विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 1 · Bachelor Year 1

16जैवसंश्लेषण और समाकलित कोशिका

सुबह आठ बजे कोई यकृत नाश्ते की शर्करा को ग्लाइकोजन और वसा में बदल रहा होता है; और अगली सुबह तीन बजे वही यकृत पेशी के ऐमीनो अम्लों से शर्करा बना रहा होता है और उसे उस मस्तिष्क के लिए रक्त में उँड़ेल रहा होता है जिसने नौ घंटे से कुछ नहीं खाया। एंजाइमों में कुछ नहीं बदला; जो बदला वह यह है कि उनमें से कौन चालू हैं। पिछले अध्यायों ने कोशिका के अणु अलग-अलग किए; यह अध्याय उन्हें जोड़ता है — शर्कराओं, ग्लाइकोजन, वसाओं और ऐमीनो अम्लों के संश्लेषण — और फिर पूछता है कि कोई कोशिका, और कोई जीव, हर क्षण यह कैसे तय करते हैं कि कौन-से पथ चलें। उत्तर है: साझा मुद्राओं का एक छोटा समुच्चय, चौराहों पर कुछ एंजाइम, और वे हॉर्मोन जो हर कोशिका को समग्र की अवस्था बता देते हैं।

16.1 किसी संश्लेषण को क्या चाहिए

प्रतिज्ञप्ति 16.1 (उपचय की तीन आवश्यकताएँ)

हर जैवसंश्लेषण को कार्बन कंकाल चाहिए, जो ग्लाइकोलिसिस और क्रेब्स चक्र के मुट्ठी भर मध्यवर्तियों से लिए जाते हैं; अपचायक शक्ति, जो NADPH के रूप में मिलती है; और ऊर्जा, जो ATP के रूप में। इसलिए अपचय और उपचय उन्हीं चौराहों पर मिलते हैं — ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट, ट्रायोस फ़ॉस्फ़ेट, पाइरुवेट, ऐसीटिल-CoA, $\alpha$ -कीटोग्लूटारेट, ऑक्सैलोऐसीटेट — पर अनुत्क्रमणीय चरणों पर अलग-अलग एंजाइमों से चलते हैं, ताकि हर दिशा स्वतंत्र रूप से चालू-बंद की जा सके, और वे अपने इलेक्ट्रॉनों के लिए अलग-अलग सहएंजाइम काम में लेते हैं: अपचय में इलेक्ट्रॉन हटाने के लिए NADH, जिसे ऑक्सीकृत रखा जाता है; और संश्लेषण में उन्हें सौंपने के लिए NADPH, जिसे अपचयित रखा जाता है।

परिभाषा 16.2 (पेंटोस फ़ॉस्फ़ेट पथ)

कोशिकाद्रव का पेंटोस फ़ॉस्फ़ेट पथ ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट का ऑक्सीकरण करके राइबुलोस-5-फ़ॉस्फ़ेट और $\mathrm{CO_2}$ बनाता है, तथा दो $\mathrm{NADP^+}$ को NADPH में अपचयित करता है; और उसकी अनॉक्सीकारक शाखा फिर पाँच-, चार-, छह- और सात-कार्बन वाले शर्करा फ़ॉस्फ़ेटों को आपस में बदलती रहती है, ताकि कोशिका पेंटोस चाहिए होने पर न्यूक्लियोटाइडों के लिए राइबोस-5-फ़ॉस्फ़ेट बना सके, अपचायक शक्ति चाहिए होने पर NADPH (वसा-संश्लेषण, ऑक्सीकारकों से बचाव), या दोनों, और बाक़ी ग्लाइकोलिसिस को लौटा दे। जंतु कोशिकाओं में NADPH का मुख्य स्रोत यही है; और पौधों में दिन के समय हरितलवक की प्रकाश अभिक्रियाएँ NADPH देती हैं।

उपापचय के चौराहे। केंद्रीय पथों के छह केंद्र (नीले) ईंधन तथा भंडार (नारंगी) लेते हैं और हर जैवसंश्लेषण (हरा) को देते हैं। ग्लूकोजनन (लाल) नक़्शे के बीच से ऊपर की ओर चलता है।

16.2 ग्लूकोज़ बनाना: ग्लूकोजनन

परिभाषा 16.3 (ग्लूकोजनन)

ग्लूकोजनन अकार्बोहाइड्रेट पूर्ववर्तियों से ग्लूकोज़ बनाता है — लैक्टेट, पाइरुवेट, ग्लिसरॉल और अधिकांश ऐमीनो अम्लों के कार्बन कंकाल — और यह यकृत में होता है (और थोड़ा गुर्दे में)। वह ग्लाइकोलिसिस को उसके सात उत्क्रमणीय चरणों से उल्टा चलाता है और तीनों अनुत्क्रमणीय चरणों को अलग एंजाइमों से घुमा देता है: पाइरुवेट का कार्बोक्सिलन होकर ऑक्सैलोऐसीटेट बनता है (सूत्रकणिका में, एक ATP) और उसका विकार्बोक्सिलन होकर फ़ॉस्फ़ोइनॉलपाइरुवेट (एक GTP); फ्रक्टोस-1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट का जल-अपघटन होकर फ्रक्टोस-6-फ़ॉस्फ़ेट बनता है; और ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट का जल-अपघटन होकर मुक्त ग्लूकोज़, जो कोशिका से निकल जाता है। प्रति ग्लूकोज़: 6 ATP तुल्यांक और 2 NADH, जबकि ग्लाइकोलिसिस 2 ATP देता है — यही किसी ढलान वाले पथ को चढ़ाई पर चलाने की क़ीमत है।

ग्लाइकोलिसिस और ग्लूकोजनन सात उत्क्रमणीय अभिक्रियाएँ साझा करते हैं और तीन अनुत्क्रमणीय अभिक्रियाओं पर भिन्न हैं, जिनमें से हर एक को कोई अलग एंजाइम घुमा देता है। अलग एंजाइम का अर्थ है अलग नियंत्रण: यकृत एक दिशा चालू और दूसरी बंद कर सकता है।

प्रतिज्ञप्ति 16.4 (क्या ग्लूकोज़ बन सकता है और क्या नहीं)

लैक्टेट, ग्लिसरॉल, और वे ऐमीनो अम्ल जो पाइरुवेट या क्रेब्स-चक्र के मध्यवर्ती देते हैं (ल्यूसीन और लाइसीन को छोड़कर सब) ग्लूकोज़ में बदले जा सकते हैं। जंतुओं में वसा अम्ल नहीं बदल सकते: उनका $\beta$ -ऑक्सीकरण ऐसीटिल-CoA देता है, जिसके दोनों कार्बन चक्र में घुसते हैं और कोई ऑक्सैलोऐसीटेट कमाए जाने से पहले ही दो $\mathrm{CO_2}$ के रूप में निकल जाते हैं, इसलिए ऐसीटिल-CoA से शर्करा तक कोई शुद्ध रास्ता नहीं है। पौधों, कवकों और जीवाणुओं के पास ग्लाइऑक्सिलेट चक्र है, यानी वह छोटा रास्ता जो दोनों विकार्बोक्सिलन छोड़ देता है और किसी अंकुरित होते तैलीय बीज को अपनी वसा उस शर्करा में बदलने देता है जो उसके अंकुर को चाहिए। इसके विपरीत किसी भूखे स्तनधारी को अपना ग्लूकोज़ प्रोटीन से बनाना पड़ता है।

उदाहरण 16.5 (कोरी चक्र)

दौड़ती कोई पेशी ग्लाइकोजन को किण्वित करके लैक्टेट बनाती है, जो रक्त में घुस जाता है; यकृत उस लैक्टेट को ले लेता है, उसका ऑक्सीकरण करके पाइरुवेट बनाता है, उससे प्रति ग्लूकोज़ 6 ATP की क़ीमत पर ग्लूकोज़ बनाता है, और वह ग्लूकोज़ पेशी के फिर काम आने के लिए रक्त में लौटा देता है। पेशी ने बिना ऑक्सीजन के प्रति ग्लूकोज़ 2 ATP कमाए और 6 का बिल यकृत को थमा दिया, जो उसे फ़ुरसत से ऑक्सीजन के साथ चुकाता है: किसी दौड़ का “ऑक्सीजन ऋण” बड़े हिस्से में यकृत ही चुकाता है।

16.3 संचय: ग्लाइकोजन और वसा

परिभाषा 16.6 (ग्लाइकोजन संश्लेषण)

ग्लूकोज़ को ग्लाइकोजन के रूप में संचित करने के लिए ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट को UDP-ग्लूकोज़ में सक्रिय किया जाता है (एक UTP), जिसे ग्लाइकोजन सिंथेज़ पहले से मौजूद वृक्ष के अनपचायक सिरों पर जोड़ती है; और कोई शाखन एंजाइम छोटी शृंखलाएँ काटकर फिर जोड़ देता है ताकि $\alpha(1{\to}6)$ शाखाएँ बनें (अध्याय 10)। सिंथेज़ और फ़ॉस्फ़ोरिलेज़ को वही संकेत विपरीत दिशाओं में नियंत्रित करते हैं: जो फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण फ़ॉस्फ़ोरिलेज़ चालू करता है वही सिंथेज़ बंद कर देता है, इसलिए वृक्ष कभी एक ही साथ बनता और गिरता नहीं।

परिभाषा 16.7 (वसा अम्ल संश्लेषण)

वसा अम्ल कोशिकाद्रव में सूत्रकणिका से निर्यात हुए ऐसीटिल-CoA से बनते हैं। ऐसीटिल-CoA कार्बोक्सिलेज़, जो नियमित चरण है, उसका कार्बोक्सिलन करके (एक ATP) मैलोनिल-CoA बनाता है; फिर वसा अम्ल सिंथेज़ मैलोनिल-CoA से एक बार में दो कार्बन किसी बढ़ती शृंखला पर जोड़ता है और हर जोड़ को दो NADPH से अपचयित करता है, जब तक पामिटेट (C16) न छूट जाए: प्रति पामिटेट 8 ऐसीटिल-CoA, 7 ATP और 14 NADPH। बाक़ी अम्ल अंतर्द्रव्यी जालिका में दीर्घीकरण तथा असंतृप्तीकरण से बनते हैं; और ग्लिसरॉल-3-फ़ॉस्फ़ेट (जो ट्रायोस फ़ॉस्फ़ेट से आता है) से एस्टरीकरण ट्राइग्लिसराइड बनाता है। यह पथ उल्टा चलाया गया $\beta$ -ऑक्सीकरण नहीं है: अलग एंजाइम, अलग कक्ष, ऐसीटिल-CoA के बजाय मैलोनिल-CoA, और $\mathrm{FADH_2}$ तथा NADH के बजाय NADPH — और मैलोनिल-CoA वसा अम्लों का सूत्रकणिका में अभिगमन रोक देता है, इसलिए कोई कोशिका एक ही साथ वसा बनाती और जलाती नहीं।

उदाहरण 16.8 (शर्करा से वसा)

जिस यकृत को ग्लाइकोजन के रूप में संचित कर सकने से अधिक ग्लूकोज़ मिले वह वसा बनाता है: ग्लूकोज़ से पाइरुवेट, फिर ऐसीटिल-CoA (जिसमें कार्बन का एक-तिहाई $\mathrm{CO_2}$ के रूप में खोता है और ATP कमाया जाता है), फिर ऐसीटिल-CoA से पामिटेट, उसी ATP की और पेंटोस फ़ॉस्फ़ेट पथ के NADPH की क़ीमत पर, और फिर पामिटेट से ट्राइग्लिसराइड, जो वसा ऊतक को भेज दिया जाता है। शर्करा की ऊर्जा का कोई $15\,\%$ इस बदलाव में खो जाता है; और बाक़ी ग्लाइकोजन से नौ गुना अधिक संहत रूप में संचित होता है (अध्याय 9)। इसका उल्टा — वसा से शर्करा — असंभव है।

16.4 नाइट्रोजन: ऐमीनो अम्ल और न्यूक्लियोटाइड

परिभाषा 16.9 (नाइट्रोजन स्वांगीकरण, ऐमीन-अंतरण)

अमोनियम कार्बनिक पदार्थ में लगभग पूरा ग्लूटामेट के रास्ते घुसता है: ग्लूटामेट डिहाइड्रोजनेज़ उसे $\alpha$ -कीटोग्लूटारेट से जोड़ती है, और ग्लूटामीन सिंथेटेज़ एक दूसरा अमोनियम ग्लूटामेट की पार्श्व शृंखला पर जोड़कर (एक ATP) ग्लूटामीन बनाती है। इन दोनों दाताओं से ऐमीन-अंतरेज़ (ऐमीनोहस्तांतरेज़, जिनका सहएंजाइम विटामिन B $_6$ है) ऐमीनो समूह किसी भी $\alpha$ -कीटो अम्ल पर पहुँचा देते हैं, और इस तरह केंद्रीय पथों के कार्बन कंकालों से ऐमीनो अम्ल बनते हैं: $\alpha$ -कीटोग्लूटारेट से ग्लूटामेट कुल, ऑक्सैलोऐसीटेट से ऐस्पार्टेट कुल, और पाइरुवेट तथा 3-फ़ॉस्फ़ोग्लिसरेट से ऐलानीन और सेरीन। पौधे और जीवाणु बीसों बनाते हैं; जंतु उनमें से नौ तक जाने वाले लंबे पथ खो चुके हैं, यानी आवश्यक ऐमीनो अम्ल, और उन्हें भोजन से लेते हैं। वही ऐमीन-अंतरेज़, उल्टे चलाकर, अतिरिक्त ऐमीनो अम्लों से नाइट्रोजन उतारकर अमोनिया (मछलियाँ), यूरिया (स्तनधारी) या यूरिक अम्ल (पक्षी, कीट) के रूप में उत्सर्जन के लिए भेज देते हैं।

उदाहरण 16.10 (न्यूक्लियोटाइड)

कोई प्यूरीन वलय राइबोस-5-फ़ॉस्फ़ेट पर ग्लाइसीन, ऐस्पार्टेट, दो ग्लूटामीन, दो एक-कार्बन इकाइयों और $\mathrm{CO_2}$ से जोड़ा जाता है, और इसकी क़ीमत छह ATP है; और कोई पिरिमिडीन ऐस्पार्टेट तथा कार्बामॉइल फ़ॉस्फ़ेट से। डिऑक्सीन्यूक्लियोटाइड राइबोन्यूक्लियोटाइडों से शर्करा का अपचयन करके बनाए जाते हैं, और इसमें NADPH काम आता है। विभाजित होने को तैयार कोई कोशिका घंटे भर में कोई $10^{10}$ न्यूक्लियोटाइड बनाती है; और जो दवाएँ इन संश्लेषणों को रोकती हैं — मेथोट्रेक्सेट, 5-फ़्लोरोयूरैसिल — सबसे पहले विभाजित होती कोशिकाओं को रोकती हैं, और इसीलिए वे कैंसर का इलाज करती हैं।

16.5 समाकलित स्तनधारी

प्रतिज्ञप्ति 16.11 (भरा हुआ और उपवास में)

अंग काम बाँट लेते हैं। भोजन के बाद अग्न्याशय का इंसुलिन यकृत से कहता है कि ग्लूकोज़ को ग्लाइकोजन के रूप में संचित करे और अतिरिक्त को वसा में बदले, पेशियों से कि ग्लूकोज़ लें और ग्लाइकोजन संचित करें, और वसा ऊतक से कि वसा ले ले; और रक्त का ग्लूकोज़, जो चढ़कर $8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ हो गया था, दो घंटे में $5\,$ पर लौट आता है। भोजनों के बीच ग्लूकैगॉन यकृत से कहता है कि अपना ग्लाइकोजन तोड़े और, उसके चुकते जाने पर, लैक्टेट, ग्लिसरॉल तथा ऐमीनो अम्लों से ग्लूकोज़ बनाए, और वसा ऊतक से कि वसा अम्ल छोड़े, जिन्हें पेशियाँ तथा यकृत ग्लूकोज़ की जगह जलाते हैं; और मस्तिष्क, जो वसा नहीं जला सकता, अपने $120\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ प्रतिदिन बनाए रखता है। दिनों के उपवास में यकृत वसा अम्लों को कीटोन काय में बदल देता है, जो छोटे अम्ल हैं और जिन्हें मस्तिष्क काम में ले सकता है, और तब ग्लूकोज़ की — तथा उसे बनाने वाले प्रोटीन की — माँग दो-तिहाई घट जाती है। हॉर्मोनी क्रियाविधियाँ वर्ष 2 के खंड की हैं; उपापचयी तर्क इस अध्याय का।

दिन भर रक्त का ग्लूकोज़। हर भोजन उसे दो घंटे के लिए चढ़ा देता है जबकि इंसुलिन संचय चलाता है; और भोजनों के बीच तथा रात भर ग्लूकैगॉन उसे यकृत के ग्लाइकोजन और ग्लूकोजनन से 5\, mmol/ L के पास रखता है। नियत बिंदु दो के गुणक के भीतर टिका रहता है। — दिन भर रक्त का ग्लूकोज़। हर भोजन उसे दो घंटे के लिए चढ़ा देता है जबकि इंसुलिन संचय चलाता है; और भोजनों के बीच तथा रात भर ग्लूकैगॉन उसे यकृत के ग्लाइकोजन और ग्लूकोजनन से $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ के पास रखता है। नियत बिंदु दो के गुणक के भीतर टिका रहता है।

यकृत की एक पालिका: किसी केंद्रीय शिरा से फैलती यकृत-कोशिकाओं की पट्टियाँ, जो आँत से आए रक्त में डूबी हैं। ये कोशिकाएँ ग्लाइकोजन संचित करती हैं, ग्लूकोज़ बनाती हैं, वसा तथा कीटोन काय बनाती हैं, और नाइट्रोजन ठिकाने लगाती हैं — यानी शरीर का उपापचयी लेखा-घर।

विधि 16.12 (किसी उपापचयी अवस्था को पढ़ना)

पूछिए कि कौन-सा ईंधन प्रचुर है: ऊँचे ग्लूकोज़ का अर्थ है संचय (ग्लाइकोजन, फिर वसा); और नीचे ग्लूकोज़ का अर्थ है जुटाव।
संकेतों का पीछा कीजिए: इंसुलिन सिंथेज़ों को सक्रिय करता है और फ़ॉस्फ़ोरिलेज़ तथा लाइपेज़ को निष्क्रिय; ग्लूकैगॉन उल्टा करता है — और अधिकतर उन्हीं एंजाइमों के फ़ॉस्फ़ोरिलीकरण से (अध्याय 13)।
चौराहे जाँचिए: ATP और साइट्रेट PFK रोकते हैं तथा ग्लूकोजनन खोलते हैं; AMP उल्टा करता है; मैलोनिल-CoA वसा बनते समय वसा का जलना रोकता है; और ऐसीटिल-CoA उस कार्बोक्सिलेज़ को सक्रिय करता है जो ग्लूकोजनन शुरू करती है।
अंग बाँटिए: यकृत (ग्लूकोज़ संचित करता, बनाता और निर्यात करता है; कीटोन तथा यूरिया बनाता है), पेशी (अपने लिए ग्लाइकोजन संचित करती है, लैक्टेट तथा ऐलानीन निर्यात करती है), वसा ऊतक (वसा संचित करता और छोड़ता है), मस्तिष्क (ग्लूकोज़ जलाता है, फिर कीटोन)।

16.6 समाकलित पौधा

प्रतिज्ञप्ति 16.13 (स्रोत और ग्राही)

दिन में किसी पत्ती के हरितलवक ट्रायोस फ़ॉस्फ़ेट कोशिकाद्रव को निर्यात करते हैं, जहाँ उसे सुक्रोस बना दिया जाता है ताकि वह फ्लोएम में (अध्याय 24) जड़ों, फलों और बढ़ते सिरों तक जाए; और जो फ्लोएम नहीं ले जा सकता वह हरितलवक में मंड के रूप में रख लिया जाता है, जो एक क्षणिक भंडार है और जिसे रात में जुटाकर सुक्रोस का प्रवाह बनाए रखा जाता है। जहाँ किसी स्तनधारी का यकृत ग्लाइकोजन और निर्यात के बीच का निर्णय हॉर्मोनों से करता है, वहाँ कोई पत्ती मंड और सुक्रोस के बीच का निर्णय कोशिकाद्रव में फ़ॉस्फ़ेट के स्तर से करती है, जो हरितलवक के आवरण के निर्यातक को नियंत्रित करता है। कोई पौधा अपने ही उपापचयजों की सांद्रताओं से, अंग-दर-अंग नियमन करता है; और स्तनधारी उस पर पूरे शरीर की एक तंत्रिकीय तथा हॉर्मोनी कमान जोड़ देता है।

आयोडीन जाँच से पहले और बाद में एक चितकबरी पत्ती: मंड (नीला-काला) केवल वहीं बना है जहाँ पर्णहरित था। सफ़ेद क्षेत्रों ने, जिन्होंने हरे क्षेत्रों से सुक्रोस आयात किया, अपना कोई मंड नहीं बनाया।

उदाहरण 16.14 (एक रात का मंड)

कोई पत्ती दिन में जो स्थिर करती है उसका लगभग आधा मंड के रूप में अलग रख देती है और रात भर उसे लगभग अचर दर से तोड़ती है, ताकि भंडार ठीक भोर से पहले चुक जाए: रात को कृत्रिम रूप से छोटा कीजिए तो मंड बच जाता है; और लंबा कीजिए तो पौधा अंतिम घंटों में भूखा रह जाता है। यह दर अँधेरे के पहले घंटे के भीतर भंडार के आकार और रात की अपेक्षित लंबाई के अनुसार समायोजित हो जाती है — यानी एंजाइमों और एक घड़ी से की गई एक गणना, उस कोशिका में जिसका कोई मस्तिष्क नहीं है।

16.7 अभ्यास

अभ्यास 16.1 ★

किसी जैवसंश्लेषण को चाहिए तीन चीज़ें बताइए, और वह पथ भी जो किसी जंतु कोशिका का अधिकांश NADPH देता है।

हल

हल — अभ्यास 16.1.

कार्बन-कंकाल (केंद्रीय पथों से), अपचायक शक्ति (NADPH), ऊर्जा (ATP)। पेंटोस फ़ॉस्फ़ेट पथ।

अभ्यास 16.2 ★

ग्लाइकोलिसिस के तीनों अनुत्क्रमणीय चरण गिनाइए और वह एंजाइम भी जो ग्लूकोजनन में हर एक को घुमा देता है।

हल

हल — अभ्यास 16.2.

हेक्सोकाइनेज़, जिसे ग्लूकोज-6-फ़ॉस्फ़ेटेज़ बगल कर जाती है; फ़ॉस्फ़ोफ्रक्टोकाइनेज़, जिसे फ्रक्टोस-1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेटेज़; और पाइरुवेट काइनेज़, जिसे पाइरुवेट कार्बॉक्सिलेज़ जोड़ PEP कार्बॉक्सीकाइनेज़।

अभ्यास 16.3 ★

रक्त-ग्लूकोज़ वाले आलेख से नाश्ते के बाद का शिखर, $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर लौटने का समय, और रात का सबसे निचला मान पढ़िए।

हल

हल — अभ्यास 16.3.

भोजन के एक घंटे बाद शिखर लगभग $7.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ; लगभग तीन घंटे बाद $5\,$ पर वापस; और नाश्ते से पहले सबसे नीचा लगभग $4.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ।

अभ्यास 16.4 ★

सूरजमुखी का कोई अंकुरित होता बीज अपने तेल से शर्करा क्यों बना सकता है और कोई भूखा मनुष्य क्यों नहीं?

हल

हल — अभ्यास 16.4.

बीज के पास ग्लाइऑक्सिलेट चक्र है, जो दो ऐसिटिल-CoA को बिना $\mathrm{CO_2}$ के रूप में कार्बन खोए एक चार-कार्बन अम्ल में बदल देता है, और उसी अम्ल से शर्करा बनाता है। जंतुओं में उस छोटे रास्ते के दोनों एंजाइम नहीं होते: उनका ऐसिटिल-CoA क्रेब्स चक्र में घुसता है और उसके दोनों कार्बन किसी शुद्ध ऑक्सैलोऐसीटेट के प्रकट होने से पहले ही $\mathrm{CO_2}$ बनकर निकल जाते हैं।

अभ्यास 16.5 ★★

दो लैक्टेट से एक ग्लूकोज़ बनाने की ATP लागत निकालिए, और कोरी चक्र के एक फेरे की शुद्ध लागत भी (पेशी 2 कमाती है, यकृत 6 ख़र्च करता है)। कौन चुकाता है, और किससे?

हल

हल — अभ्यास 16.5.

प्रति ग्लूकोज छह ATP-तुल्य (दो कार्बॉक्सिलन, दो GTP, दो ATP फ़ॉस्फ़ोग्लिसरेट वाले चरण पर)। प्रति चक्र शुद्ध: $2 - 6 = -4$ ATP. यकृत ऑक्सीजन के साथ, दौड़ के बाद चुकाता है — पेशी ने ऐसा ATP उधार लिया था जो वह समय पर वायुजीवी ढंग से नहीं बना सकती थी।

अभ्यास 16.6 ★★

एक पामिटेट को 8 ऐसीटिल-CoA, 7 ATP और 14 NADPH चाहिए। वह ऐसीटिल-CoA देने के लिए कितने ग्लूकोज़ अणुओं को ग्लाइकोलिसिस तथा पाइरुवेट डिहाइड्रोजनेज़ से गुज़रना पड़ेगा, और NADPH देने के लिए कितनों को पेंटोस फ़ॉस्फ़ेट पथ से (प्रति एक 2 NADPH)?

हल

हल — अभ्यास 16.6.

हर ग्लूकोज 2 ऐसिटिल-CoA देता है: यानी 4 ग्लूकोज। ऑक्सीकारी शाखा से होकर हर ग्लूकोज 2 NADPH देता है: यानी 7 ग्लूकोज। एक पामिटेट के लिए ग्यारह ग्लूकोज — जिनमें चार कार्बन देते हैं और सात इलेक्ट्रॉन।

अभ्यास 16.7 ★★

समझाइए कि वसा अम्ल संश्लेषण और $\beta$ -ऑक्सीकरण अलग एंजाइम, अलग कक्ष और अलग सहएंजाइम क्यों काम में लेते हैं, और मैलोनिल-CoA उन्हें साथ-साथ चलने से कैसे रोकता है।

हल

हल — अभ्यास 16.7.

अलग-अलग एंजाइम हर दिशा को स्वतंत्र रूप से चालू या बंद होने देते हैं; अलग-अलग कक्ष (संश्लेषण के लिए कोशिकाद्रव्य, ऑक्सीकरण के लिए आधात्री) मध्यवर्तियों के दोनों कोष अलग कर देते हैं; NADPH संश्लेषण के लिए अपचयित रखा जाता है जबकि NAD अपघटन के लिए ऑक्सीकृत, इसलिए हर दिशा अपनी ही जगह ऊष्मागतिकी की दृष्टि से अनुकूल रहती है। मैलोनिल-CoA, जो संश्लेषण का पहला प्रतिबद्ध मध्यवर्ती है, उस कार्निटीन शटल को संदमित करता है जो वसा अम्लों को सूत्रकणिका में ले जाती है: यानी जब तक वसा बन रही हो, कोई जलती नहीं।

अभ्यास 16.8 ★★

$\alpha$ -कीटोग्लूटारेट के साथ ऐलानीन का ऐमीन-अंतरण लिखिए और उत्पादों के नाम बताइए। किसी प्रोटीन-भोजन के बाद कौन-सी दिशा चलती है, और किसी उपवास में कौन-सी?

हल

हल — अभ्यास 16.8.

ऐलानीन $+ \alpha$ -कीटोग्लूटारेट $\rightleftharpoons$ पाइरुवेट $+$ ग्लूटामेट। किसी प्रोटीन-भोजन के बाद अधिशेष ऐलानीन अपनी नाइट्रोजन ग्लूटामेट को दे देती है (दाईं ओर), यूरिया के रूप में निपटाने के लिए, और अपना कार्बन ईंधन या ग्लूकोज के लिए। किसी उपवास में पेशी का प्रोटीन तोड़ा जाता है और उसके ऐमीनो समूह पाइरुवेट पर ऐलानीन के रूप में बटोरे जाते हैं (पेशी में बाईं ओर), यकृत को भेजे जाते हैं, और वहाँ फिर पाइरुवेट तथा ग्लूकोज में बदल दिए जाते हैं।

अभ्यास 16.9 ★★

किसी रोगी में ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेटेज़ नहीं है। भोजनों के बीच रक्त ग्लूकोज़ पर, यकृत के आकार पर, और रक्त लैक्टेट पर पड़ते प्रभावों की भविष्यवाणी कारण सहित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 16.9.

यकृत मुक्त ग्लूकोज नहीं छोड़ सकता: भोजनों के बीच रक्त-ग्लूकोज खतरनाक ढंग से गिर जाता है (अल्पशर्करता)। ग्लूकोज-6-फ़ॉस्फ़ेट जमा होता है और ग्लाइकोजन की ओर मोड़ दिया जाता है, जिसे यकृत रक्त तक उतार नहीं सकता: यकृत ग्लाइकोजन से बड़ा हो जाता है। अतिरिक्त ग्लूकोज-6-फ़ॉस्फ़ेट ग्लाइकोलिसिस से नीचे लैक्टेट तक भी चला जाता है, जो रक्त में चढ़ जाता है।

अभ्यास 16.10 ★★★

मस्तिष्क को दिन में $120\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ चाहिए और $1\,\mathrm{g}$ प्रोटीन $0.55\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ देता है। केवल ग्लूकोजनन से मस्तिष्क को खिलाने के लिए कोई उपवास कर रहा व्यक्ति प्रतिदिन कितना प्रोटीन खोएगा, और वह कितनी पेशी के बराबर है ( $20\,\%$ प्रोटीन), यह निकालिए। यदि कीटोन काय मस्तिष्क की ग्लूकोज़-माँग घटाकर $40\,\mathrm{g}$ कर दें तो वे क्या बदल देते हैं, समझाइए।

हल

हल — अभ्यास 16.10.

प्रति दिन $120/0.55 = 218\,\mathrm{g}$ प्रोटीन, यानी लगभग $1.1\,\mathrm{kg}$ पेशी। कीटोन-पिंडों के साथ, $40/0.55 = 73\,\mathrm{g}$ प्रोटीन, यानी $360\,\mathrm{g}$ पेशी: हानि दो-तिहाई घट जाती है, और वसा-भंडार पर उत्तरजीविता हफ़्तों से बढ़कर महीनों तक चली जाती है।

अभ्यास 16.11 ★★★

इंसुलिन ग्लाइकोजन सिंथेज़ को सक्रिय और ग्लाइकोजन फ़ॉस्फ़ोरिलेज़ को निष्क्रिय करता है; ग्लूकैगॉन उल्टा करता है। समझाइए कि दोनों एक ही साथ सक्रिय क्यों नहीं हो सकते, यदि होते तो क्या होता (प्रति चक्र बरबाद ATP निकालिए: एक ग्लूकोज़ जोड़ने में एक UTP, हटाने में कुछ नहीं), और यह “व्यर्थ चक्र” भौंरों में अपनी उड़ान की पेशियाँ गरम करने के लिए किस काम आता है।

हल

हल — अभ्यास 16.11.

वही फ़ॉस्फ़ोरिलन-अनुक्रमिका एक को सक्रिय और दूसरे को निष्क्रिय करती है, इसलिए जो संकेत एक वाल्व खोलता है वही दूसरा बंद कर देता है। यदि दोनों सक्रिय होते, तो जोड़ा गया हर ग्लूकोज (एक UTP, यानी एक ATP के तुल्य) और हटाया गया (मुक्त) प्रति चक्कर एक ATP लेता और ऊष्मा के सिवा कुछ न बनाता। भौंरा किसी ठंडी सुबह उड़ान भरने से पहले अपनी उड़ान-पेशियों में ठीक ऐसा ही चक्र (फ्रक्टोस-6-फ़ॉस्फ़ेट पर) चलाता है, और जब तक पेशी उड़ने लायक गरम न हो जाए तब तक ATP को हीटर की तरह जलाता है।

अभ्यास 16.12 ★★★

“किसी कोशिका के पास कोई योजना नहीं होती; उसके पास वाल्व होते हैं।” एक अनुच्छेद में चर्चा कीजिए: चौराहों के एंजाइमों का अन्यस्थानिक तथा हॉर्मोनी नियंत्रण, विपरीत दिशाओं के लिए अलग एंजाइमों की भूमिका, और उनसे जो उभरता है और जो योजना जैसा दिखता है।

हल

हल — अभ्यास 16.12.

हर चौराहे का एंजाइम केवल अपने आसपास के अणुओं पर जवाब देता है — ATP, AMP, सिट्रेट, ऐसिटिल-CoA, कोई फ़ॉस्फ़ेट जो किसी काइनेज़ ने उस पर रखा हो — और उसी हिसाब से खुलता या बंद होता है; दोनों दिशाओं के अलग-अलग एंजाइम का अर्थ है कि एक दिशा खोलना दूसरी बंद कर सकता है। कोई एंजाइम नाश्ते या मस्तिष्क के बारे में नहीं जानता; फिर भी इन स्थानीय जवाबों का योग यह है कि यकृत किसी भोजन के बाद संचित करता है, रात में छोड़ता है, किसी उपवास में प्रोटीन बचाता है: यानी एक संगत रणनीति, बिना किसी रणनीतिकार के। “योजना” वाल्वों की वायरिंग है, जिसे वरण ने चुना है, और जो हार्मोन एक साथ कई वाल्व बैठाते हैं वही जीव को एक इकाई की तरह काम करवाते हैं।

16.8 समस्या: किसी मनुष्य के चौबीस घंटे

समस्या 16.1

सप्ताहांत समस्या — बिना नाश्ते का एक दिन: भंडार तौले गए, मस्तिष्क खिलाया गया, प्रोटीन गिना गया और वसा जुटाई गई, और अंत में उपवास के वे घंटे जिन्हें यकृत का ग्लाइकोजन ढक सकता है

$70\,\mathrm{kg}$ का कोई वयस्क दिन में $8.4\,\mathrm{MJ}$ ख़र्च करता है (औसतन $100\,\mathrm{W}$ ) और उसके पास है: यकृत ग्लाइकोजन $100\,\mathrm{g}$ , पेशी ग्लाइकोजन $400\,\mathrm{g}$ , वसा $12\,\mathrm{kg}$ , प्रोटीन $10\,\mathrm{kg}$ (जिसका $6\,\mathrm{kg}$ पेशी में)। मस्तिष्क दिन में $120\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ काम में लेता है ( $5\,\mathrm{g}/\mathrm{h}$ ); और बाक़ी ग्लूकोज़-निर्भर ऊतक (लाल कोशिकाएँ, गुर्दे की मध्यांश) $40\,\mathrm{g}$ । ऊर्जा: कार्बोहाइड्रेट $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , वसा $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , प्रोटीन $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ; $1\,\mathrm{g}$ प्रोटीन ग्लूकोजनन से $0.55\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ देता है; और $1\,\mathrm{g}$ वसा $0.1\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ (अपने ग्लिसरॉल से)।

भाग I — भंडार।

चारों भंडारों में से हर एक में रखी ऊर्जा मेगाजूल में निकालिए, और हर एक कितने दिन के व्यय के बराबर है वह भी।
कौन-सा भंडार रक्त को सीधे ग्लूकोज़ दे सकता है? पेशी ग्लाइकोजन क्यों नहीं?
शरीर को अपने ग्लूकोज़-निर्भर ऊतकों के लिए प्रतिदिन चाहिए कुल ग्लूकोज़ निकालिए।
स्वयं रक्त में ग्लूकोज़ निकालिए ( $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ , $5\,\mathrm{L}$ , $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ) और वे मिनट भी जितने वह अकेले मस्तिष्क को खिला सकता है।
दैनिक व्यय का कितना भिन्न मस्तिष्क का ग्लूकोज़ है?
भोजन के बाद यकृत का ग्लाइकोजन भर चुका है और रक्त का ग्लूकोज़ अब भी चढ़ रहा है। ग्लूकोज़ की अगली नियति और उसे चलाने वाला हॉर्मोन बताइए।

भाग II — रात। अंतिम भोजन 20:00 बजे समाप्त होता है; उसके बाद रक्त का ग्लूकोज़ अकेला यकृत देता है।

प्रतिदिन $160\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ पर ग्लूकोज़-निर्भर ऊतकों की प्रति घंटा माँग क्या है?
यदि और कुछ ग्लूकोज़ न दे तो उस दर पर $100\,\mathrm{g}$ यकृत ग्लाइकोजन कितनी देर चलता है?
असल में ग्लूकोजनन पहले घंटों से ही लगभग एक-तिहाई ग्लूकोज़ देता है। ग्लाइकोजन की अवधि फिर से निकालिए।
हर आकलन के अनुसार सुबह किस समय यकृत का ग्लाइकोजन चुक जाता है?
इस बीच पेशियाँ वसा अम्ल जलाती हैं। यदि वे विश्राम-व्यय का $60\,\%$ लें और केवल वसा जलाएँ, तो रात भर ( $12\,\mathrm{h}$ ) में ऑक्सीकृत वसा निकालिए।

भाग III — अगला दिन, बिना खाए।

ग्लाइकोजन चुक जाने पर वे $160\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ ग्लूकोजनन से आने चाहिए। प्रतिदिन चाहिए प्रोटीन, और वह कितनी पेशी के बराबर है, यह निकालिए।
पाइरुवेट से $160\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज़ बनाने में यकृत जितना ATP ख़र्च करता है (प्रति ग्लूकोज़ 6 ATP) वह और $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ पर उसकी ऊर्जा निकालिए।
वसा के ग्लिसरॉल का योगदान निकालिए: यदि वसा सारा अ-ग्लूकोज़ व्यय ढके तो प्रतिदिन कितनी वसा ऑक्सीकृत होती है, और उसका ग्लिसरॉल कितना ग्लूकोज़ देता है?
ग्लिसरॉल का योगदान घटाकर चाहिए प्रोटीन फिर से निकालिए।
उस दर पर आधी पेशी चुकने में कितने दिन लगेंगे?
तीसरे दिन से यकृत कीटोन काय बनाता है और मस्तिष्क अपनी ऊर्जा का दो-तिहाई उन्हीं से लेता है; तब ग्लूकोज़ की माँग गिरकर मस्तिष्क के लिए $40\,\mathrm{g}$ और बाक़ी के लिए $40\,\mathrm{g}$ रह जाती है। प्रतिदिन प्रोटीन-हानि और आधी पेशी चुकने के दिन फिर से निकालिए।
प्रतिदिन $8.4\,\mathrm{MJ}$ पर वसा भंडार कितने दिन चलता है, यह निकालिए (लंबे उपवास में यह गिरकर $6.5\,\mathrm{MJ}$ हो जाता है: फिर से निकालिए)।
समझाइए कि उपवास कर रहा कोई व्यक्ति वसा चुकने से पहले प्रोटीन-हानि से क्यों मरता है, और कीटोन काय किसे टाल देते हैं।

भाग IV — वाल्व।

यकृत का वह एंजाइम बताइए जो 03:00 बजे सक्रिय और 09:00 बजे निष्क्रिय होना चाहिए, और वह भी जिसे ग्लाइकोजन के लिए इसका उल्टा होना चाहिए।
वह संकेत (हॉर्मोन) बताइए जो उन्हें हर दिशा में बिठाता है, और वह रासायनिक रूपांतरण भी जिससे वह काम करता है।
03:00 बजे किसी यकृत कोशिका में वसा-ऑक्सीकरण से ऐसीटिल-CoA ऊँचा है। ग्लूकोजनन का वह एंजाइम बताइए जिसे यह सक्रिय करता है और ग्लाइकोलिसिस का वह एंजाइम भी जिसे उसी समय ATP संदमित करता है।
समझाइए कि एक ही कोशिका में एक साथ चलते ग्लूकोजनन और ग्लाइकोलिसिस केवल ATP को ऊष्मा में क्यों बदलते, और तीनों वैकल्पिक मार्गों के अलग एंजाइम इसे कैसे रोकते हैं।
इंसुलिन-रहित किसी मधुमेही में रक्त ग्लूकोज़ ऊँचा है और फिर भी यकृत ग्लूकोज़ तथा कीटोन काय बनाता रहता है। वाल्वों से यह विरोधाभास समझाइए।
परिणाम बताइए: उपवास के वे घंटे जिन्हें यकृत का ग्लाइकोजन ढकता है (ग्लूकोजनन के साथ और उसके बिना), कीटोन काय पर जाने से पहले और बाद की दैनिक प्रोटीन-हानि, और वसा भंडार कितने दिन चलता है।

हल

हल — समस्या 16.1.

1. यकृत का ग्लाइकोजन $100\times 17 = 1.7\,\mathrm{MJ}$ , यानी 0.2 दिन; पेशी का ग्लाइकोजन $6.8\,\mathrm{MJ}$ , 0.8 दिन; वसा $12\,000\times 38 = 456\,\mathrm{MJ}$ , 54 दिन; प्रोटीन $170\,\mathrm{MJ}$ , 20 दिन (कभी पूरा बरता नहीं जा सकता)। 2. यकृत का ग्लाइकोजन: यकृत में ग्लूकोज-6-फ़ॉस्फ़ेटेज़ होती है। पेशी में वह नहीं होती, इसलिए उसका ग्लाइकोजन केवल उसके अपने ग्लाइकोलिसिस के लिए ग्लूकोज-6-फ़ॉस्फ़ेट देता है। 3. प्रति दिन $120 + 40 = 160\,\mathrm{g}$ । 4. $0.005\times 5\times 180 = 4.5\,\mathrm{g}$ : $5\,\mathrm{g}/\mathrm{h}$ पर, यानी लगभग $54\,\mathrm{min}$ । 5. $120\times 17 = 2.0\,\mathrm{MJ}$ , यानी $8.4\,\mathrm{MJ}$ का एक-चौथाई। 6. यकृत में वसा अम्लों तथा ट्राइग्लिसराइड में बदलना, और वसा-ऊतक को निर्यात; इंसुलिन। 7. $160/24 = 6.7\,\mathrm{g}/\mathrm{h}$ । 8. $100/6.7 = 15\,\mathrm{h}$ । 9. ग्लाइकोजन दो-तिहाई देता है, यानी $4.4\,\mathrm{g}/\mathrm{h}$ : $100/4.4 = 22\,\mathrm{h}$ । 10. पहले आकलन से अगली सुबह 11:00, दूसरे से 18:00 — दोनों ही प्रसंगों में रात भर, और अंतर इस पर निर्भर करता है कि नवग्लूकोजनन कितनी जल्दी सँभालता है। 11. $12\,\mathrm{h}$ भर विश्राम-व्यय: $4.2\,\mathrm{MJ}$ ; $60\,\%$ यानी $2.5\,\mathrm{MJ}$ ; $2500/38 = 66\,\mathrm{g}$ वसा। 12. $160/0.55 = 290\,\mathrm{g}$ प्रोटीन, यानी दिन में $1.45\,\mathrm{kg}$ पेशी। 13. $160/180 = 0.89\,\mathrm{mol}$ ग्लूकोज; प्रति ग्लूकोज 6 ATP पर वह $5.3\,\mathrm{mol}$ ATP है, और $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ पर लगभग $265\,\mathrm{kJ}$ — यानी दिन की $8.4\,\mathrm{MJ}$ का लगभग $3\,\%$ : ग्लूकोज बनाना सस्ता है, और शरीर के पास ऊर्जा की नहीं, कार्बन-कंकालों की कमी है। 14. ग्लूकोज से इतर व्यय $8.4 - 160\times 0.017 = 5.7\,\mathrm{MJ}$ : $5700/38 = 150\,\mathrm{g}$ वसा, जिसका ग्लिसरॉल $15\,\mathrm{g}$ ग्लूकोज देता है। 15. $(160 - 15)/0.55 = 264\,\mathrm{g}$ प्रोटीन, यानी दिन में $1.3\,\mathrm{kg}$ पेशी। 16. प्रति दिन $264\,\mathrm{g}$ की दर से $3\,\mathrm{kg}$ पेशी-प्रोटीन: यानी लगभग $11\,\mathrm{d}$ । 17. $(80 - 15)/0.55 = 118\,\mathrm{g}$ प्रोटीन, यानी दिन में $0.6\,\mathrm{kg}$ पेशी; आधी पेशी $25\,\mathrm{d}$ में — और व्यवहार में हानि और घटकर प्रति दिन $20\text{ to }30\,\mathrm{g}$ पर आ जाती है, जैसे-जैसे शरीर किफ़ायत करता है। 18. $456/8.4 = 54$ दिन; $6.5\,\mathrm{MJ}$ पर, 70 दिन। 19. प्रोटीन कोई भंडार नहीं बल्कि तंत्र है: उसका एक-तिहाई खोना (श्वसनी पेशियाँ, हृदय, प्रतिरक्षा प्रोटीन) घातक है, और प्रति दिन $100\,\mathrm{g}$ या अधिक की दर से वह हफ़्तों में हो जाता है, जबकि वसा दो महीने चलती। कीटोन-पिंड मस्तिष्क को वसा पर चलने देते हैं, ग्लूकोज की माँग और इसलिए प्रोटीन की हानि एक-तिहाई पर काट देते हैं, और उत्तरजीविता को वसा से तय सीमा की ओर खींच देते हैं। 20. 03:00 पर ग्लाइकोजन फ़ॉस्फ़ोरिलेज़ सक्रिय, 09:00 पर ग्लाइकोजन सिंथेज़। 21. ग्लूकागॉन (03:00) और इंसुलिन (09:00); दोनों एंजाइमों का किसी काइनेज़-अनुक्रमिका द्वारा फ़ॉस्फ़ोरिलन, जिसे कोई फ़ॉस्फ़ेटेज़ उलट देती है। 22. ऐसिटिल-CoA पाइरुवेट कार्बॉक्सिलेज़ को सक्रिय करता है; ATP (और सिट्रेट) फ़ॉस्फ़ोफ्रक्टोकाइनेज़ को संदमित करता है। 23. ग्लूकोज से पाइरुवेट 2 ATP देता है; पाइरुवेट से वापस ग्लूकोज में 6 पड़ते हैं: यानी हर आना-जाना बिना किसी उत्पाद के 4 ATP जला देता है। तीनों बगल-रास्तों पर अलग-अलग एंजाइम होने से वही संकेत (ATP, ऐसिटिल-CoA, फ़ॉस्फ़ोरिलन) एक समुच्चय को सक्रिय और दूसरे को संदमित करते हैं, इसलिए एक ही दिशा खुली रहती है। 24. इंसुलिन के बिना वाल्व ग्लूकोज चाहे जितना हो, उपवास जैसे ही बैठे रहते हैं: फ़ॉस्फ़ोरिलेज़, नवग्लूकोजनन और वसा-अपघटन चालू हैं, संश्लेषण बंद है, और यकृत, शरीर को भूखा “मानते” हुए, पहले से ही ग्लूकोज से भरे रक्त में ग्लूकोज तथा कीटोन उँड़ेलता रहता है, जिसे इंसुलिन-निर्भर ऊतक ले ही नहीं सकते। 25. नवग्लूकोजनन के बिना लगभग $15\,\mathrm{h}$ , उसके साथ $22\,\mathrm{h}$ — यानी एक रात और एक सुबह; प्रोटीन की हानि पहले प्रति दिन लगभग $260\,\mathrm{g}$ और कीटोन-पिंडों के मस्तिष्क को पालने लगने पर $120\,\mathrm{g}$ (और घटती हुई); और वसा-भंडार लगभग $55\text{ to }70\,\mathrm{d}$ चलता है।

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