिले या न मिले, फूलती क्यों है।

हल

हल — अभ्यास 31.13.

हवा में श्वसन प्रति ग्लूकोज 30 ATP देता है, इसलिए थोड़ा ही ग्लूकोज चाहिए और कोई इथेनॉल की ओर नहीं मुड़ता; जबकि बंद कर देने पर किण्वन 2 देता है, इसलिए पंद्रह गुना अधिक ग्लूकोज खपता है और इथेनॉल बनता है। लोई कार्बन डाइऑक्साइड पर फूलती है, जो दोनों रास्ते बनाते हैं (श्वसन प्रति ग्लूकोज छह, किण्वन दो); और उस घनी लोई में ऑक्सीजन यूँ भी जल्दी चुक जाती है।

अभ्यास 31.14 ★★★

किसी नवजात की भूरी वसा कोशिकाओं में ऐसी सूत्रकणिकाएँ होती हैं जिनकी शृंखला बिना ATP बनाए चलती है: यानी वह प्रोटॉन बहाव शॉर्ट-सर्किट कर दिया गया है। ये कोशिकाएँ उसकी जगह क्या बनाती हैं, और वह किसी नवजात के लिए उपयोगी क्यों है?

हल

हल — अभ्यास 31.14.

ऊष्मा: उस शृंखला की ऊर्जा, जो अब ATP की तरह नहीं पकड़ी जाती, सीधे छूट जाती है। कोई नवजात ऊष्मा तेज़ी से खोता है और ठीक से काँप नहीं सकता; भूरी वसा एक भीतर लगा हीटर है।

अभ्यास 31.15 ★★★

श्वसन और प्रकाशसंश्लेषण की बिंदु दर बिंदु तुलना कीजिए: इलेक्ट्रॉनों का स्रोत तथा गंतव्य, खपी तथा छोड़ी गई गैस, ऊर्जा का इनपुट तथा आउटपुट, और कोशिकांग। फिर एक वाक्य में बताइए कि पृथ्वी पर कोई भी दूसरे के बिना क्यों नहीं रह सकता।

हल

हल — अभ्यास 31.15.

इलेक्ट्रॉन: प्रकाशसंश्लेषण उन्हें पानी से लेता है और शर्करा में डालता है; जबकि श्वसन उन्हें शर्करा से लेता है और ऑक्सीजन को देता है। गैसें: प्रकाशसंश्लेषण $\mathrm{CO_2}$ खपाता है और $\mathrm{O_2}$ छोड़ता है; श्वसन उल्टा। ऊर्जा: प्रकाशसंश्लेषण प्रकाश भीतर लेता है और उसे शर्करा में जमा करता है; श्वसन उसे शर्करा से ATP तथा ऊष्मा की तरह निकालता है। कोशिकांग: हरितलवक और सूत्रकणिका। हर एक वही खपाता है जो दूसरा बनाता है: प्रकाशसंश्लेषण $\mathrm{CO_2}$ चुका देता और श्वसन $\mathrm{O_2}$ तथा भोजन।

31.5 समस्या: प्रति मिनट आधा मोल ATP

समस्या 31.1

सप्ताहांत समस्या — किसी धावक की ऊर्जा का पीछा वॉट से अणु तक: ATP गिने गए, ग्लूकोज तथा ऑक्सीजन का हिसाब हुआ, सूत्रकणिकाओं का हिस्सा नापा गया, और वह फ़र्राटा जिसकी क़ीमत वह शृंखला नहीं चुका सकती

कोई धावक $1000\,\mathrm{W}$ की उपापचयी शक्ति बनाए रखती है, जिसका लगभग एक तिहाई ATP की तरह पकड़ा जाता है और बाक़ी ऊष्मा की तरह निकल जाता है। प्रति मोल ATP $30\,\mathrm{kJ}$ काम आती ऊर्जा, श्वसन में प्रति ग्लूकोज 30 ATP और किण्वन में 2, प्रति मोल ग्लूकोज $2870\,\mathrm{kJ}$ , प्रति मोल गैस $24\,\mathrm{L}$ , और ग्लूकोज $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ लीजिए।

भाग I — ATP।

वह धावक प्रति मिनट कितने मोल ATP इस्तेमाल करती है? (केवल ATP की तरह पकड़ा गया वह तिहाई ही गिना जाए।)
$507\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ पर वह कितने द्रव्यमान का ATP है? उन कुछ ग्रामों से तुलना कीजिए जो पेशियाँ किसी भी क्षण थामती हैं।
शरीर का भंडार $50\,\mathrm{g}$ हो, तो हर ATP अणु प्रति मिनट कितनी बार दोबारा चार्ज होता है?
वह ATP केवल श्वसन से बनता, तो प्रति मिनट कितने मोल ग्लूकोज खपते?
उसके लिए प्रति मिनट कितने लीटर ऑक्सीजन चाहिए? $4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ के किसी अधिकतम $\dot V\!\mathrm{O_2}$ से तुलना कीजिए।

भाग II — सूत्रकणिकाओं का हिस्सा।

प्रति ग्लूकोज उन 30 ATP में से कितने कोशिकाद्रव्य में बनते हैं और कितने सूत्रकणिका में? उस धावक के ATP का कौन-सा अंश सूत्रकणिकीय है?
वह प्रति मिनट कितने मोल $\mathrm{CO_2}$ साँस से बाहर छोड़ती है, और वे श्वसन के किस चरण से आती हैं?
किसी ग्लूकोज की $2870\,\mathrm{kJ}$ में से कितनी ATP में पहुँचती है? बाक़ी कहाँ जाती है, और वह धावक उसका क्या करती है?
उसकी पेशी सूत्रकणिकाओं की कुल भीतरी झिल्ली सतह कोई $1000\,\mathrm{m}^{2}$ है। उस शृंखला को इतनी सतह क्यों चाहिए?
प्रशिक्षण उसके तंतुओं की सूत्रकणिकाएँ दुगनी कर देता है। ऊपर की कौन-सी राशियाँ वह बदलता है, और कौन-सी नहीं?

भाग III — वह फ़र्राटा। आख़िरी फ़र्राटे में उसकी पेशियों को 30 सेकंड तक ATP की तरह $800\,\mathrm{W}$ शक्ति चाहिए, जबकि श्वसन, जो रक्त की पहुँचाई ऑक्सीजन से सीमित है, ATP की तरह ज़्यादा से ज़्यादा $400\,\mathrm{W}$ जुटा सकता है।

उस फ़र्राटे को कुल कितने मोल ATP चाहिए?
उसमें से कितना श्वसन 30 सेकंड में जुटा सकता है, और कितना किण्वन से आना चाहिए?
किण्वित हिस्सा कितने मोल ग्लूकोज खपाता है, और कितने मोल लैक्टेट छोड़ता है?
उस फ़र्राटे के दौरान दोनों रास्तों में प्रति ATP इस्तेमाल हुए ग्लूकोज की तुलना कीजिए। वह पेशी यह बरबादी क्यों क़बूल करती है?
दौड़ के बाद वह लैक्टेट ऑक्सीकृत होता है या वापस ग्लूकोज में बदला जाता है। समझाइए कि रुकने के बाद कई मिनट तक उसकी ऑक्सीजन खपत ऊँची क्यों रहती है।

भाग IV — वह दूसरा ईंधन। वसा प्रति ग्राम लगभग $38\,\mathrm{kJ}$ जुटाती है और, प्रति ग्राम, उसी ऊर्जा के लिए ग्लूकोज से लगभग 20% अधिक ऑक्सीजन माँगती है।

उसके $1000\,\mathrm{W}$ का आधा वसा से आए, तो वह प्रति घंटा कितने द्रव्यमान की वसा जलाती?
वसा प्रति ग्राम ऊर्जा में अमीर होते हुए भी प्रति लीटर ऑक्सीजन कम शक्ति क्यों देती है?
वसीय अम्ल श्वसन में क्रेब्स चक्र पर घुसते हैं, और ग्लाइकोलिसिस छोड़ देते हैं। तो तीनों चरणों में से कौन-सा वसा इस्तेमाल नहीं कर सकती, और किसी फ़र्राटे के लिए इससे क्या निकलता है?
मस्तिष्क, जो केवल ग्लूकोज पर चलता है, उस दौड़ के दौरान भी काम करता क्यों रहता है, जबकि पेशियाँ रक्त की अधिकांश ग्लूकोज ले रही हैं?
परिणाम लिखिए: वह धावक प्रति मिनट कितने मोल ATP इस्तेमाल करती है, वे कितने लीटर ऑक्सीजन उसकी क़ीमत चुकाते हैं, और श्वसन का वह चरण जो उनमें से अधिकांश बनाता है।

हल

हल — समस्या 31.1.

1. $1000\,\mathrm{W}$ का एक तिहाई $300\,\mathrm{W}$ है: यानी प्रति मिनट $18\,\mathrm{kJ}$ , यानी प्रति मिनट $0.6\,\mathrm{mol}$ ATP।

2. प्रति मिनट लगभग $300\,\mathrm{g}$ — और थामे गए कुछ ग्रामों के सामने: वह भंडार लगातार पुनर्चक्रित होता है।

3. $50\,\mathrm{g}$ यानी $0.1\,\mathrm{mol}$ : हर अणु मिनट में लगभग 6 बार दोबारा चार्ज होता है।

4. प्रति मिनट $0.6/30 = 0.02\,\mathrm{mol}$ ग्लूकोज (लगभग $3.6\,\mathrm{g}$ )।

5. $6 \times 0.02 = 0.12\,\mathrm{mol}$ $\mathrm{O_2}$ , यानी प्रति मिनट लगभग $2.9\,\mathrm{L}$ — जो उसके $4\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ अधिकतम से नीचे है, और अध्याय 7 की प्रति लीटर ऑक्सीजन $20\,\mathrm{kJ}$ से मेल खाता है: यानी वे $1000\,\mathrm{W}$ श्वसन से बनाए रखे जा सकते हैं।

6. कोशिकाद्रव्य में 2, सूत्रकणिका में 28: यानी ATP का लगभग 93%।

7. प्रति मिनट $6 \times 0.02 = 0.12\,\mathrm{mol}$ $\mathrm{CO_2}$ , और वह सब आधात्री में क्रेब्स चक्र तथा पाइरुवेट के प्रवेश से।

8. $2870\,\mathrm{kJ}$ में से $30 \times 30 = 900\,\mathrm{kJ}$ , यानी लगभग एक तिहाई; बाक़ी ऊष्मा है, जिसे वह पसीने से और अपनी त्वचा तक रक्त बहाव से बहा देती है।

9. उस शृंखला के प्रोटीन और ATP बनाते एंजाइम उसी झिल्ली में बैठते हैं; और ATP संश्लेषण की दर उस क्षेत्रफल के समानुपाती है जो उन्हें थामता है।

10. वह उस दर को चढ़ाता है जिस पर श्वसन ATP बना सकता है (और उस वसा के हिस्से को भी जो वह जला सकती है), यानी वह शक्ति जो वह बिना किण्वन के बनाए रख सकती है; पर वह प्रति ग्लूकोज पैदावार या प्रति ग्लूकोज ऑक्सीजन नहीं बदलता।

11. $800 \times 30 = 24\,\mathrm{kJ}$ : यानी $0.8\,\mathrm{mol}$ ATP।

12. श्वसन: $400 \times 30 = 12\,\mathrm{kJ}$ , यानी $0.4\,\mathrm{mol}$ ; और किण्वन को बाक़ी $0.4\,\mathrm{mol}$ जुटाने चाहिए।

13. $0.4/2 = 0.2\,\mathrm{mol}$ ग्लूकोज, जो $0.4\,\mathrm{mol}$ लैक्टेट छोड़ता है।

14. श्वसन: प्रति ATP $1/30$ ग्लूकोज; किण्वन: $1/2$ — यानी पंद्रह गुना अधिक ग्लूकोज। वह पेशी इसे इसलिए क़बूल करती है कि ATP अभी चाहिए और ग्लाइकोजन वहीं है; और वह उधार बाद में चुकाया जाता है।

15. उस लैक्टेट को ऑक्सीकृत होना या वापस ग्लूकोज में बनना पड़ता है, जिसकी क़ीमत श्वसन से बना ATP चुकाता है: इसलिए ऑक्सीजन खपत तब तक विश्राम से ऊपर रहती है जब तक वह उधार न चुक जाए।

16. एक घंटे $500\,\mathrm{W}$ यानी $1800\,\mathrm{kJ}$ : यानी वसा के $1800/38 \approx 47\,\mathrm{g}$ ।

17. वसा अधिक अपचयित है — यानी हाइड्रोजन में अमीर — इसलिए उसके हर ग्राम को पूरी तरह ऑक्सीकृत होने को अधिक ऑक्सीजन चाहिए; और प्रति लीटर ऑक्सीजन वह ग्लूकोज से ज़रा कम ऊर्जा देती है।

18. ग्लाइकोलिसिस और उसका किण्वन: वसा किण्वित नहीं हो सकती, इसलिए कोई फ़र्राटा, जो किण्वन पर चलता है, वसा इस्तेमाल कर ही नहीं सकता — केवल ग्लूकोज और ग्लाइकोजन।

19. यकृत अपने ग्लाइकोजन से ग्लूकोज छोड़ता है और कुछ लैक्टेट से दोबारा बनाता है, जिससे रक्त की ग्लूकोज $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ के पास बनी रहती है (अध्याय 32); इसलिए मस्तिष्क की आपूर्ति सुरक्षित रहती है।

20. प्रति मिनट लगभग $0.6\,\mathrm{mol}$ ATP; प्रति मिनट लगभग $3\,\mathrm{L}$ ऑक्सीजन उनकी क़ीमत चुकाती है; और सूत्रकणिका की भीतरी झिल्ली की श्वसन शृंखला उनमें से कोई नौ-दसवाँ हिस्सा बनाती है।

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