सेलुलर श्वसन: प्रक्रिया, प्रकार और कार्य - जीवविज्ञान - 2025

कोशिकीय श्वसन एक प्रक्रिया है कि में ऊर्जा उत्पन्न है एटीपी (adenosine triphosphate) के रूप। बाद में, इस ऊर्जा को अन्य सेलुलर प्रक्रियाओं के लिए निर्देशित किया जाता है। इस घटना के दौरान, अणु ऑक्सीकरण से गुजरते हैं और इलेक्ट्रॉनों की अंतिम स्वीकर्ता, ज्यादातर मामलों में, एक अकार्बनिक अणु है।

अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता की प्रकृति अध्ययन किए गए जीव के श्वसन के प्रकार पर निर्भर करती है। एरोबेस में - होमो सेपियन्स की तरह - अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता ऑक्सीजन है। इसके विपरीत, एनारोबिक श्वासयंत्र के लिए ऑक्सीजन विषाक्त हो सकता है। बाद के मामले में, अंतिम स्वीकर्ता ऑक्सीजन के अलावा एक अकार्बनिक अणु है।

स्रोत: Darekk2 द्वारा, विकिमीडिया कॉमन्स से

एरोबिक श्वसन का बड़े पैमाने पर जैव रसायन विज्ञानियों द्वारा अध्ययन किया गया है और इसमें दो चरण हैं: क्रेब्स चक्र और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला।

यूकेरियोटिक जीवों में, श्वसन के लिए आवश्यक सभी मशीनरी माइटोकॉन्ड्रिया के भीतर होती हैं, दोनों माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में और इस ऑर्गेनेल की झिल्ली प्रणाली में।

मशीनरी में एंजाइम होते हैं जो प्रक्रिया की प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं। प्रोकैरियोटिक वंश को ऑर्गेनेल की अनुपस्थिति की विशेषता है; इस कारण से, प्लाज्मा झिल्ली के विशिष्ट क्षेत्रों में श्वसन होता है जो माइटोकॉन्ड्रिया के समान वातावरण का अनुकरण करता है।

शब्दावली

शरीर विज्ञान के क्षेत्र में, "श्वसन" शब्द की दो परिभाषाएँ हैं: फुफ्फुसीय श्वसन और कोशिकीय श्वसन। जब हम रोजमर्रा की जिंदगी में सांस शब्द का उपयोग करते हैं, तो हम पहले प्रकार का उल्लेख कर रहे हैं।

फुफ्फुसीय श्वसन में श्वास को अंदर और बाहर निकालने की क्रिया शामिल होती है, इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप गैसों का आदान-प्रदान होता है: ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड। इस घटना के लिए सही शब्द "वेंटिलेशन" है।

इसके विपरीत, सेलुलर श्वसन होता है - जैसा कि इसके नाम का अर्थ है - कोशिकाओं के अंदर और एक इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के माध्यम से ऊर्जा उत्पन्न करने की प्रक्रिया है। यह अंतिम प्रक्रिया वह है जो इस लेख में चर्चा की जाएगी।

सेलुलर श्वसन कहां होता है?

यूकेरियोट्स में श्वसन का स्थान

माइटोकॉन्ड्रिया

कोशिकीय श्वसन माइटोकॉन्ड्रिया नामक एक जटिल अंग में होता है। संरचनात्मक रूप से, माइटोकॉन्ड्रिया 1.5 माइक्रोन चौड़े और 2 से 8 माइक्रोन लंबे होते हैं। वे अपने स्वयं के आनुवंशिक सामग्री होने और द्विआधारी विखंडन द्वारा विभाजित करके विशेषता रखते हैं - उनके एंडोसिम्बायोटिक मूल के वेस्टीजियल लक्षण।

उनके पास दो झिल्ली होती हैं, एक चिकनी और एक आंतरिक एक जिसमें सिलवटों का निर्माण होता है। माइटोकॉन्ड्रिया जितना सक्रिय होता है, उतनी ही अधिक लकीरें होती हैं।

माइटोकॉन्ड्रियन के आंतरिक भाग को माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स कहा जाता है। इस डिब्बे में श्वसन प्रतिक्रियाओं के लिए आवश्यक एंजाइम, कोएंजाइम, पानी और फॉस्फेट हैं।

बाहरी झिल्ली सबसे छोटे अणुओं के पारित होने की अनुमति देती है। हालांकि, यह आंतरिक झिल्ली है जो वास्तव में बहुत विशिष्ट ट्रांसपोर्टरों के माध्यम से पारित होने को प्रतिबंधित करता है। इस संरचना की पारगम्यता एटीपी के उत्पादन में एक मौलिक भूमिका निभाती है।

माइटोकॉन्ड्रिया की संख्या

सेलुलर श्वसन के लिए आवश्यक एंजाइम और अन्य घटक झिल्ली में लंगर डाले हुए और माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में मुक्त पाए जाते हैं।

इसलिए, जिन कोशिकाओं को अधिक मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, उन कोशिकाओं की तुलना में अधिक संख्या में माइटोकॉन्ड्रिया होने की विशेषता होती है, जिनकी ऊर्जा की आवश्यकता कम होती है।

उदाहरण के लिए, जिगर की कोशिकाओं में औसतन 2,500 माइटोकॉन्ड्रिया होते हैं, जबकि एक मांसपेशी कोशिका (बहुत अधिक चयापचय सक्रिय) में बहुत अधिक संख्या होती है, और इस कोशिका के माइटोकॉन्ड्रिया बड़े होते हैं।

इसके अलावा, ये विशिष्ट क्षेत्रों में स्थित हैं जहां ऊर्जा की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए शुक्राणु के झंडे के आसपास।

प्रोकैरियोटिक श्वसन का स्थान

तार्किक रूप से, प्रोकैरियोटिक जीवों को सांस लेने की आवश्यकता होती है और उनके पास माइटोकॉन्ड्रिया नहीं होता है - और न ही जटिल जीवों में यूकेरियोट्स की विशेषता होती है। इस कारण से, श्वसन प्रक्रिया प्लाज्मा झिल्ली के छोटे आक्रमणों में होती है, जो कि माइटोकॉन्ड्रिया में कैसे होता है।

प्रकार

इलेक्ट्रॉनों के अंतिम स्वीकर्ता के रूप में कार्य करने वाले अणु के आधार पर श्वसन के दो मूलभूत प्रकार हैं। एरोबिक श्वसन में स्वीकर्ता ऑक्सीजन है, जबकि अवायवीय में यह एक अकार्बनिक अणु है - हालांकि कुछ विशिष्ट मामलों में स्वीकर्ता एक कार्बनिक अणु है। हम नीचे विस्तार से हर एक का वर्णन करेंगे:

एरोबिक श्वसन

एरोबिक श्वसन जीवों में, इलेक्ट्रॉनों के लिए अंतिम स्वीकर्ता ऑक्सीजन है। होने वाले चरणों को क्रेब्स चक्र और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में विभाजित किया गया है।

इन जैव रासायनिक मार्गों में होने वाली प्रतिक्रियाओं की विस्तृत व्याख्या अगले भाग में विकसित की जाएगी।

एनारोबिक श्वसन

अंतिम स्वीकारकर्ता में ऑक्सीजन के अलावा एक अणु होता है। एनारोबिक श्वसन द्वारा उत्पन्न एटीपी की मात्रा कई कारकों पर निर्भर करती है, जिसमें अध्ययन के तहत जीव और उपयोग किए गए मार्ग शामिल हैं।

हालांकि, ऊर्जा उत्पादन हमेशा एरोबिक श्वसन में अधिक होता है, क्योंकि क्रेब्स चक्र केवल आंशिक रूप से काम करता है और चेन में सभी ट्रांसपोर्टर अणु श्वसन में भाग नहीं लेते हैं।

इस कारण से, अवायवीय व्यक्तियों की वृद्धि और विकास एरोबिक वालों की तुलना में काफी कम है।

अवायवीय जीवों के उदाहरण

कुछ जीवों में ऑक्सीजन विषाक्त होती है और उन्हें सख्त एनारोब कहा जाता है। सबसे अच्छा ज्ञात उदाहरण जीवाणु का है जो टेटनस और बोटुलिज़्म का कारण बनता है: क्लोस्ट्रीडियम।

इसके अलावा, अन्य जीव भी हैं जो वैकल्पिक रूप से एरोबिक और एनारोबिक श्वसन के बीच में हो सकते हैं, जिन्हें फेशियलेटिव एनारोबेस कहा जाता है। दूसरे शब्दों में, वे ऑक्सीजन का उपयोग करते हैं जब यह उनके अनुरूप होता है और इसके अभाव में वे एनारोबिक श्वसन का सहारा लेते हैं। उदाहरण के लिए, प्रसिद्ध जीवाणु एस्चेरिचिया कोलाई इस चयापचय के पास है।

कुछ बैक्टीरिया अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में नाइट्रेट आयन (NO ₃ ^-) का उपयोग कर सकते हैं, जैसे कि जेन स्यूडोमोनस और बेसिलस। कहा आयन नाइट्राइट आयन, नाइट्रस ऑक्साइड या नाइट्रोजन गैस को कम किया जा सकता है।

अन्य मामलों में, अंतिम स्वीकर्ता में सल्फेट आयन (SO ₄ ^{2- 2-}) होता है जो हाइड्रोजन सल्फाइड को जन्म देता है और मीथेन बनाने के लिए कार्बोनेट का उपयोग करता है। बैक्टीरिया का डेसल्फोविब्रियो जीन इस प्रकार के स्वीकर्ता का एक उदाहरण है।

नाइट्रेट और सल्फेट अणुओं में इलेक्ट्रॉनों का यह रिसेप्शन इन यौगिकों के जैव-रासायनिक चक्रों - नाइट्रोजन और सल्फर में महत्वपूर्ण है।

प्रक्रिया

सेल्युलर श्वसन से पहले ग्लाइकोलाइसिस एक मार्ग है। यह एक ग्लूकोज अणु से शुरू होता है और अंतिम उत्पाद पाइरूवेट, एक तीन-कार्बन अणु है। ग्लाइकोलाइसिस कोशिका के कोशिका द्रव्य में होता है। इस अणु को अपनी गिरावट जारी रखने के लिए माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश करने में सक्षम होना चाहिए।

पाइरूवेट झिल्ली के छिद्रों के माध्यम से ऑर्गेनेल में एकाग्रता ग्रेडिएंट्स के माध्यम से फैल सकता है। अंतिम गंतव्य माइटोकॉन्ड्रिया का मैट्रिक्स होगा।

सेलुलर श्वसन के पहले चरण में प्रवेश करने से पहले, पाइरूवेट अणु कुछ संशोधनों से गुजरता है।

सबसे पहले, यह एक एंजाइम के साथ प्रतिक्रिया करता है जिसे कोएंजाइम कहा जाता है। प्रत्येक पाइरूवेट कार्बन डाइऑक्साइड और एसिटाइल समूह में समा जाता है, जो कोएंजाइम ए को बांधता है, जिससे ऐसाइल कोएंजाइम एक जटिल हो जाता है।

इस प्रतिक्रिया में, दो इलेक्ट्रॉनों और एक हाइड्रोजन आयन को एनएडीपी ^{+ में} स्थानांतरित किया जाता है, एनएडीएच की उपज होती है और यह पाइरूवेट डीहाइड्रोजनेज एंजाइम कॉम्प्लेक्स द्वारा उत्प्रेरित होता है। प्रतिक्रिया के लिए कोफ़ैक्टर्स की एक श्रृंखला की आवश्यकता होती है।

इस संशोधन के बाद, श्वसन के भीतर दो चरण शुरू होते हैं: क्रेब्स चक्र और इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला।

क्रेब्स चक्र

क्रेब्स चक्र जैव रसायन में सबसे महत्वपूर्ण चक्रीय प्रतिक्रियाओं में से एक है। इसे साहित्य में साइट्रिक एसिड चक्र या ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड चक्र (TCA) के रूप में भी जाना जाता है।

इसका नाम इसके खोजकर्ता: जर्मन बायोकैमिस्ट हंस क्रेब्स के नाम पर रखा गया है। 1953 में, क्रेब्स को इस खोज के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया जिसने जैव रसायन के क्षेत्र को चिह्नित किया।

चक्र का उद्देश्य एसिटाइल कोएंजाइम ए में निहित ऊर्जा का क्रमिक रिलीज है। इसमें ऑक्सीकरण और कमी प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला होती है जो ऊर्जा को विभिन्न अणुओं में स्थानांतरित करती है, मुख्य रूप से एनएडी ⁺ ।

एसिटाइल कोएंजाइम ए के प्रत्येक दो अणुओं के लिए जो चक्र में प्रवेश करते हैं, कार्बन डाइऑक्साइड के चार अणु मुक्त होते हैं, एनएडीएच के छह और एफएडीएच _{2 के} दो अणु उत्पन्न होते हैं । CO ₂ को प्रक्रिया से अपशिष्ट पदार्थ के रूप में वायुमंडल में छोड़ा जाता है। GTP भी जेनरेट होता है।

चूंकि यह मार्ग अनाबोलिक (अणु संश्लेषण) और कैटाबोलिक (अणु अवक्रमण) दोनों प्रक्रियाओं में भाग लेता है, इसलिए इसे "एम्फीबोलिक" कहा जाता है।

क्रेब्स चक्र प्रतिक्रियाएं

चक्र एक एसिटाइल कोएंजाइम के संलयन से शुरू होता है एक अणु एक ऑक्सालोसेटेट अणु के साथ। यह संघ छह-कार्बन अणु को जन्म देता है: साइट्रेट। इस प्रकार, कोएंजाइम ए जारी किया जाता है। वास्तव में, इसका कई बार पुन: उपयोग किया जाता है। यदि सेल में बहुत अधिक एटीपी है, तो यह चरण बाधित है।

उपरोक्त प्रतिक्रिया के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है और इसे एसिटाइल समूह और कोएंजाइम ए के बीच उच्च-ऊर्जा बंधन को तोड़ने से प्राप्त होता है।

साइट्रेट को cis aconitate में परिवर्तित किया जाता है, और एंजाइम aconitase द्वारा आइसोसिट्रेट में परिवर्तित किया जाता है। अगला कदम डिहाइड्रोजनीकृत आइसोसिट्रेट द्वारा अल्फा केटोग्लूटारेट में आइसोसिट्रेट का रूपांतरण है। यह चरण प्रासंगिक है क्योंकि यह एनएडीएच की कमी की ओर जाता है और कार्बन डाइऑक्साइड जारी करता है।

अल्फा केटोग्लुटारेट को अल्फा केटोग्लूटारेट डिहाइड्रोजनेज द्वारा succinyl coenzyme A में बदल दिया जाता है, जो पाइरूवेट किनेज के समान कोफ़ैक्टर्स का उपयोग करता है। एनएडीएच इस कदम में भी उत्पन्न होता है और प्रारंभिक चरण के रूप में, अतिरिक्त एटीपी द्वारा बाधित होता है।

अगला उत्पाद सुसाइड है। इसके उत्पादन में, GTP का गठन होता है। सक्सेसफुल चेंज टू फ्यूमरेट। इस प्रतिक्रिया से FADH की पैदावार होती है। फ्यूमरेट, बदले में, कुरूप हो जाता है और अंत में ऑक्सालोसेटेट हो जाता है।

इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला

इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला का उद्देश्य पिछले चरणों में उत्पन्न यौगिकों से इलेक्ट्रॉनों को लेना है, जैसे कि एनएडीएच और एफएडीएच ₂, जो एक उच्च ऊर्जा स्तर पर हैं, और उन्हें निम्न ऊर्जा स्तर तक ले जाते हैं।

ऊर्जा में यह कमी कदम-दर-कदम होती है, अर्थात यह अचानक नहीं होती है। इसमें उन चरणों की एक श्रृंखला होती है, जहां रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं होती हैं।

श्रृंखला के मुख्य घटक प्रोटीन और एंजाइमों द्वारा बनाए गए कॉम्प्लेक्स हैं जो साइटोक्रोमेस के लिए युग्मित हैं: हीम-प्रकार मेटेलोफोर्फिंस।

साइटोक्रोमेस उनकी संरचना के संदर्भ में काफी समान हैं, हालांकि प्रत्येक में एक विशिष्टता है जो इसे श्रृंखला के भीतर अपने विशिष्ट कार्य को करने की अनुमति देता है, विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर इलेक्ट्रॉनों का गायन करता है।

श्वसन श्रृंखला के माध्यम से निचले स्तर तक इलेक्ट्रॉनों की गति, ऊर्जा की रिहाई का उत्पादन करती है। इस ऊर्जा का उपयोग माइटोकॉन्ड्रिया में एटीपी को संश्लेषित करने के लिए किया जा सकता है, जिसे ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन के रूप में जाना जाता है।

रसायनयुक्त युग्मन

लंबे समय तक श्रृंखला में एटीपी गठन का तंत्र एक पहेली था, जब तक कि बायोकेमिस्ट पीटर मिशेल ने कीमोस्मोटिक युग्मन का प्रस्ताव नहीं किया।

इस घटना में, एक प्रोटॉन ग्रेडिएंट आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली में स्थापित होता है। इस प्रणाली में निहित ऊर्जा एटीपी को संश्लेषित करने के लिए जारी और उपयोग की जाती है।

एटीपी की राशि का गठन

जैसा कि हमने देखा, एटीपी सीधे क्रेब्स चक्र में नहीं बन रहा है, लेकिन इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में है। प्रत्येक दो इलेक्ट्रॉनों के लिए जो एनएडीएच से ऑक्सीजन तक गुजरते हैं, तीन एटीपी अणुओं का संश्लेषण होता है। यह अनुमान परामर्शित साहित्य के आधार पर कुछ भिन्न हो सकता है।

इसी तरह, एफएडीएच ₂ से गुजरने वाले हर दो इलेक्ट्रॉनों के लिए, दो एटीपी अणु बनते हैं।

विशेषताएं

कोशिकीय श्वसन का मुख्य कार्य एटीपी के रूप में ऊर्जा का उत्पादन होता है ताकि इसे कोशिका के कार्यों के लिए निर्देशित किया जा सके।

जानवरों और पौधों दोनों को भोजन के लिए उपयोग किए जाने वाले कार्बनिक अणुओं में निहित रासायनिक ऊर्जा को निकालने की आवश्यकता होती है। सब्जियों के मामले में, ये अणु शर्करा होते हैं जो उसी पौधे को संश्लेषक प्रक्रिया में सौर ऊर्जा के उपयोग के साथ संश्लेषित करते हैं।

दूसरी ओर, पशु अपने स्वयं के भोजन को संश्लेषित करने में सक्षम नहीं हैं। इस प्रकार, हेटोट्रॉफ़्स आहार में भोजन का उपभोग करते हैं - जैसे हम, उदाहरण के लिए। ऑक्सीकरण प्रक्रिया भोजन से ऊर्जा निकालने के प्रभारी है।

हमें श्वसन के साथ प्रकाश संश्लेषण के कार्यों को भ्रमित नहीं करना चाहिए। जानवरों की तरह पौधे भी सांस लेते हैं। दोनों प्रक्रियाएं पूरक हैं और जीवित दुनिया की गतिशीलता को बनाए रखती हैं।

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