સેલ્યુલર શ્વસન એ એક નિર્ણાયક પ્રક્રિયા છે જે કોષોને એડેનોસિન ટ્રાઇફોસ્ફેટ (એટીપી) ઉત્પન્ન કરવાની મંજૂરી આપે છે, જે કોષની પ્રાથમિક ઊર્જા ચલણ છે. આ જટિલ બાયોકેમિકલ માર્ગમાં ઓક્સિજનની હાજરીમાં થતી પ્રતિક્રિયાઓની શ્રેણીનો સમાવેશ થાય છે, જે ATP અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડના ઉત્પાદન તરફ દોરી જાય છે. સેલ્યુલર શ્વસન અને એટીપી ઉત્પાદનની જટિલ વિગતોને સમજવી એ મૂળભૂત પ્રક્રિયાઓને સમજવા માટે જરૂરી છે જે જીવનને બળ આપે છે.
સેલ્યુલર શ્વસન: એક વિહંગાવલોકન
સેલ્યુલર શ્વસન એ મેટાબોલિક પ્રતિક્રિયાઓ અને પ્રક્રિયાઓનો સમૂહ છે જે પોષક તત્ત્વોમાંથી બાયોકેમિકલ ઊર્જાને એડેનોસિન ટ્રાઇફોસ્ફેટ (એટીપી) માં રૂપાંતરિત કરવા માટે સજીવોના કોષોમાં થાય છે અને પછી કચરો પેદા કરે છે. એકંદર પ્રક્રિયાને ત્રણ મુખ્ય તબક્કામાં વિભાજિત કરી શકાય છે: ગ્લાયકોલિસિસ, સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર (જેને ક્રેબ્સ ચક્ર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે), અને ઓક્સિડેટીવ ફોસ્ફોરીલેશન.
ગ્લાયકોલિસિસ
ગ્લાયકોલિસિસ એ સેલ્યુલર શ્વસનનું પ્રારંભિક પગલું છે, જે કોશિકાઓના સાયટોપ્લાઝમમાં થાય છે. આ પ્રક્રિયામાં ગ્લુકોઝ, છ-કાર્બન ખાંડના પરમાણુ, પાયરુવેટના બે અણુઓમાં વિભાજનનો સમાવેશ થાય છે, જે ત્રણ-કાર્બન સંયોજન છે. જોકે ઓક્સિજનની ગેરહાજરીમાં ગ્લાયકોલિસિસ થઈ શકે છે, સેલ્યુલર શ્વસનના અનુગામી તબક્કાઓ અસરકારક રીતે આગળ વધવા માટે ઓક્સિજનની હાજરી પર આધાર રાખે છે.
ગ્લાયકોલિસિસ માટેના એકંદર સમીકરણનો સારાંશ આ પ્રમાણે કરી શકાય છે:
ગ્લુકોઝ + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 Pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 2 H+ગ્લાયકોલિસિસ દરમિયાન, સબસ્ટ્રેટ-લેવલ ફોસ્ફોરાયલેશન દ્વારા ATP ના બે પરમાણુઓ ઉત્પન્ન થાય છે, અને સહઉત્સેચક NAD+ ઘટાડીને NADH બનાવે છે. ઉત્પાદિત પાયરુવેટના બે અણુઓ પછી જો ઓક્સિજન ઉપલબ્ધ હોય તો સેલ્યુલર શ્વસનના આગલા તબક્કામાં આગળ વધે છે.
સાઇટ્રિક એસિડ સાયકલ (ક્રેબ્સ સાયકલ)
સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર, જેને ક્રેબ્સ ચક્ર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તે યુકેરીયોટિક કોષોના મિટોકોન્ડ્રિયામાં થાય છે. રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓની આ શ્રેણી ગ્લુકોઝના ભંગાણને પૂર્ણ કરે છે અને NADH અને FADH2 જેવા ઉચ્ચ-ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન કેરિયર્સ ઉત્પન્ન કરે છે. સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર એસીટીલ CoA થી શરૂ થાય છે, જે ગ્લાયકોલીસીસ દરમિયાન ઉત્પન્ન થતા પાયરુવેટમાંથી મેળવવામાં આવે છે.
સાઇટ્રિક એસિડ ચક્રમાં મુખ્ય પ્રતિક્રિયાઓ ATP, NADH, અને FADH2 ની રચનામાં પરિણમે છે ઉપરાંત કાર્બન ડાયોક્સાઇડને કચરાના ઉત્પાદન તરીકે મુક્ત કરે છે. સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર માટેના એકંદર સમીકરણનો સારાંશ આ પ્રમાણે કરી શકાય છે:
Acetyl-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi → 2 CO2 + CoA + 3 NADH + FADH2 + ATPસાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર પૂર્ણ થયા પછી, ઉચ્ચ-ઉર્જા ઇલેક્ટ્રોન કેરિયર્સ NADH અને FADH2 સેલ્યુલર શ્વસનના અંતિમ તબક્કામાં આગળ વધે છે, જ્યાં તેઓ તેમના ઇલેક્ટ્રોનને ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન સાંકળમાં દાન કરે છે.
ઓક્સિડેટીવ ફોસ્ફોરીલેશન અને ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સપોર્ટ ચેઇન
ઓક્સિડેટીવ ફોસ્ફોરાયલેશન એ મુખ્ય પદ્ધતિ છે જેના દ્વારા કોષો ઓક્સિજનની હાજરીમાં ATP ઉત્પન્ન કરે છે. આ પ્રક્રિયા આંતરિક મિટોકોન્ડ્રીયલ મેમ્બ્રેનમાં થાય છે અને ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સપોર્ટ ચેઇન (ETC) તરીકે ઓળખાતા પ્રોટીન સંકુલની શ્રેણી દ્વારા NADH અને FADH2 થી મોલેક્યુલર ઓક્સિજનમાં ઇલેક્ટ્રોનના સ્થાનાંતરણ પર આધાર રાખે છે.
જેમ જેમ ઇલેક્ટ્રોન ઇટીસી દ્વારા આગળ વધે છે, તેમ તેમ તેઓ ઊર્જા છોડે છે જે પ્રોટોનના પમ્પિંગને મિટોકોન્ડ્રીયલ મેટ્રિક્સથી ઇન્ટરમેમ્બ્રેન સ્પેસમાં લઈ જાય છે, પ્રોટોન ગ્રેડિયન્ટ બનાવે છે. આ ઢાળ પછી કેમિઓસ્મોસિસ નામની પ્રક્રિયા દ્વારા એટીપીનું ઉત્પાદન ચલાવે છે, જ્યાં એન્ઝાઇમ એટીપી સિન્થેઝ પ્રોટોન ગ્રેડિયન્ટમાં સંગ્રહિત સંભવિત ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને એટીપી ઉત્પન્ન કરે છે.
ઓક્સિડેટીવ ફોસ્ફોરીલેશન માટેના એકંદર સમીકરણનો સારાંશ આ પ્રમાણે કરી શકાય છે:
NADH + FADH2 + ADP + Pi + O2 → NAD+ + FADH + ATP + H2Oઆમ, ગ્લાયકોલિસિસ, સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર અને ઓક્સિડેટીવ ફોસ્ફોરાયલેશનની સંયુક્ત ક્રિયા દ્વારા, કોષો એટીપી બનાવવા માટે ગ્લુકોઝની અંદર રહેલી ઊર્જાનો ઉપયોગ કરવામાં સક્ષમ છે, જે વિવિધ સેલ્યુલર પ્રક્રિયાઓ માટે જરૂરી ઊર્જા પૂરી પાડે છે.
ATP ઉત્પાદન અને સેલ્યુલર કાર્યમાં તેની ભૂમિકા
એડેનોસિન ટ્રાઇફોસ્ફેટ (એટીપી) ને ઘણીવાર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે