माध्यमिक जीवविज्ञान · Grades 10–12

4कोशिका का उपापचय

गुनगुने चीनी वाले पानी की एक फ़्लास्क में एक चम्मच पावरोटी वाला खमीर डालिए और उसकी गरदन पर एक गुब्बारा चढ़ा दीजिए। घंटे भर में तरल धुँधला होकर बुलबुले छोड़ने लगता है, गुब्बारा तनकर खड़ा हो जाता है, और फ़्लास्क से हल्की-सी ब्रेड और बियर जैसी गंध आती है। खमीर की कोशिकाएँ चीनी खा रही हैं और उसे किसी और चीज़ में बदल रही हैं, और वे जो गैस छोड़ती हैं वह वही कार्बन डाइऑक्साइड है जिसे आप साँस के साथ बाहर निकालते हैं। धूप में रखा कोई पत्ता उल्टा करता है: वह कार्बन डाइऑक्साइड भीतर लेता है और ऑक्सीजन बाहर देता है। दोनों रसायन ही हैं, जो कोशिकाओं के भीतर, शरीर के ताप पर, बिना किसी लौ और बिना किसी अम्ल के चलता है — और यह अध्याय उसी रसायन के बारे में है।

4.1 उपापचय: कोशिका का रसायन

परिभाषा 4.1 (उपापचय)

किसी कोशिका का उपापचय उन सभी रासायनिक अभिक्रियाओं का समुच्चय है जो उसके भीतर चलती हैं: वे भी जो ऊर्जा छोड़ने के लिए अणुओं को तोड़ती हैं, और वे भी जो सरल अणुओं से कोशिका के अपने अणु बनाती हैं। उपापचय की हर अभिक्रिया को कोई एंजाइम चलाता है, यानी ऐसा प्रोटीन जो किसी एक विशिष्ट अभिक्रिया को तेज़ करता है पर ख़ुद उसमें ख़र्च नहीं होता।

प्रतिज्ञप्ति 4.2 (एंजाइम ही कोशिका का रसायन संभव बनाते हैं)

$37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर हवा में पड़ा ग्लूकोज़ जलता नहीं; कोशिका में वह कुछ ही मिनटों में पूरा ऑक्सीकृत हो जाता है। फ़र्क़ एंजाइमों का है: हर एंजाइम किसी ख़ास अणु (अपने क्रियाधार) से जुड़ता है, उसे उत्पाद में बदलता है, छोड़ देता है और फिर शुरू हो जाता है — हर सेकंड हज़ारों बार। इसलिए किसी कोशिका का उपापचय उसके पास मौजूद एंजाइमों के समुच्चय से तय होता है — और वह समुच्चय उसके जीनों से।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

उदाहरण 4.3 (एक एंजाइम काम पर)

कच्चे यकृत या आलू के टुकड़े पर हाइड्रोजन परॉक्साइड डालिए: ऑक्सीजन छूटते ही वह ज़ोर से झाग उठता है। एंजाइम कैटेलेज़, जो लगभग हर कोशिका में है, विषैले परॉक्साइड को जल और ऑक्सीजन में तोड़ता है — प्रति एंजाइम अणु प्रति सेकंड लाखों अणुओं की दर से। यकृत को पहले उबाल दीजिए तो कुछ नहीं होता: वह एंजाइम, जो एक प्रोटीन है, ऊष्मा से नष्ट हो चुका है। और पत्थर पर डाला गया परॉक्साइड बिना बुलबुलों के पड़ा रहता है, जो दिखाता है कि अभिक्रिया अपने आप नहीं चलती।

कोई एंजाइम अपने क्रियाधार से जुड़ता है, उसे बदलता है और उत्पाद छोड़ देता है, जबकि ख़ुद अनबदला रहता है। एंजाइम का एक अणु यह चक्र हर सेकंड हज़ारों बार दोहरा सकता है।

4.2 कोशिका को खिलाने के दो रास्ते

परिभाषा 4.4 (स्वपोषण और परपोषण)

कोई कोशिका स्वपोषी है यदि वह अपने कार्बनिक अणु अकेले खनिज पदार्थ से — कार्बन डाइऑक्साइड, जल, खनिज लवण से — किसी बाहरी ऊर्जा-स्रोत की मदद से बना ले। हरितलवक वाली पादप कोशिकाएँ, शैवाल और कुछ जीवाणु स्वपोषी हैं, और उनका ऊर्जा-स्रोत प्रकाश है: यही प्रकाशसंश्लेषण है। कोई कोशिका परपोषी है यदि उसे दूसरे जीवों के बनाए कार्बनिक अणु भीतर लेने ही पड़ें, निर्माण-सामग्री के रूप में भी और ऊर्जा के स्रोत के रूप में भी: जंतु कोशिकाएँ, कवक, अधिकांश जीवाणु, और पौधों की बिना हरे रंग वाली कोशिकाएँ (जैसे जड़ों की) परपोषी हैं।

प्रतिज्ञप्ति 4.5 (प्रकाशसंश्लेषण)

प्रकाश में हरितलवक वाली कोशिका कार्बन डाइऑक्साइड और जल सोखती है, ऑक्सीजन छोड़ती है, और ग्लूकोज़ बनाती है, जिसे वह आगे मंड, सेलुलोज़, लिपिड और खनिज नाइट्रोजन के साथ ऐमीनो अम्लों में बदल देती है। संक्षेप में:

6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\ \text{प्रकाश, पर्णहरित}\ } \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}.

प्रकाश की ऊर्जा ग्लूकोज़ के रासायनिक बंधों में संचित हो जाती है।

साक्ष्य. ऑक्सीजन संवेदक लगे किसी बंद पात्र में हरी शैवाल Chlorella का निलंबन दिखाता है कि लैंप जलने पर घुली हुई ऑक्सीजन लगातार बढ़ती है और बुझने पर घटती है; और यदि पानी की कार्बन डाइऑक्साइड निकाल दी जाए तो बढ़ना रुक जाता है। दो दिन अँधेरे में रखे पत्ते आयोडीन से नीले-काले नहीं होते, और आधा पन्नी से ढँका पत्ता केवल अपने खुले आधे हिस्से पर रंग पकड़ता है: मंड वहीं बनता है जहाँ प्रकाश पड़ता है। किसी पौधे को दी गई रेडियोसक्रिय कार्बन डाइऑक्साइड कुछ ही मिनटों में उसकी शर्कराओं में जा पहुँचती है। ∎

किसी बंद Chlorella निलंबन में घुली हुई ऑक्सीजन। प्रकाश में शैवाल ऑक्सीजन को खपाने से तेज़ी से छोड़ती हैं; अँधेरे में केवल उनका श्वसन बचता है और ऑक्सीजन गिरती है। हर ढाल एक दर है, जिसे मिलीग्राम प्रति लीटर प्रति मिनट में पढ़ा जा सकता है। — किसी बंद *Chlorella* निलंबन में घुली हुई ऑक्सीजन। प्रकाश में शैवाल ऑक्सीजन को खपाने से तेज़ी से छोड़ती हैं; अँधेरे में केवल उनका श्वसन बचता है और ऑक्सीजन गिरती है। हर ढाल एक दर है, जिसे मिलीग्राम प्रति लीटर प्रति मिनट में पढ़ा जा सकता है।

उदाहरण 4.6 (युग्लीना, एक साथ दोनों)

एककोशिकीय Euglena में हरितलवक होते हैं और वह एक कशाभिका से तैरती है। प्रकाश में, खनिज जल में वह बढ़ती है: यानी स्वपोषी। अँधेरे में वह तभी बची रहती है जब पानी में कार्बनिक अणु मिलाए जाएँ, जिन्हें वह सोख लेती है: यानी परपोषी। लंबे समय तक अँधेरे में रखने पर वह अपने हरितलवक खो देती है; और कुछ दिनों के धीरज के साथ प्रकाश में लौटाने पर वह उन्हें दोबारा बना लेती है। उसका उपापचय उसके जीनों पर निर्भर है, जो दोनों विकल्प खुले रखते हैं, और उसके पर्यावरण पर, जो उनमें से एक चुन लेता है।

4.3 कार्बनिक अणुओं से ऊर्जा पाना

प्रतिज्ञप्ति 4.7 (कोशिकीय श्वसन)

हर कोशिका, चाहे स्वपोषी हो या परपोषी, काम में आने वाली ऊर्जा कार्बनिक अणुओं को तोड़कर ही पाती है। ऑक्सीजन उपलब्ध हो तो तोड़ना पूरा होता है — यही कोशिकीय श्वसन है, जो सूत्रकणिकाओं में चलता है:

\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \longrightarrow 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} + \text{ऊर्जा},

यानी प्रति मोल ग्लूकोज़ ( $180\,\mathrm{g}$ ) लगभग $2870\,\mathrm{kJ}$ , जिसका मोटे तौर पर 40% एक छोटे अणु ATP में पकड़ लिया जाता है, और कोशिका की हर ऊर्जा माँगने वाली प्रक्रिया — गति, परिवहन, संश्लेषण — उसी से खींचती है; बाक़ी ऊष्मा के रूप में छूट जाता है।

साक्ष्य. ऑक्सीजन संवेदक लगे बंद पात्र में भूखा खमीर कोई ऑक्सीजन नहीं खपाता; ग्लूकोज़ मिलाइए तो घुली हुई ऑक्सीजन एक स्थिर दर से गिरने लगती है और कार्बन डाइऑक्साइड उभर आती है, जब तक ऑक्सीजन ख़त्म न हो जाए। निर्वात फ़्लास्क में अंकुरित होते बीज दिन भर में फ़्लास्क को कई अंश गरम कर देते हैं — यही श्वसन की ऊष्मा है — जबकि उबाले हुए बीज नहीं। इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में देखी गई पेशी कोशिकाएँ सूत्रकणिकाओं से ठसाठस भरी दिखती हैं, और सूत्रकणिकाओं का कोई विष पेशी को रोक देता है। ∎

किसी बंद खमीर निलंबन में घुली हुई ऑक्सीजन। भूखा खमीर लगभग कुछ नहीं खपाता; ग्लूकोज़ मिलते ही ऑक्सीजन 1.0\, mg/ L प्रति मिनट की दर से गिरती है — यही श्वसन की दर है — जब तक वह चुक न जाए। — किसी बंद खमीर निलंबन में घुली हुई ऑक्सीजन। भूखा खमीर लगभग कुछ नहीं खपाता; ग्लूकोज़ मिलते ही ऑक्सीजन $1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ प्रति मिनट की दर से गिरती है — यही श्वसन की दर है — जब तक वह चुक न जाए।

परिभाषा 4.8 (किण्वन)

ऑक्सीजन के बिना कुछ कोशिकाएँ ग्लूकोज़ को कोशिकाद्रव्य में केवल आंशिक रूप से तोड़ती हैं और ऐसे छोटे कार्बनिक अणु बनाती हैं जिनमें अब भी अधिकांश ऊर्जा बची रहती है: यही किण्वन है। खमीर ऐल्कोहॉली किण्वन करता है,

\mathrm{C_6H_{12}O_6} \longrightarrow 2\,\mathrm{C_2H_5OH} + 2\,\mathrm{CO_2} + \text{ऊर्जा},

और ऑक्सीजन की कमी झेलती पेशी कोशिकाएँ तथा दही के जीवाणु लैक्टिक किण्वन करते हैं, यानी ग्लूकोज़ को लैक्टिक अम्ल में बदल देते हैं। किण्वन प्रति ग्लूकोज़ श्वसन से लगभग पंद्रह गुना कम ATP देता है।

फ़्लास्क में चीनी का किण्वन करता खमीर: ऐल्कोहॉली किण्वन की कार्बन डाइऑक्साइड गुब्बारे को फुला देती है। तरल में ऑक्सीजन न होने से चीनी केवल आंशिक रूप से टूटती है और इथेनॉल पीछे रह जाता है।

उदाहरण 4.9 (हवा में और हवा के बिना खमीर)

जिस खमीर में हवा के बुलबुले छोड़े जाएँ वह ग्लूकोज़ कम ख़र्च करता है और तेज़ी से बढ़ता है: वह श्वसन करता है। वही खमीर बंद टंकी में ग्लूकोज़ लालच से ख़र्च करता है, कम बढ़ता है और इथेनॉल बनाता है: वह किण्वन करता है। पास्तर ने, जिन्होंने 1861 में इसका वर्णन किया, किण्वन को “हवा के बिना जीवन” कहा था; कोशिकाएँ अपना उपापचय उसी पथ पर मोड़ लेती हैं जिसकी उनका पर्यावरण छूट दे, और चूँकि किण्वन प्रति ग्लूकोज़ इतनी कम ऊर्जा देता है, इसलिए जीने के लिए उन्हें कहीं अधिक चीनी फूँकनी पड़ती है।

कोशिका के उपापचय की दो धाराएँ। प्रकाशसंश्लेषण प्रकाश की ऊर्जा कार्बनिक पदार्थ में संचित करता है; और हर कोशिका में श्वसन उसे छोड़ देता है। स्वपोषी दोनों चलाते हैं; परपोषी केवल दूसरी चलाते हैं और उन्हें कार्बनिक पदार्थ खिलाना पड़ता है।

4.4 कोशिका का उपापचय तय क्या करता है

प्रतिज्ञप्ति 4.10 (जीन और पर्यावरण)

किसी कोशिका का उपापचय दो चीज़ों पर निर्भर है: उसके साज़-सामान पर — यानी उन एंजाइमों और कोशिकांगों पर जिन्हें उसके जीन बनाने देते हैं, इसलिए बिना पर्णहरित वाली कोशिका कभी प्रकाशसंश्लेषण नहीं कर सकती — और उसके पर्यावरण पर — प्रकाश, ऑक्सीजन, उपलब्ध पोषक तत्व — जो तय करता है कि संभव पथों में से असल में कौन-सा चलेगा। खमीर हवा में श्वसन करता है और उसके बिना किण्वन; Euglena प्रकाश में स्वपोषी है और अँधेरे में परपोषी; और किसी हरे पौधे की जड़ की कोशिका जीवन भर परपोषी रहती है, जिसे पत्तियाँ खिलाती हैं।

उपपत्ति. इस स्तर पर स्वीकृत। ∎

विधि 4.11 (उपापचय का आलेख पढ़ना)

ऑक्सीजन संवेदक के प्रयोग समय के सापेक्ष सांद्रता देते हैं।

पहचानिए कि हर चिह्नित क्षण पर क्या बदला (प्रकाश जला, क्रियाधार मिलाया गया, ऑक्सीजन चुक गई)।
हर सीधे खंड की ढाल पढ़िए: उठान बटा दौड़, $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ प्रति मिनट में। धनात्मक ढाल का अर्थ है ऑक्सीजन का शुद्ध उत्पादन, ऋणात्मक का शुद्ध उपभोग।
याद रखिए कि प्रकाशसंश्लेषण करती कोशिका श्वसन भी करती है: प्रकाश में मिलने वाली ढाल उत्पादन में से श्वसन घटाकर बची ढाल है, इसलिए प्रकाशसंश्लेषण की सच्ची दर प्रकाश वाली ढाल में अँधेरे वाली ढाल का परिमाण जोड़ने से मिलती है।
पूछा जाए तो बदल भी दीजिए: इन सांद्रताओं पर घुली हुई ऑक्सीजन का $1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ प्रति लीटर $1/32$ मिलीमोल है।

उदाहरण 4.12 (शैवाल की सच्ची दर)

Chlorella वाले चित्र में प्रकाश के 5 मिनट में ऑक्सीजन $2.5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ बढ़ती है (ढाल $+0.5$ ) और अँधेरे के 5 मिनट में $0.5\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ घटती है (ढाल $-0.1$ )। श्वसन प्रकाश में भी प्रति मिनट $0.1\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ खपाता है, इसलिए प्रकाशसंश्लेषण प्रति मिनट $0.5 + 0.1 = 0.6\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ बनाता है: यानी श्वसन के ख़र्च का छह गुना। शैवाल ऑक्सीजन और कार्बनिक पदार्थ की शुद्ध उत्पादक है, और इसीलिए वह बढ़ती है।

4.5 अभ्यास

अभ्यास 4.1 ★

उपापचय की परिभाषा दीजिए, और बताइए कि एंजाइम क्या है और क्या करता है।

हल

हल — अभ्यास 4.1.

उपापचय किसी कोशिका की सारी रासायनिक अभिक्रियाओं का समुच्चय है, जो ऊर्जा के लिए अणु तोड़ती हैं और कोशिका के अपने अणु बनाती हैं। एंजाइम वह प्रोटीन है जो किसी एक विशिष्ट अभिक्रिया को तेज़ करता है, अपने क्रियाधार से जुड़कर उत्पाद छोड़ता है, और ख़ुद ख़र्च नहीं होता।

अभ्यास 4.2 ★

कोशिकीय श्वसन और प्रकाशसंश्लेषण के संक्षिप्त समीकरण लिखिए। किस अर्थ में एक दूसरे का उल्टा है, और किस अर्थ में नहीं?

हल

हल — अभ्यास 4.2.

श्वसन: $\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ + ऊर्जा। प्रकाशसंश्लेषण: $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ + प्रकाश $\to \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$ । पदार्थ का कुल हिसाब उल्टा है; पर अभिक्रियाएँ, एंजाइम, जगहें (सूत्रकणिका बनाम हरितलवक) और ऊर्जा-स्रोत (रासायनिक बंध बनाम प्रकाश) पूरी तरह अलग हैं।

अभ्यास 4.3 ★

स्वपोषी या परपोषी में छाँटिए: एक कुकुरमुत्ता, एक मॉस, गाजर की जड़ की एक कोशिका, एक क्लोरेला, दही का एक जीवाणु, मनुष्य की एक पेशी कोशिका।

हल

हल — अभ्यास 4.3.

परपोषी: कुकुरमुत्ता, गाजर की जड़ की कोशिका, दही का जीवाणु, मनुष्य की पेशी कोशिका। स्वपोषी: मॉस, क्लोरेला।

अभ्यास 4.4 ★

खमीर और गुब्बारे वाले प्रयोग में गुब्बारे को कौन-सी गैस फुलाती है, कौन-सा तरल उत्पाद जमा होता है, और फ़्लास्क में किस चीज़ की कमी है जो परिणाम बदल देती?

हल

हल — अभ्यास 4.4.

गुब्बारे को कार्बन डाइऑक्साइड फुलाती है; और तरल में इथेनॉल जमा होता है। फ़्लास्क में ऑक्सीजन की कमी है: हवा के बुलबुले छोड़े जाते तो खमीर श्वसन करता, इथेनॉल नहीं बनाता और चीनी कहीं कम ख़र्च करता।

अभ्यास 4.5 ★

उबला हुआ यकृत हाइड्रोजन परॉक्साइड में झाग क्यों नहीं उठाता?

हल

हल — अभ्यास 4.5.

कैटेलेज़ एक प्रोटीन है; उबालने से उसका आकार और इसलिए उसकी सक्रियता नष्ट हो जाती है, और हाइड्रोजन परॉक्साइड अपने आप तेज़ी से नहीं टूटता।

अभ्यास 4.6 ★★

खमीर वाले चित्र में मिनट 3 और 10 के बीच ऑक्सीजन $7.9\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ से $0.9\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ तक गिरती है। श्वसन की दर $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ प्रति मिनट में निकालिए। मिनट 10 के बाद वक्र चपटा क्यों पड़ जाता है, और खमीर तब क्या करता है?

हल

हल — अभ्यास 4.6.

$(7.9 - 0.9)/7 = 1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ प्रति मिनट। वक्र इसलिए चपटा पड़ता है कि ऑक्सीजन चुक जाती है; खमीर तब किण्वन पर चला जाता है, जो कोई ऑक्सीजन नहीं खपाता।

अभ्यास 4.7 ★★

प्रकाश में क्लोरेला की ऑक्सीजन-ढाल $+0.8$ $\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ प्रति मिनट है, और अँधेरे में $-0.2$ । प्रकाशसंश्लेषण की दर निकालिए।

हल

हल — अभ्यास 4.7.

$0.8 + 0.2 = 1.0\,\mathrm{mg}/\mathrm{L}$ प्रति मिनट: प्रकाश वाली ढाल उत्पादन में से प्रकाश में भी चलते रहने वाले श्वसन को घटाकर बची ढाल है।

अभ्यास 4.8 ★★

कोई कोशिका $18\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ का श्वसन करती है। वह ऑक्सीजन का कितना द्रव्यमान इस्तेमाल करती है और कार्बन डाइऑक्साइड का कितना छोड़ती है? (मोलर द्रव्यमान: ग्लूकोज़ $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $\mathrm{O_2}$ $32\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , $\mathrm{CO_2}$ $44\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ।)

हल

हल — अभ्यास 4.8.

$18\,\mathrm{g}$ यानी $0.1\,\mathrm{mol}$ ग्लूकोज़; उसे $0.6\,\mathrm{mol}$ ऑक्सीजन चाहिए, यानी $0.6 \times 32 = 19.2\,\mathrm{g}$ , और वह $0.6\,\mathrm{mol}$ कार्बन डाइऑक्साइड छोड़ता है, यानी $0.6 \times 44 = 26.4\,\mathrm{g}$ ।

अभ्यास 4.9 ★★

निर्वात फ़्लास्क में अंकुरित होते मटर उसका ताप दिन भर में $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ बढ़ा देते हैं; उबले हुए मटर नहीं। दोनों परिणाम समझाइए, और यह भी कि फ़्लास्क को हवाबंद क्यों नहीं करना चाहिए।

हल

हल — अभ्यास 4.9.

अंकुरित होते मटर अपने भंडारों का श्वसन करते हैं और ऊष्मा छोड़ते हैं; उबले मटर मरे हुए हैं और उनके एंजाइम नष्ट हैं, इसलिए न अभिक्रिया, न ऊष्मा। हवाबंद कर देने पर ऑक्सीजन चुक जाती और श्वसन रुक जाता।

अभ्यास 4.10 ★★

किसी हरे पत्ते को 48 घंटे अँधेरे में रखा जाता है, फिर उसका आधा हिस्सा काले काग़ज़ से ढँककर पौधे को दिन भर धूप में रखा जाता है। फिर आयोडीन लगाया जाता है। दोनों हिस्सों का परिणाम अनुमानित कीजिए और समझाइए, और यह भी कि 48 घंटे के अँधेरे की ज़रूरत क्यों थी।

हल

हल — अभ्यास 4.10.

खुला आधा हिस्सा नीला-काला रंग पकड़ता है (प्रकाश में प्रकाशसंश्लेषण से बना मंड); ढँका हुआ आधा नहीं। 48 घंटे का अँधेरा पत्ते को उसका पहले वाला मंड ख़र्च कर लेने देता है, ताकि जो मंड मिले वह उसी दिन के प्रकाश का हो।

अभ्यास 4.11 ★★

समझाइए कि बंद टंकी में रखा खमीर, प्रति कोशिका, हवा के बुलबुलों वाले खमीर से कहीं तेज़ी से चीनी क्यों खपाता है।

हल

हल — अभ्यास 4.11.

किण्वन प्रति ग्लूकोज़ श्वसन से लगभग पंद्रह गुना कम ATP देता है; इसलिए अपनी ज़रूरत भर ATP पाने के लिए किण्वन करती कोशिका को प्रति मिनट पंद्रह गुना अधिक चीनी तोड़नी पड़ती है।

अभ्यास 4.12 ★★★

400 मीटर की दौड़ के बाद किसी धावक की पेशियाँ दुखने लगती हैं और अम्लीय हो जाती हैं। समझाइए कि पेशी कोशिकाओं में क्या हुआ, वह क्यों हुआ, और उसी धावक की पेशियाँ धीमी जॉगिंग में अम्लीय क्यों नहीं होतीं।

हल

हल — अभ्यास 4.12.

दौड़ के दौरान पेशी की ATP की माँग उस ऑक्सीजन से आगे निकल गई जो रक्त पहुँचा सकता था; कोशिकाएँ लैक्टिक किण्वन पर चली गईं, और उसका उत्पाद, यानी लैक्टिक अम्ल, जमा होता गया। धीमी जॉगिंग में ऑक्सीजन की आपूर्ति साथ बनी रहती है, अकेला श्वसन ही ATP दे देता है, और कोई अम्ल नहीं बनता।

अभ्यास 4.13 ★★★

कार्बनिक भोजन के साथ महीने भर अँधेरे में रखी Euglena अपने हरितलवक खो देती है, पर उसके वंशज प्रकाश में उन्हें दोबारा पा लेते हैं। प्रतिज्ञप्ति 4.10 के दोनों कारकों में से कौन-सा बदला है और कौन-सा नहीं? उनका दोबारा बन जाना कोशिका के जीनों के बारे में क्या सिद्ध करता है?

हल

हल — अभ्यास 4.13.

पर्यावरण बदला (कोई प्रकाश नहीं, कार्बनिक भोजन); जीन नहीं बदले। वंशज हरितलवक दोबारा बना लेते हैं, इसलिए निर्देश कभी खोए ही नहीं थे: जो खोया वह इस्तेमाल में आ रहा साज़-सामान था, न कि जीनों की दी हुई संभावनाएँ।

अभ्यास 4.14 ★★★

किसी बंद मछलीघर में पानी, एक घोंघा और एक जलीय पौधा है, और वह प्रकाश में रखा है। समझाइए कि दोनों जीव महीनों तक कैसे बचे रह सकते हैं, हर एक दूसरे को क्या देता है, और मछलीघर को अँधेरे में रखने पर क्या होता है।

हल

हल — अभ्यास 4.14.

प्रकाश में पौधा प्रकाशसंश्लेषण करता है और ऑक्सीजन तथा कार्बनिक पदार्थ देता है (पत्तियाँ, जो घोंघा खाता है); घोंघा श्वसन करता है और पौधे को कार्बन डाइऑक्साइड देता है। अँधेरे में पौधा केवल श्वसन करता है: दोनों ऑक्सीजन खपाते हैं, कोई उसे बनाता नहीं, और दोनों कुछ ही दिनों में मर जाते हैं।

अभ्यास 4.15 ★★★

एक ग्लूकोज़ के श्वसन से लगभग 30 ATP मिलते हैं, किण्वन से 2। खमीर की एक कोशिका को जीने के लिए प्रति मिनट तय संख्या में ATP चाहिए। निकालिए कि किण्वन करते समय उसे प्रति मिनट कितने गुना अधिक ग्लूकोज़ खपाना पड़ेगा; फिर समझाइए कि शराब बनाने वाले अपनी टंकियों से हवा क्यों बाहर रखते हैं, जबकि इससे चीनी “बरबाद” होती है।

हल

हल — अभ्यास 4.15.

प्रति मिनट $30/2 = 15$ गुना अधिक ग्लूकोज़। शराब बनाने वालों को इथेनॉल चाहिए, जो केवल किण्वन बनाता है; श्वसन करता खमीर शर्करा को कार्बन डाइऑक्साइड, जल और और खमीर में बदल देता, ऐल्कोहॉल में नहीं।

4.6 समस्या: शराब बनाने वाले की टंकी

समस्या 4.1

सप्ताहांत समस्या — अंगूर के रस की एक टंकी खमीर के हवाले: उसमें कितनी ऐल्कोहॉल बनेगी, कितनी गैस छूटेगी, कितनी ऊष्मा बनेगी, और कोई तहख़ाना ख़तरनाक जगह क्यों हो सकता है

अंगूर के रस में प्रति लीटर लगभग $200\,\mathrm{g}$ शर्करा होती है, जिसे हम ग्लूकोज़ मानते हैं, और टंकी बंद कर देने के बाद उसमें घुली हुई ऑक्सीजन नहीं रहती। मोलर द्रव्यमान: ग्लूकोज़ $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , इथेनॉल $\mathrm{C_2H_5OH}$ $46\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , कार्बन डाइऑक्साइड $44\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , ऑक्सीजन $32\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ । इथेनॉल का घनत्व $0.79\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ है। तहख़ाने के ताप पर एक मोल गैस लगभग $24\,\mathrm{L}$ घेरती है। टंकी $1000\,\mathrm{L}$ की है।

भाग I — खमीर बनाता क्या है।

बंद टंकी में खमीर कौन-सा पथ चुनता है, और क्यों? उसका समीकरण लिखिए।
एक लीटर रस में ग्लूकोज़ के कितने मोल हैं?
प्रति लीटर बनने वाले इथेनॉल का द्रव्यमान निकालिए, फिर उसका आयतन, फिर शराब में आयतन के हिसाब से ऐल्कोहॉल की मात्रा प्रतिशत में।
प्रति लीटर रस से बनने वाली कार्बन डाइऑक्साइड का द्रव्यमान निकालिए, और गैस के रूप में उसका आयतन भी।
पूरी टंकी से कार्बन डाइऑक्साइड का कितना आयतन छूटता है? $4\,\mathrm{m}$ गुणा $6\,\mathrm{m}$ गुणा $2.5\,\mathrm{m}$ के एक तहख़ाने के आयतन से तुलना कीजिए।

भाग II — अगर खमीर को हवा मिलती।

यदि रस में लगातार हवा भरी जाती तो खमीर जिस समीकरण पर चलता, वह लिखिए।
एक लीटर रस की शर्करा का श्वसन करने के लिए ज़रूरी ऑक्सीजन का द्रव्यमान निकालिए, और छूटने वाली कार्बन डाइऑक्साइड का भी।
प्रश्न 7 की कार्बन डाइऑक्साइड की तुलना प्रश्न 4 वाली से कीजिए, और ग्लूकोज़ कितनी दूर तक टूटता है, इसके आधार पर अंतर समझाइए।
श्वसन प्रति ग्लूकोज़ लगभग 30 ATP देता है और किण्वन 2। यदि खमीर को दोनों हालों में उतने ही ATP चाहिए, तो शर्करा किस हाल में अधिक चलेगी, और कितने गुना?
समझाइए कि फिर भी शराब बनाने वाला हवा को बाहर क्यों रखता है।

भाग III — टंकी की ऊष्मा। किण्वन प्रति मोल ग्लूकोज़ लगभग $70\,\mathrm{kJ}$ ऊष्मा छोड़ता है; और $1\,\mathrm{kg}$ जल को $1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ गरम करने में $4.2\,\mathrm{kJ}$ लगते हैं।

प्रति लीटर रस से छूटने वाली ऊष्मा निकालिए, फिर पूरी टंकी के लिए।
यदि उसमें से कुछ भी बाहर न निकले, तो टंकी का ताप कितना बढ़ेगा? (रस को जल मान लीजिए।)
खमीर के एंजाइम लगभग $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ से ऊपर नष्ट हो जाते हैं। $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ से शुरू करके क्या बिना ठंडा की गई टंकी बची रहेगी? इससे आपको क्या पता चलता है कि बड़ी टंकियाँ ठंडी क्यों की जाती हैं?
प्रतिज्ञप्ति 4.2 की मदद से समझाइए कि शर्करा अब भी मौजूद होने के बावजूद ऊष्मा किण्वन को क्यों रोक देती है।
श्वसन ने प्रति मोल लगभग $2870\,\mathrm{kJ}$ छोड़े होते। जो ऊर्जा किण्वन नहीं छोड़ता, वह कहाँ बची रह जाती है?

भाग IV — तहख़ाना।

कार्बन डाइऑक्साइड हवा से सघन है। वह तहख़ाने में कहाँ जमा होती है, और नीचे तक ले जाई गई जलती मोमबत्ती एक परंपरागत सुरक्षा परीक्षण क्यों है?
ऑक्सीजन से वंचित किसी मज़दूर की कोशिकाएँ किस पथ पर चली जातीं — और मानव शरीर उस पर कुछ मिनटों से अधिक क्यों नहीं जी सकता?
ऐल्कोहॉल के आयतन के हिसाब से लगभग 15% पहुँचते ही किण्वन अपने आप रुक जाता है। खमीर के एंजाइमों के आधार पर इसका एक स्पष्टीकरण सुझाइए।
ब्रेड का गुँधा आटा उसी खमीर को एक घंटे इस्तेमाल करता है। गूदे के बुलबुलों में क्या है, और सिंकने के बाद इथेनॉल कहाँ चला जाता है?
परिणाम लिखिए: एक लीटर रस के लिए ऐल्कोहॉल की मात्रा और बनी हुई गैस का आयतन — और वह अकेला उपापचयी तथ्य जो दोनों को समझा देता है।

हल

हल — समस्या 4.1.

1. ऐल्कोहॉली किण्वन, क्योंकि बंद टंकी में ऑक्सीजन नहीं है: $\mathrm{C_6H_{12}O_6} \to 2\,\mathrm{C_2H_5OH} + 2\,\mathrm{CO_2}$ ।

2. $200/180 \approx 1.11\,\mathrm{mol}$ ।

3. इथेनॉल $2 \times 1.11 = 2.22\,\mathrm{mol}$ , यानी $2.22 \times 46 \approx 102\,\mathrm{g}$ ; आयतन $102/0.79 \approx 129\,\mathrm{mL}$ ; यानी आयतन के हिसाब से लगभग 13%।

4. कार्बन डाइऑक्साइड $2.22 \times 44 \approx 98\,\mathrm{g}$ ; गैस के रूप में $2.22 \times 24 \approx 53\,\mathrm{L}$ ।

5. लगभग $53\,000\,\mathrm{L}$ $= 53\,\mathrm{m}^{3}$ । तहख़ाना $4 \times 6 \times 2.5 = 60\,\mathrm{m}^{3}$ का है: छूटी हुई गैस उसे लगभग भर ही देती।

6. $\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ ।

7. ऑक्सीजन $6 \times 1.11 = 6.67\,\mathrm{mol}$ , यानी $6.67 \times 32 \approx 213\,\mathrm{g}$ ; कार्बन डाइऑक्साइड $6.67 \times 44 \approx 293\,\mathrm{g}$ ।

8. तीन गुना अधिक: श्वसन ग्लूकोज़ के छहों कार्बन कार्बन डाइऑक्साइड में बदल देता है, किण्वन केवल दो, और बाक़ी चार इथेनॉल में बने रहते हैं।

9. श्वसन के साथ पंद्रह गुना अधिक देर: हर ग्लूकोज़ पंद्रह गुना अधिक ATP देता है।

10. इथेनॉल केवल किण्वन बनाता है; हवा भरी टंकी कार्बन डाइऑक्साइड, जल और खमीर देती, शराब नहीं।

11. प्रति लीटर $1.11 \times 70 \approx 78\,\mathrm{kJ}$ ; और पूरी टंकी के लिए $78\,000\,\mathrm{kJ}$ , यानी $78\,\mathrm{MJ}$ ।

12. $78/4.2 \approx 18.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ।

13. $20 + 18.5 \approx 38.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : यानी ठीक खमीर की सीमा के किनारे, और गरम तहख़ाना उसे पार करा देता। बड़ी टंकी ऊष्मा धीरे खोती है, क्योंकि उसके आयतन के मुक़ाबले उसकी सतह छोटी है, इसलिए उसे जानबूझकर ठंडा करना पड़ता है।

14. एंजाइम प्रोटीन हैं; ऊष्मा उन्हें खोल देती है और वे काम करना बंद कर देते हैं। अपने एंजाइमों के बिना खमीर शर्करा को बदल नहीं सकता, चाहे वह कितनी ही बची हो।

15. इथेनॉल के रासायनिक बंधों में: प्रति मोल ग्लूकोज़ लगभग $2800\,\mathrm{kJ}$ , और इसीलिए इथेनॉल जलता है।

16. फ़र्श पर, एक परत में, जो किण्वन के साथ मोटी होती जाती है। नीचे तक ले जाई गई मोमबत्ती वहाँ बुझ जाती है जहाँ कार्बन डाइऑक्साइड ने ऑक्सीजन को हटा दिया है — यानी किसी आदमी के चपेट में आने से पहले की चेतावनी।

17. लैक्टिक किण्वन पर। वह पंद्रह गुना कम ATP देता है; मस्तिष्क और हृदय अपनी ज़रूरतें उस तरह पूरी नहीं कर सकते, और लैक्टिक अम्ल जमा होता जाता है। एक-दो मिनट में ही होश जाता रहता है।

18. अधिक सांद्रता पर इथेनॉल ख़ुद खमीर की झिल्लियों और एंजाइमों को नुक़सान पहुँचाता है: कोशिकाओं का अपना ही उत्पाद उनके उपापचय को विष दे देता है।

19. बुलबुलों में किण्वन की कार्बन डाइऑक्साइड है। इथेनॉल भट्ठी में उड़ जाता है (वह $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर उबलता है)।

20. प्रति लीटर रस पर आयतन के हिसाब से लगभग 13% ऐल्कोहॉल और $53\,\mathrm{L}$ गैस; और दोनों इसी से निकलते हैं कि खमीर, ऑक्सीजन के बिना, हर ग्लूकोज़ का किण्वन करके दो इथेनॉल और दो कार्बन डाइऑक्साइड बनाता है।

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