कोशिकाओं में फ्री एनर्जी और कपलिंग

आप सैंडविच खाते हैं, आपकी मांसपेशियां सिकुड़ती हैं और आपके न्यूरॉन्स सक्रिय होते हैं। ऊर्जा सीधे भोजन से गति में नहीं बदलती। यह कई रासायनिक चरणों से होकर गुजरती है; हर चरण कोशिका के एक खास हिस्से में होता है और तभी आगे बढ़ता है जब ऊर्जा का हिसाब-किताब सही बैठता है। यह हिसाब-किताब उतना आसान नहीं है जितना दिखता है, क्योंकि कोशिकाओं को जिन कुछ प्रतिक्रियाओं की ज़रूरत होती है, वे ‘अपहिल’ (ऊर्जा की अधिक खपत वाली) होती हैं, भले ही मुख्य मकसद पोषक तत्वों से ऊर्जा निकालना हो। यहाँ हम कोशिकीय संरचनाओं को फ्री एनर्जी (मुक्त ऊर्जा) के विचार से जोड़ते हैं, और फिर इसका इस्तेमाल यह अनुमान लगाने के लिए करते हैं कि कब ATP कपलिंग किसी ऐसी प्रक्रिया को आगे बढ़ा सकती है जो सामान्यतः नहीं हो पाती।

मेटाबॉलिज्म संरचनाओं के माध्यम से ऊर्जा का प्रवाह है

मेटाबॉलिज्म कोशिका में होने वाली उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं का समूह है जो पदार्थ को बदलती हैं और ऊर्जा का स्थानांतरण करती हैं। संरचना वाला हिस्सा बहुत महत्वपूर्ण है क्योंकि प्रतिक्रियाएं किसी बिना विशेषता वाले सूप में नहीं तैर रही होती हैं। वे ऐसे हिस्सों (कम्पार्टमेंट) में होती हैं जो यह नियंत्रित करते हैं कि कौन से अणु आपस में मिलेंगे, स्थानीय सांद्रता (concentration) क्या होगी, और कौन से एंजाइम मौजूद होंगे।

कोशिका के उन मुख्य हिस्सों को देखें जहाँ ऊर्जा परिवर्तन की प्रक्रियाएं व्यवस्थित होती हैं।

मानव कोशिकाओं और पादप कोशिकाओं के जाने-पहचाने उदाहरणों का उपयोग करते हुए, कुछ मुख्य संरचनात्मक आधार:

• साइटोसोल (Cytosol): कोशिका के अंदर और ऑर्गेनेल (कोशिकांगों) के बाहर मौजूद जलीय द्रव, जहाँ शुगर (शर्करा) को प्रोसेस करने वाली कई प्रतिक्रियाएँ शुरू होती हैं।
• माइटोकॉन्ड्रिया (Mitochondrion): झिल्ली से घिरा एक ऑर्गेनेल जिसकी आंतरिक झिल्ली में प्रोटीन कॉम्प्लेक्स होते हैं; ये कॉम्प्लेक्स इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को आयन ग्रेडिएंट में बदलते हैं, जिसका उपयोग ATP बनाने में किया जाता है।
• क्लोरोप्लास्ट (Chloroplast): पौधों और शैवाल में पाया जाने वाला झिल्ली-युक्त ऑर्गेनेल जिसकी थाइलाकोइड झिल्लियाँ प्रकाश ऊर्जा को पकड़ती हैं और ATP बनाने के लिए आयन ग्रेडिएंट बनाती हैं।

मेटाबॉलिज्म (चयापचय) केवल भोजन को तोड़ने की प्रक्रिया नहीं है। यह पदार्थ (मैटर) को संरक्षित करते हुए ऊर्जा को उपयोगी रूपों—मुख्य रूप से ATP और NADH जैसे रिड्यूस्ड इलेक्ट्रॉन कैरियर—में बदलने की प्रक्रिया है। आणविक स्तर पर, इलेक्ट्रॉन अणुओं के बीच गति करते हैं। कोशिकीय स्तर पर, ये इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण झिल्लियों के आर-पार आयन ग्रेडिएंट बनाने में मदद करते हैं। जीव के स्तर पर, ATP से चलने वाली आणविक मशीनें (जैसे मांसपेशियों में मायोसिन मोटर) उस ऊर्जा का उपयोग यांत्रिक कार्य करने के लिए करती हैं।

मुक्त ऊर्जा (Free energy) दिशा बताती है, गति नहीं

मुक्त ऊर्जा (Free energy) $GG$ इस बात का माप है कि स्थिर तापमान और दबाव पर काम करने के लिए कितनी ऊर्जा उपलब्ध है। किसी प्रतिक्रिया के लिए मुख्य मात्रा डेल्टा G ($\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$) है, जो रिएक्टेंट्स (अभिकारक) से प्रोडक्ट्स (उत्पाद) बनने के दौरान मुक्त ऊर्जा में होने वाला परिवर्तन है।

तर्क करने से पहले, एक अनुमान लगाएँ।

अनुमान: यदि है, तो यह लिखी गई प्रतिक्रिया के बारे में क्या बताता है?

• A. यह बिना अतिरिक्त ऊर्जा इनपुट के उस दिशा में आगे बढ़ सकती है।
• B. इसे तेज़ी से आगे बढ़ना चाहिए।
• C. इसे उलटा (रिवर्स) नहीं किया जा सकता।
• D. यह हमेशा गर्मी (ऊष्मा) छोड़ती है।

एक विकल्प चुनें, फिर अपने तर्क की जाँच करें।

अगर है, तो रिएक्शन एक्सरगोनिक (exergonic) होती है और उस दिशा में थर्मोडायनामिक रूप से अनुकूल होती है; इसका मतलब है कि प्रोडक्ट्स की फ्री एनर्जी रिएक्टेंट्स से कम होती है। अगर $\mathrm{\Delta }G>0\backslash Delta\; G>0$ है, तो रिएक्शन एंडरगोनिक (endergonic) होती है और उस दिशा में थर्मोडायनामिक रूप से प्रतिकूल होती है; इसका मतलब है कि इसे आगे बढ़ने के लिए एनर्जी इनपुट या कपलिंग की ज़रूरत होती है। अगर $\mathrm{\Delta }G=0\backslash Delta\; G=0$ है, तो सिस्टम इक्विलिब्रियम (संतुलन) में होता है, और किसी भी दिशा में बढ़ने की कोई नेट प्रवृत्ति नहीं होती।

एग्जाम में एक आम गलती दिशा और दर (स्पीड) को मिला देना है। $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ यह बताता है कि रिएक्शन किस दिशा में जाएगी, यह नहीं कि वह कितनी तेज़ी से होगी। स्पीड एक्टिवेशन एनर्जी बैरियर और एंजाइम्स पर निर्भर करती है; एंजाइम ऐसी फिजिकल संरचनाएं हैं जो सबस्ट्रेट्स को बांधती हैं और ट्रांज़िशन स्टेट्स को स्थिर करती हैं।

कपलिंग में मुश्किल काम (ऊर्जा की ज़रूरत वाले काम) के लिए ATP हाइड्रोलिसिस का इस्तेमाल होता है

एनर्जी कपलिंग तब होती है जब एक एक्सरगोनिक रिएक्शन, एक साझा इंटरमीडिएट के ज़रिए एक एंडरगोनिक रिएक्शन को चलाती है, ताकि पूरी संयुक्त प्रक्रिया की नेट $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ नेगेटिव हो।

अनुमान लगाएं। मान लीजिए रिएक्शन 1 की $\mathrm{\Delta }G=+12\text{ kJ/mol}\backslash Delta\; G=+12\backslash text\{\; kJ/mol\}$ है और रिएक्शन 2 की $\mathrm{\Delta }G=-30\text{ kJ/mol}\backslash Delta\; G=-30\backslash text\{\; kJ/mol\}$ है। अगर सेल उन्हें मज़बूती से जोड़ती (कपलिंग करती) है, तो संयुक्त $\mathrm{\Delta }G\backslash Delta\; G$ क्या होगी?

• A. $+42\text{ kJ/mol}+42\backslash text\{\; kJ/mol\}$
• B. $-18\text{ kJ/mol}-18\backslash text\{\; kJ/mol\}$
• C. $+18\text{ kJ/mol}+18\backslash text\{\; kJ/mol\}$
• D. $-42\text{ kJ/mol}-42\backslash text\{\; kJ/mol\}$

अपना जवाब चुनें, फिर देखें।