व्याख्यान 19-24

कार्बोहाइड्रेट का चयापचय (METABOLISM OF CARBOHYDRATE)

परिचय (Introduction)

• कार्बोहाइड्रेट जीवित प्राणी / जीवों के लिए ऊर्जा के प्रमुख स्रोत हैं।
• मानव भोजन में कार्बोहाइड्रेट का मुख्य स्रोत स्टार्च (starch) है, जो पौधों में ग्लूकोज (glucose) का भंडारण रूप है।
• पौधे प्रचुर मात्रा में आपूर्ति के समय अपनी कोशिकाओं के भीतर अपेक्षाकृत बड़ी मात्रा में स्टार्च (starch) जमा कर सकते हैं, ताकि ऊर्जा उत्पादन की मांग होने पर पौधे द्वारा बाद में इसका उपयोग किया जा सके।
• ग्लाइकोजन जानवरों का ग्लूकोज भंडारण पॉलीसेकेराइड (polysaccharide) है।
• यह यकृत (liver) के द्रव्यमान (mass) का 10% और मांसपेशियों के द्रव्यमान का एक प्रतिशत हिस्सा है।
• ग्लाइकोजन एमाइलोपेक्टिन (amylopectin) की तुलना में बड़ा और अत्यधिक शाखित है।
• कई एंजाइमों, जैसे कि α-एमाइलेज (α-amylase), β-एमाइलेज (β-amylase), एमाइलो α ग्लूकोसिडेस (amylo α(1→6) glucosidase) और α ग्लूकोसिडेस (α(1→4) glucosidase) की क्रिया द्वारा, आहार सेवन से स्टार्च और ग्लाइकोजन अंततः ग्लूकोज में विकृत (degraded) हो जाते हैं।
• कोशिकाओं द्वारा कार्बोहाइड्रेट का उपयोग मुख्य रूप से ग्लूकोज के रूप में किया जाता है।
• पाचन प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप होने वाले तीन प्रमुख मोनोसेकेराइड (monosaccharides) ग्लूकोज (glucose), फ्रुक्टोज (fructose) और गैलेक्टोज (galactose) हैं।
• फ्रुक्टोज और गैलेक्टोज दोनों आसानी से यकृत (liver) द्वारा ग्लूकोज में परिवर्तित हो जाते हैं।
• पेंटोज़ शर्करा जैसे कि जाइलोज (xylose), अरबीनोस (arabinose) और राइबोज (ribose) आहार में मौजूद हो सकते हैं, लेकिन अवशोषण (absorption) के बाद उनका उपापचयी परिणाम / गति (fate) अस्पष्ट (obscure) है।
• चूंकि ग्लूकोज स्टार्च और ग्लाइकोजन से बनने वाला यौगिक है, कार्बोहाइड्रेट चयापचय इसी मोनोसेकेराइड (monosaccharide) से शुरू होता है।

कार्बोहाइड्रेट में प्रमुख चयापचय प्रक्रियाएं हैं:

i. ग्लाइकोलाइसिस (Glycolysis):

ग्लाइकोलाइसिस प्रतिक्रियाओं का क्रम है जो ग्लूकोज को पाइरूवेट (pyruvate) में परिवर्तित करता है, साथ ही ऊर्जा को ATP के रूप में फंसाता है।

ii. साइट्रिक एसिड चक्र:

यह कार्बोहाइड्रेट, वसा और प्रोटीन के लिए अंतिम सामान्य ऑक्सीडेटिव मार्ग (oxidative pathway) है। यह विभिन्न जैव अणुओं (biomolecules) के जैवसंश्लेषण (biosynthesis) के लिए अग्रदूतों (precursors) का एक स्रोत भी है। एसिटाइल CoA (acetyl CoA) जो इस मार्ग में प्रवेश करता है, पूरी तरह से कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में ऑक्सीकृत (oxidised) हो जाता है, साथ ही समकक्ष (\(NADH\) और FADH₂) को कम करने के उत्पादन के साथ।

iii. हेक्सोज मोनोफॉस्फेट शंट:

यह कम निकोटिनमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट (reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate - \(NADPH\)) अणुओं और राइबोज 5-फॉस्फेट (ribose 5-phosphate) की पीढ़ी के साथ कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में ग्लूकोज के ऑक्सीकरण (oxidation) के लिए ग्लाइकोलाइटिक मार्ग (glycolytic pathway) और साइट्रिक एसिड चक्र का एक वैकल्पिक मार्ग (alternative pathway) है।

iv. ग्लूकोनियोजेनेसिस (Gluconeogenesis):

यह एक बायोसिंथेटिक मार्ग (biosynthetic pathway) है जो गैर-कार्बोहाइड्रेट अग्रदूतों से ग्लूकोज उत्पन्न करता है।

v. ग्लाइकोजेनेसिस (Glycogenesis):

यह एक ऐसा मार्ग है जिसके द्वारा ग्लूकोज से ग्लाइकोजन (glycogen) को संश्लेषित (synthesised) किया जाता है।

vi. ग्लाइकोजेनोलिसिस (Glycogenolysis):

ग्लाइकोलाइसिस (Glycolysis)

ग्लाइकोलाइसिस (Glycolysis)

• ग्लाइकोलाइसिस, जिसे एम्बडेन-मेयरहोफ-परनास मार्ग (Embden-Meyerhof-Parnas pathway - EMP pathway) भी कहा जाता है, में प्रतिक्रियाओं की एक शृंखला होती है जिसके माध्यम से ग्लूकोज को एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (adenosine triphosphate - ATP) की अपेक्षाकृत कम मात्रा के उत्पादन के साथ पाइरूवेट (pyruvate) में परिवर्तित किया जाता है।
• यह ग्रीक स्टेम 'ग्लाइकिस' जिसका अर्थ मीठा (sweet) और 'लिसिस' जिसका अर्थ विभाजन (splitting) से लिया गया है।
• यह जैविक प्रणालियों के सभी ऊतकों के साइटोप्लाज्म (cytoplasm) में होने वाला प्राथमिक मार्ग (primary pathway) है।
• उत्प्रेरण (catalysis) के लिए जिम्मेदार सभी एंजाइम कोशिकाओं (साइटोप्लाज्म) के अतिरिक्त-माइटोकॉन्ड्रियल घुलनशील अंश में पाए जाते हैं।
• पौधों में, ग्लूकोज और फ्रुक्टोज मुख्य मोनोसेकेराइड (monosaccharides) हैं जो ग्लाइकोलाइसिस द्वारा अपचयित (catabolised) होते हैं, हालांकि अन्य भी इन शर्करा में परिवर्तित हो जाते हैं।
• ग्लाइकोलाइसिस में प्रवेश करने वाला ग्लूकोज स्टार्च या सुक्रोज (sucrose) से प्राप्त होता है, और फ्रुक्टोज सुक्रोज से प्राप्त होता है।
• स्टार्च या तो परिपक्व पौधों के बीजों (seeds) या क्लोरोप्लास्ट (chloroplasts) से होता है।
• उच्च पादप कोशिकाओं में ग्लाइकोलाइसिस सामान्य रूप से O₂ की उपस्थिति में होता है।
• साइटोप्लाज्म में एंजाइम ग्लूकोज को पाइरूवेट में बदलने में शामिल प्रतिक्रियाओं (reactions) को उत्प्रेरित करते हैं।

इंगित प्रतिक्रियाओं की शृंखला 3 चरणों में होती है।

चरण 1: ग्लूकोज का फ्रुक्टोज 1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट में रूपांतरण (Stage 1: Conversion of glucose to fructose 1,6-bisphosphate)

• फ्रुक्टोज 1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट (fructose 1,6-bisphosphate) का निर्माण एंजाइमों द्वारा उत्प्रेरित (catalysed) तीन चरणों में होता है।
• इन प्रतिक्रियाओं का उद्देश्य एक ऐसा यौगिक बनाना है जिसे आसानी से फॉस्फोरिलित तीन कार्बन इकाइयों में विभाजित किया जा सकता है, जिससे प्रतिक्रियाओं की एक शृंखला के माध्यम से ATP का निर्माण होता है।
• ग्लूकोज 6-फॉस्फेट (glucose 6-phosphate) बनाने के लिए पहली फॉस्फोरिलीकरण प्रतिक्रिया के बाद, फ्रुक्टोज-6-फॉस्फेट (fructose-6-phosphate) में ग्लूकोज 6-फॉस्फेट का आइसोमेराइजेशन (isomerisation) होता है जो एक एल्डोज़ (aldose) का केटोज़ (ketose) में रूपांतरण है।
• एक दूसरी फॉस्फोरिलीकरण प्रतिक्रिया आइसोमेराइजेशन (isomerization) का अनुसरण करती है, जिसे फॉस्फोफ्रक्टोकिनेज (phosphofructokinase) द्वारा उत्प्रेरित किया जाता है, जिससे फ्रुक्टोज 1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट बनता है।
• फॉस्फोफ्रक्टोकिनेज ग्लाइकोलाइसिस के नियंत्रण में प्रमुख एंजाइम (key enzyme) है।

चरण 2: फ्रुक्टोज 1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट का 3-फॉस्फोग्लिसरेट में रूपांतरण (Stage 2: Conversion of fructose 1,6-bisphosphate to 3-phosphoglycerate)

• फ्रुक्टोज 1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट का विभाजन ग्लाइकोलाइसिस के दूसरे चरण में होता है, जिससे ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट के एक अणु और एल्डोलेस (aldolase) द्वारा उत्प्रेरित डायहाइड्रॉक्सीसिटोन फॉस्फेट के एक अणु का निर्माण होता है।
• डायहाइड्रॉक्सीसिटोन फॉस्फेट को फॉस्फोट्रायोज आइसोमरेज़ (phosphotriose isomerase) द्वारा ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट में आइसोमराइज़्ड (isomerised) किया जाता है। आइसोमेराइजेशन प्रतिक्रिया तेज और प्रतिवर्ती (reversible) है।
• अगले चरण में, ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट को 1,3-बिसफ़ॉस्फ़ोग्लिसरेट में ऑक्सीकृत किया जाता है जो ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज (glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase) द्वारा उत्प्रेरित होता है।
• उत्पाद (product) को आगे 3-फॉस्फोग्लिसरेट (3-phosphoglycerate) में परिवर्तित किया जाता है और ATP का एक अणु बनता है। ATP के लिए ADP के फॉस्फोरिलीकरण (phosphorylation) को सब्सट्रेट स्तर फॉस्फोरिलीकरण कहा जाता है क्योंकि एक सब्सट्रेट अणु से फॉस्फेट समूह को ADP में स्थानांतरित (transferred) किया जाता है।

चरण 3: पाइरूवेट का निर्माण (Stage 3: Formation of pyruvate)

• फॉस्फोरिल समूह का एक इंट्रामोल्युलर पुनर्व्यवस्था होता है जिससे फॉस्फोग्लिसरेट म्यूटेज (phosphoglycerate mutase) द्वारा उत्प्रेरित 3-फॉस्फोग्लिसरेट (3-phosphoglycerate) से 2-फॉस्फोग्लिसरेट (2-phosphoglycerate) का निर्माण होता है।
• निर्मित 2-फॉस्फोग्लिसरेट फॉस्फोएनोलपाइरूवेट (phosphoenolpyruvate) बनाने वाले निर्जलीकरण (dehydration) से गुजरता है जो पाइरूवेट और ATP (सब्सट्रेट स्तर फॉस्फोरिलीकरण - substrate level phosphorylation) के एक अणु को जन्म देता है।
• प्रतिक्रिया अपरिवर्तनीय (irreversible) है और पाइरूवेट किनेज (pyruvate kinase) द्वारा उत्प्रेरित होती है।

ग्लूकोज के पाइरूवेट (pyruvate) में परिवर्तन में शुद्ध प्रतिक्रिया है:

• एक बार पाइरूवेट बनने के बाद, ऑक्सीजन की उपस्थिति या अनुपस्थिति से आगे के क्षरण (degradation) का निर्धारण होता है।
• अवायवीय परिस्थितियों में, एक मार्ग में, पाइरूवेट लैक्टिक एसिड (lactic acid) देने वाली कमी (reduction) से गुजरता है। अवायवीय स्थिति में बनाए रखे गए आलू के कंदों और कुछ हरे शैवाल के अपवाद के साथ पौधों में लैक्टिक एसिड का निर्माण बहुत दुर्लभ है।
• दूसरे मार्ग में, पाइरूवेट एथिल अल्कोहल और कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है। मादक किण्वन बियर और वाइन बनाने वाले उद्योगों का आधार है।
• एरोबिक स्थितियों के तहत, पाइरूवेट को एसिटाइल CoA (acetyl CoA - सक्रिय एसीटेट) में ऑक्सीडेटिव रूप से डिकार्बोक्सिलेटेड किया जाता है, जिसे बाद में साइट्रिक एसिड चक्र (citric acid cycle) के माध्यम से पूरी तरह से CO₂ और पानी में ऑक्सीकृत (oxidised) कर दिया जाता है।

ग्लाइकोलाइसिस की ऊर्जा

ग्लूकोज से, ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट के दो अणु ग्लाइकोलाइसिस के दूसरे चरण में बनते हैं, जिसमें से ग्लाइकोलाइसिस के अंतिम उत्पादों के रूप में पाइरूवेट के दो अणु प्राप्त होते हैं। इसलिए ग्लाइकोलाइसिस के ऊर्जावान (energetic) की गणना ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट के दो अणुओं को ध्यान में रखकर की जाती है।

ग्लाइकोलाइसिस का महत्व

• ग्लाइकोलाइसिस जैविक प्रणालियों के सभी ऊतकों के साइटोप्लाज्म में होने वाले ग्लूकोज अपचय (glucose catabolism) का लगभग एक सार्वभौमिक केंद्रीय मार्ग (universal central pathway) है जो महत्वपूर्ण गतिविधियों के लिए ATP के रूप में ऊर्जा के उत्पादन की ओर ले जाता है।
• यह वह मार्ग है जिसके माध्यम से अधिकांश कोशिकाओं में कार्बन (carbon) का सबसे बड़ा प्रवाह होता है।
• कुछ पौधों के ऊतक जो आलू के कंदों जैसे स्टार्च के भंडारण के लिए संशोधित (modified) होते हैं और कुछ पौधे जो जलकुंभी जैसे जलमग्न पानी में वृद्धि के लिए अनुकूलित (adapted) होते हैं, वे अपनी अधिकांश ऊर्जा ग्लाइकोलाइसिस से प्राप्त करते हैं।
• पौधों में, ग्लाइकोलाइसिस श्वसन प्रक्रिया का प्रमुख चयापचय घटक है, जो कोशिकाओं में ATP के रूप में ऊर्जा उत्पन्न करता है जहां प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis) नहीं हो रहा है।
• कई प्रकार के अवायवीय सूक्ष्मजीव पूरी तरह से ग्लाइकोलाइसिस पर निर्भर हैं।
• स्तनधारी ऊतक जैसे गुर्दे का मज्जा और मस्तिष्क (brain) चयापचय ऊर्जा के प्रमुख स्रोतों के लिए पूरी तरह से ग्लाइकोलाइसिस पर निर्भर हैं।

ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड चक्र

• 1937 में, एक अंग्रेजी बायोकेमिस्ट (biochemist) सर हंस क्रेब्स ने प्रतिक्रियाओं के एक चक्र (cycle of reactions) से युक्त एक मार्ग का प्रस्ताव रखा, जिसके माध्यम से एसिटाइल CoA को कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में परिवर्तित किया जाता है और इसलिए इस चक्र का नाम क्रेब्स चक्र (Kreb's cycle) रखा गया।
• इस चक्र की प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने वाले सभी एंजाइम माइटोकॉन्ड्रिया (mitochondria - माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स) के अंदर होते हैं, जो ग्लाइकोलाइसिस के विपरीत होते हैं, जो साइटोसोल (cytosol) में होते हैं।
• इससे पहले कि पाइरूवेट साइट्रिक एसिड चक्र में प्रवेश कर सके, इसे एसिटाइल CoA (acetyl CoA - सक्रिय एसीटेट) में ऑक्सीडेटिव रूप से डिकार्बोक्सिलेटेड किया जाना चाहिए।
• एक मल्टीएंजाइम संकुल (complex) (multienzyme complex) में क्रमिक रूप से (sequentially) काम करने वाले तीन अलग-अलग एंजाइम इस प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करते हैं।
• अल्फा-ऑक्सीडेटिव डिकार्बोक्सिलेशन द्वारा पाइरूवेट से एसिटाइल CoA का यह निर्माण ग्लाइकोलाइसिस के दौरान साइटोसोल में पाइरूवेट के निर्माण के बाद माइटोकॉन्ड्रियन (mitochondrion) में होता है।
• प्रतिक्रिया में छह कोफैक्टर (cofactors) शामिल हैं: कोएंजाइम ए (coenzyme A), NAD+, लिपोइक एसिड (lipoic acid), FAD, थायमिन पाइरोफॉस्फेट और Mg²⁺।

TCA चक्र की प्रतिक्रियाएं

• मुख्य रूप से कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और प्रोटीन के ऑक्सीकरण (oxidation) से प्राप्त एसिटाइल CoA, साइट्रेट (citrate) बनाने के लिए ऑक्सालोएसीटेट (oxaloacetate) के साथ जुड़ता है जो साइट्रिक एसिड चक्र की पहली प्रतिक्रिया है।
• बाद में, कार्बन डाइऑक्साइड को मुक्त करने और समकक्ष (\(NADH\), FADH₂) को कम करने वाली प्रतिक्रियाओं की एक शृंखला में साइट्रेट को ऑक्सीकृत (oxidised) किया जाता है।
• ऑक्सालोएसीटेट (oxaloacetate) फिर से उत्पन्न होता है और इसलिए कार्बन डाइऑक्साइड के दो अणुओं में एसिटाइल CoA के ऑक्सीकरण में उत्प्रेरक तरीके से कार्य करता है।

साइट्रिक एसिड चक्र में आठ चरण होते हैं जैसा कि नीचे वर्णित है:

i. साइट्रेट का निर्माण (Formation of citrate)

• पहला कदम चार-कार्बन इकाई, ऑक्सालोएसीटेट (oxaloacetate) और दो-कार्बन इकाई, एसिटाइल CoA के बीच प्रतिक्रिया है, जिससे साइट्रेट सिंथेज़ (citrate synthase) द्वारा उत्प्रेरित साइट्रेट और कोएंजाइम ए का निर्माण होता है। इस प्रतिक्रिया में बनने वाले कोएंजाइम ए को पुनर्नवीनीकरण (recycled) किया जाता है।

ii. सीआईएस-एकोनिटेट के माध्यम से आइसोसाइट्रेट का निर्माण (Formation of isocitrate via cis-aconitate)

• एकोनिटेस (aconitase) द्वारा उत्प्रेरित साइट्रेट से आइसोसाइट्रेट (isocitrate) का आइसोमेराइजेशन (isomerization) दो चरणों में होता है, जिसमें मध्यवर्ती (intermediate) के रूप में सीआईएस-एकोनिटेट (cis-aconitate) का निर्माण होता है। आइसोसाइट्रेट के इस निर्माण में निर्जलीकरण (dehydration) और जलयोजन (hydration) दोनों शामिल हैं। इसका परिणाम हाइड्रोजन और हाइड्रॉक्सिल समूह का आदान-प्रदान है। इस प्रतिक्रिया में, फ्लोरोएसेटेट (fluoroacetate) एंजाइम, एकोनिटेस के अवरोधक (inhibitor) के रूप में कार्य करता है।

iii. आइसोसाइट्रेट का α-केटोग्लूटारेट में ऑक्सीकरण (Oxidation of isocitrate to α-ketoglutarate)

• एंजाइम, आइसोसाइट्रेट डिहाइड्रोजनेज (isocitrate dehydrogenase) कार्बन डाइऑक्साइड की एक साथ मुक्ति के साथ α-केटोग्लूटारेट (α-ketoglutarate) में आइसोसाइट्रेट को ऑक्सीडेटिव रूप से डिकार्बोक्सिलेट करता है। इस प्रतिक्रिया में मध्यवर्ती ऑक्सालोसुसिनेट (oxalosuccinate) है, जो एक अस्थिर β-कीटोएसिड (unstable β-ketoacid) है। एंजाइम से बंधे होने पर, यह α-केटोग्लूटारेट बनाने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड खो देता है। आइसोसाइट्रेट डिहाइड्रोजनेज (isozymes) के दो अलग-अलग रूप हैं, एक को NAD+ की आवश्यकता होती है और दूसरे को NADP+ की आवश्यकता होती है।

iv. α-केटोग्लूटारेट का स्यूसिनाइल CoA में ऑक्सीकरण (Oxidation of α-ketoglutarate to succinyl CoA)

• α-केटोग्लूटारेट, α-केटोग्लूटारेट डिहाइड्रोजनेज संकुल (complex) (α-ketoglutarate dehydrogenase complex) की उपस्थिति में सक्सेनील-CoA (succinyl-CoA) और कार्बन डाइऑक्साइड बनाने वाले ऑक्सीडेटिव डिकार्बोक्सिलेशन से गुजरता है, जो तीन प्रकार के एंजाइमों से युक्त एक असेंबली है। इस प्रतिक्रिया का तंत्र पाइरूवेट डिहाइड्रोजनेज संकुल (complex) (pyruvate dehydrogenase complex) द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया के समान है। यह प्रतिक्रिया अपरिवर्तनीय (irreversible) है। आर्सेनाइट (Arsenite) α-केटोग्लूटारेट डिहाइड्रोजनेज संकुल (complex) की क्रिया को रोककर TCA चक्र के अवरोधक (inhibitor) के रूप में कार्य करता है।

v. स्यूसिनाइल CoA का स्यूसिनेट में रूपांतरण (Conversion of succinyl CoA to succinate)

• स्यूसिनाइल CoA से एंजाइम, स्यूसिनाइल CoA सिंथेटेस (succinyl CoA synthetase) या स्यूसिनेट थियोकिनेज (succinate thiokinase) द्वारा उत्प्रेरित एक प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया में स्यूसिनेट (Succinate) बनता है, जिसमें GTP और कोएंजाइम ए का एक साथ निर्माण होता है। स्यूसिनेट थियोकिनेज जानवरों के ऊतकों में GDP का उपयोग करता है जबकि यह पौधों और बैक्टीरिया में मुख्य रूप से ADP का उपयोग करता है। इस प्रतिक्रिया में GTP का निर्माण एक सब्सट्रेट स्तर फॉस्फोरिलीकरण प्रतिक्रिया है।

vi. स्यूसिनेट के ऑक्सीकरण द्वारा फ्यूमरेट का निर्माण (Formation of fumarate by oxidation of succinate)

• स्यूसिनाइल CoA से बनने वाला स्यूसिनेट, FAD की भागीदारी के साथ स्यूसिनेट डिहाइड्रोजनेज (succinate dehydrogenase) द्वारा फ्यूमरेट (fumarate) में ऑक्सीकृत हो जाता है। मैलोनेट (Malonate), स्यूसिनेट डिहाइड्रोजनेज का एक मजबूत प्रतिस्पर्धी अवरोधक होने के नाते, साइट्रिक एसिड चक्र को रोकता है।

vii. फ्यूमरेट के जलयोजन द्वारा मैलेट का निर्माण (Formation of malate by hydration of fumarate)

• फ्यूमरेट का L-मैलेट (L-malate) में प्रतिवर्ती जलयोजन फ्यूमरेज़ (fumarase) द्वारा उत्प्रेरित होता है।

viii. मैलेट का ऑक्सालोएसीटेट में ऑक्सीकरण (Oxidation of malate to oxaloacetate)

• यह प्रतिक्रिया साइट्रिक एसिड चक्र की अंतिम प्रतिक्रिया बनाती है। NAD-लिंक्ड मैलेट डिहाइड्रोजनेज (NAD-linked malate dehydrogenase) L-मैलेट के ऑक्सालोएसीटेट (oxaloacetate) में ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित करता है।

ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड चक्र की ऊर्जा

• ग्लूकोज के एक अणु से पाइरूवेट (pyruvate) के दो अणु बनते हैं जो बदले में एसिटाइल CoA के दो अणुओं को जन्म देते हैं। जब एसिटाइल-CoA के दो अणु TCA चक्र के माध्यम से ऑक्सीकरण (oxidation) से गुजरते हैं, तो निम्नलिखित संख्या में उच्च-ऊर्जा बांड (high-energy bonds - ATPs) उत्पन्न होते हैं।

TCA चक्र का महत्व

1. साइट्रिक एसिड चक्र का प्रमुख महत्व कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और प्रोटीन के ऑक्सीकरण (oxidation) के लिए अंतिम सामान्य मार्ग के रूप में कार्य करना है, क्योंकि ग्लूकोज, फैटी एसिड और कई अमीनो एसिड सभी एसिटाइल CoA में मेटाबोलाइज्ड (metabolised) होते हैं।
2. यह चक्र उस तंत्र (mechanism) के रूप में कार्य करता है जिसके द्वारा कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और अमीनो एसिड के ऑक्सीकरण के दौरान मुक्त ऊर्जा का अधिकांश भाग उपलब्ध कराया जाता है।
3. TCA चक्र का और भी महत्व है क्योंकि इसकी दोहरी या एम्फिबोलिक भूमिका (dual or amphibolic role) है, इस प्रकार अन्य जैव अणुओं (अमीनो एसिड, फैटी एसिड और ग्लूकोज) के जैवसंश्लेषण (biosynthesis) के लिए अग्रदूत यौगिक प्रदान करते हैं।

ग्लाइऑक्सिलेट चक्र (Glyoxylate cycle)

• पौधे, विशेष रूप से अंकुर (seedlings), उनके द्वारा उत्पादित सभी कार्बन यौगिकों के लिए कार्बन के एकमात्र स्रोत के रूप में एसीटेट (acetate) का उपयोग कर सकते हैं।
• TCA चक्र में प्रवेश करने वाले एसिटाइल CoA को पूरी तरह से CO₂ के दो अणुओं में ऑक्सीकृत (oxidised) कर दिया जाता है। इस प्रकार चक्र के लिए एसीटेट आधारित विकास (acetate based growth) के लिए आवश्यक भारी मात्रा में बायोसिंथेटिक अग्रदूतों का उत्पादन करना संभव नहीं होगा, जब तक कि वैकल्पिक प्रतिक्रियाएं (alternative reactions) संभव न हों।
• पौधे और बैक्टीरिया एसिटाइल CoA से चार कार्बन डाइकारबॉक्सिलिक एसिड का उत्पादन करने के लिए TCA चक्र के एक संशोधन (modification) को नियोजित करते हैं जिसे ग्लाइऑक्सिलेट चक्र कहा जाता है। ग्लाइऑक्सिलेट चक्र TCA चक्र के डिकार्बोक्सिलेशन (decarboxylations) को बायपास करता है।
• पौधों में ग्लाइऑक्सिलेट चक्र के एंजाइम ग्लाइऑक्सीसोम (glyoxysomes) में मौजूद होते हैं। TCA चक्र एंजाइमों के अलावा इस चक्र के लिए आवश्यक अतिरिक्त एंजाइम (additional enzymes) आइसोसाइट्रेट लाइज़ (Isocitrate lyase) और मैलेट सिंथेज़ (malate synthase) हैं।
• ग्लाइऑक्सीसोम (Glyoxysomes) में ग्लाइऑक्सिलेट चक्र के लिए आवश्यक सभी एंजाइम नहीं होते हैं। एंजाइम स्यूसिनेट डिहाइड्रोजनेज, फ्यूमरेस (fumarase) और मैलेट डिहाइड्रोजनेज (malate dehydrogenase) अनुपस्थित हैं।
• इसलिए ग्लाइऑक्सीसोम माइटोकॉन्ड्रिया की मदद से अपना चक्र चलाते हैं, ग्लाइऑक्सीसोम में बने स्यूसिनेट (Succinate) अणु माइटोकॉन्ड्रिया में ले जाए जाते हैं जहां इसे TCA चक्र एंजाइमों की मदद से ऑक्सालोएसीटेट (oxaloacetate) में परिवर्तित किया जाता है। ऑक्सालोएसीटेट को फिर एस्पारेट (asparate) में परिवर्तित किया जाता है और ग्लाइऑक्सीसोम में ले जाया जाता है जहां इसे ऑक्सालोएसीटेट में ट्रांसएमिनेटेड (transaminated) किया जाता है।
• ऑक्सालोएसीटेट को ग्लाइऑक्सिलेट चक्र के माध्यम से मैलेट (malate) में परिवर्तित किया जाता है। मैलेट फिर साइटोसोल (cytosol) में प्रवेश करता है और ग्लूकोनियोजेनेसिस मार्ग (gluconeogenesis pathway) के माध्यम से ग्लूकोज में परिवर्तित हो जाता है।
• अंकुरित बीजों के लिए ग्लाइऑक्सिलेट चक्र का अस्तित्व महत्वपूर्ण है जहां प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis) संभव नहीं है। तिलहनों (oilseeds) में समृद्ध ट्राइएसिलग्लिसरॉल (Triacylglycerols) एसिटाइल CoA में विकृत (degraded) हो जाते हैं। अंकुरण (germination) के दौरान बनने वाले ग्लाइऑक्सीसोम (Glyoxysomes) एसिटाइल CoA को ऑक्सालोएसीटेट (oxaloacetate) में परिवर्तित करते हैं, जिसका उपयोग ग्लूकोनियोजेनेसिस के माध्यम से ग्लूकोज में रूपांतरण के लिए किया जाता है। एक बार जब बढ़ता हुआ अंकुर कार्बोहाइड्रेट का उत्पादन करने के लिए अपना प्रकाश संश्लेषण शुरू कर देता है, तो ग्लाइऑक्सीसोम गायब हो जाते हैं।

इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला और ऑक्सीडेटिव फास्फोरिलीकरण

• माइटोकॉन्ड्रियन (mitochondrion) वह एरोबिक ऑर्गेनेल है जिसमें भोजन के ऑक्सीकरण (oxidation) का अंतिम चरण होता है।
• यह साइट्रिक एसिड चक्र, फैटी एसिड ऑक्सीकरण (fatty acid oxidation) और ऑक्सीडेटिव फॉस्फोरिलीकरण (oxidative phosphorylation) का स्थल है, वे प्रक्रियाएं जो एरोबिक स्थिति के तहत ATP के गठन के लिए जिम्मेदार हैं।
• जैविक प्रणालियों में दो सबसे महत्वपूर्ण ऊर्जा पारगमन ऑक्सीडेटिव फॉस्फोरिलीकरण (ऑक्सीजन में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण द्वारा संचालित ATP संश्लेषण - ATP synthesis driven by electron transfer to oxygen) और फोटोफॉस्फोरिलेशन (photophosphorylation - प्रकाश द्वारा संचालित ATP संश्लेषण - ATP synthesis driven by light) हैं।
• ऑक्सीडेटिव फॉस्फोरिलीकरण वह प्रक्रिया है जिसमें माइटोकॉन्ड्रिया के आंतरिक झिल्ली में स्थित एक शृंखला (chain) के रूप में इलेक्ट्रॉन वाहक की एक शृंखला द्वारा ऑक्सीजन (oxygen) को कम करने वाले समकक्ष, \(NADH\) या FADH₂ (ग्लाइकोलाइसिस, साइट्रिक एसिड चक्र और फैटी एसिड ऑक्सीकरण द्वारा उत्पादित) से इलेक्ट्रॉनों के हस्तांतरण के परिणामस्वरूप ATP अणु बनते हैं। यह श्वसन (respiration) का अंतिम प्रतिक्रिया क्रम है।
• चूंकि इलेक्ट्रॉनों को एक शृंखला के रूप में इलेक्ट्रॉन वाहक की एक शृंखला द्वारा स्थानांतरित किया जाता है, इसे इलेक्ट्रॉन परिवहन शृंखला कहते हैं।
• पौधों में, सूर्य से प्राप्त ऊर्जा का उपयोग करके मुख्य रूप से प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis) के माध्यम से ATP प्राप्त किया जाता है। गैर-प्रकाश संश्लेषक ऊतकों में, ATP श्वसन (respiration) के माध्यम से प्राप्त किए जाते हैं।
• इलेक्ट्रॉनों को अधिक विद्युतीय घटकों (electronegative components - \(NADH\)/FADH₂) से अधिक विद्युत धनात्मक ऑक्सीजन तक चरणों में एक शृंखला के रूप में साइटोक्रोम (cytochromes) के एक सेट के साथ स्थानांतरित किया जाता है।
• श्वसन शृंखला में कई प्रोटीन संकुल (complex) (protein complexes) होते हैं जो प्रकृति में उल्लेखनीय रूप से जटिल (complicated) होते हैं। उन्हें \(NADH\)-यूबिकिनोन रिडक्टेस (\(NADH\)- ubiquinone reductase), स्यूसिनेट-यूबिकिनोन रिडक्टेस (succinate-ubiquinone reductase), यूबिकिनोन-साइटोक्रोम c रिडक्टेस (ubiquinone-cytochrome c reductase) और साइटोक्रोम c ऑक्सीडेज (cytochrome c oxidase) कहते हैं। इन परिसरों को \(NADH\) डिहाइड्रोजनेज (\(NADH\) dehydrogenase), स्यूसिनेट डिहाइड्रोजनेज, साइटोक्रोम b-c संकुल और साइटोक्रोम c ऑक्सीडेज या संकुल के रूप में भी जाना जाता है।
• तीनों रिडक्टेस (reductases) को आयरन-सल्फर प्रोटीन (iron-sulphur proteins) के रूप में भी जाना जाता है क्योंकि उनमें अपने महत्वपूर्ण घटकों के रूप में Fe-S केंद्र होते हैं। इन एंजाइम परिसरों (enzyme complexes) में आयरन दो रूपों में Fe²⁺ और Fe³⁺ के रूप में मौजूद हो सकता है। प्रत्येक साइटोक्रोम अपने ऑक्सीकृत रूप (oxidised form - Fe³⁺) में एक इलेक्ट्रॉन को स्वीकार करता है और Fe²⁺ रूप में कम (reduced) हो जाता है। Fe²⁺ अगले वाहक (carrier) को इलेक्ट्रॉन दान करता है।
• \(NADH\) के एक अणु के ऑक्सीकरण से ATP के 2.5 अणु उत्पन्न होते हैं जबकि FADH₂ के एक अणु के ऑक्सीकरण से ATP के 1.5 अणु उत्पन्न होते हैं।

ATP गठन की साइटें (Sites of ATP formation)

जब इलेक्ट्रॉनों को श्वसन शृंखला के साथ ले जाया जाता है, तो उच्च मात्रा में ऊर्जा जारी होने के कारण, ATP अणुओं को निम्नलिखित तीन साइटों पर संश्लेषित (synthesised) किया जाता है:

1. \(NADH\) से यूबिकिनोन (ubiquinone) में फ्लेवोप्रोटीन (flavoprotein - FMN) के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण।
2. साइट b से साइट c में इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण।
3. साइट a से साइट a3 में इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण।

ATP निर्माण का तंत्र (Mechanism of ATP formation)

ऑक्सीडेटिव फॉस्फोरिलीकरण के तंत्र के लिए दो प्रमुख परिकल्पनाएं (hypotheses) प्रस्तावित की गई हैं:

1. रासायनिक परिकल्पना
2. कीमोस्मोोटिक सिद्धांत

• 1920 से ऑक्सीकरण (oxidation) और फॉस्फोरिलीकरण (phosphorylation) को जोड़ने वाले ऊर्जा-समृद्ध मेटाबोलाइट की पहचान करने के कई प्रयास किए गए हैं। ऐसे किसी भी मध्यवर्ती (intermediates) को अलग नहीं किया गया था और 1960 में, पीटर मिशेल ने सुझाव दिया कि ऐसे मध्यवर्ती यौगिक के अस्तित्व की कोई संभावना नहीं है। अतः रासायनिक परिकल्पना बदनाम (discredited) हो गई है।

• कीमोस्मोोटिक सिद्धांत बताता है कि फॉस्फोरिलीकरण (phosphorylation) के लिए ऑक्सीकरण (oxidation) का युग्मन (coupling) अप्रत्यक्ष (indirect) है। इसके अनुसार, श्वसन शृंखला में घटकों के ऑक्सीकरण से उत्पन्न हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन - protons) आंतरिक झिल्ली के बाहर (मैट्रिक्स - matrix) बाहर निकल जाते हैं। हाइड्रोजन आयनों (प्रोटॉन या H⁺) के विषम वितरण के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोकेमिकल संभावित अंतर का उपयोग झिल्ली-स्थित (membrane-located) ATP सिंथेज़ (ATP synthase) को चलाने के लिए किया जाता है जो Pi + ADP की उपस्थिति में ATP बनाता है।

श्वसन शृंखला के अवरोधक

अवरोधक (Inhibitors), जो श्वसन शृंखला को रोकते हैं, उन्हें निम्नानुसार समूहीकृत किया जा सकता है:

1. इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के अवरोधक
2. ATP सिंथेज़ के अवरोधक (Inhibitors of ATP synthase)
3. ऑक्सीडेटिव फॉस्फोरिलीकरण के अनकप्लर्स

• अवरोधक (Inhibitors) जो श्वसन शृंखला को अवरुद्ध करके श्वसन (respiration) को गिरफ्तार (arrest) करते हैं, तीन साइटों पर कार्य करते हैं।
• बार्बिटुरेट्स (barbiturates), एमाइटल (amytal), रोटेनोन (rotenone) जैसे यौगिक FeS केंद्र से यूबिकिनोन (ubiquinone) में इलेक्ट्रॉन के हस्तांतरण को रोकते हैं। कार्बोक्सिन (Carboxin) विशेष रूप से स्यूसिनेट डिहाइड्रोजनेज से यूबिकिनोन (ubiquinone) में कम करने वाले समकक्षों के हस्तांतरण को रोकता है।
• एंटीमाइसिन ए साइटोक्रोम b से साइटोक्रोम c1 में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण को रोकता है।
• साइनाइड (cyanide - CN^-), एजाइड (azide - N3^-) और कार्बन मोनोऑक्साइड जैसे पदार्थ हीम समूह से जुड़कर साइटोक्रोम c ऑक्सीडेज को रोकते हैं और अत्यधिक जहरीले होते हैं।
• ओलिगोमाइसिन (Oligomycin) ATP सिंथेज़ को रोकता है।
• डिकौमारोल (dicoumarol) और 2,4-डाइनिट्रोफेनोल जैसे अनकप्लर्स (uncouplers) की उपस्थिति में, ऑक्सीकरण (oxidation) फॉस्फोरिलीकरण के बिना आगे बढ़ता है (फॉस्फोरिलीकरण से श्वसन शृंखला में ऑक्सीकरण का पृथक्करण - dissociation of oxidation in the respiratory chain from phosphorylation) जिससे ATP के रूप में ऊर्जा जारी करने के बजाय गर्मी (heat) के रूप में ऊर्जा जारी होती है।

हेक्सोज मोनोफॉस्फेट शंट

• हेक्सोज मोनोफॉस्फेट शंट, जिसे पेंटोज़ फॉस्फेट पाथवे और फॉस्फोग्लूकोनेट पाथवे (phosphogluconate pathway) भी कहा जाता है, ग्लूकोज के ऑक्सीकरण (oxidation) के लिए एक वैकल्पिक मार्ग (alternate pathway) है। 1930 में, ओटो वारबर्ग ने इस मार्ग के अस्तित्व (existence) के लिए पहला प्रमाण खोजा, जिसे बाद में 1950 में फ्रैंक डिकेंस समूह द्वारा स्पष्ट किया गया।
• मार्ग अंधेरे के घंटों के दौरान और गैर-प्रकाश संश्लेषक ऊतकों जैसे कि ऊतकों और अंकुरित बीजों में महत्वपूर्ण है। पशु प्रणाली में, यह कुछ ऊतकों में होता है, विशेष रूप से यकृत (liver), स्तनपान कराने वाली स्तन ग्रंथि और एम्बडेन - मेयरहोफ मार्ग के अलावा वसा ऊतक।
• शंट पाथवे (shunt pathway) के एंजाइम कोशिका के अतिरिक्त माइटोकॉन्ड्रियल घुलनशील हिस्से में पाए जाते हैं।
• यह प्रभाव में, एक बहुचक्र प्रक्रिया है जिसमें ग्लूकोज 6-फॉस्फेट के तीन अणु CO₂ के तीन अणु और तीन 5-कार्बन अवशेष को जन्म देते हैं। बाद वाले को ग्लूकोज 6-फॉस्फेट के दो अणुओं और ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट (glyceraldehyde-3-phosphate) के एक अणु को पुन: उत्पन्न (regenerate) करने के लिए पुनर्व्यवस्थित (rearranged) किया जाता है।
• चूंकि ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट के दो अणु प्रतिक्रियाओं द्वारा ग्लूकोज 6-फॉस्फेट के एक अणु को पुन: उत्पन्न कर सकते हैं, जो अनिवार्य रूप से ग्लाइकोलाइसिस का एक उलट है, मार्ग ग्लूकोज के पूर्ण ऑक्सीकरण के लिए जिम्मेदार हो सकता है।
• यहाँ ऑक्सीकरण NADP का उपयोग करके डिहाइड्रोजनीकरण (dehydrogenation) द्वारा प्राप्त किया जाता है न कि एम्बडेन-मेयरहोफ के ग्लाइकोलाइटिक मार्ग (Embden-Meyerhof's glycolytic pathway) में NAD के रूप में। इस मार्ग में तीन चरणों में होने वाली प्रतिक्रियाओं (reactions) की एक शृंखला शामिल है:

चरण I: \(NADPH\) और राइबुलोज 5-फॉस्फेट का निर्माण (Stage I. Formation of \(NADPH\) and ribulose 5-phosphate)

• मार्ग की पहली तीन प्रतिक्रियाएं, ग्लूकोज-6-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज (glucose-6-phosphate dehydrogenase), फॉस्फोग्लूकोनोलैक्टोनेज (phosphogluconolactonase) और फॉस्फोग्लूकोनेट डिहाइड्रोजनेज (phosphogluconate dehydrogenase) द्वारा उत्प्रेरित होती हैं, अंततः राइबुलोज 5-फॉस्फेट और \(NADPH\) के निर्माण में परिणत होती हैं।

चरण II

• इस स्तर पर, राइबुलोज 5-फॉस्फेट को राइबुलोज 5-फॉस्फेट आइसोमेरेज (ribulose 5-phosphate isomerase) द्वारा राइबोज 5-फॉस्फेट में और फिर राइबुलोज 5-फॉस्फेट एपिमेरेज (ribulose 5-phosphate epimerase) द्वारा जाइलुलोज-5 फॉस्फेट में परिवर्तित किया जाता है। राइबोज 5-फॉस्फेट न्यूक्लियोटाइड (nucleotides) के जैवसंश्लेषण (biosynthesis) में आवश्यक अग्रदूत है।

चरण III

• तीसरे चरण में, 5-कार्बन शर्करा के तीन अणुओं को 6-कार्बन शर्करा के दो अणुओं और 3-कार्बन शर्करा, ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट के एक अणु में परिवर्तित किया जाता है जो दो एंजाइमों, ट्रांसलडोलेस (transaldolase) और ट्रांसकेटोलेस (transketolase) द्वारा उत्प्रेरित होता है।
• ट्रांसकेटोलेस (Transketolase) C2 इकाई के जाइलुलोज 5-फॉस्फेट से राइबोज 5-फॉस्फेट में स्थानांतरण को उत्प्रेरित करता है जिससे ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट और सेडोहेप्टुलोज 7-फॉस्फेट प्राप्त होता है।
• ट्रांसलडोलेस (Transaldolase) सेडोहेप्टुलोज 7-फॉस्फेट से तीन कार्बन इकाई के स्थानांतरण को ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट में उत्प्रेरित करता है जिससे एरिथ्रोज 4-फॉस्फेट और फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट (fructose 6-phosphate) प्राप्त होता है।

HMP शंट का नियंत्रण

• राइबोज 5-फॉस्फेट और \(NADPH\) HMP शंट के प्रमुख उत्पाद हैं। इस मार्ग में, राइबोज 5-फॉस्फेट की अधिक मात्रा को ग्लाइकोलाइटिक मध्यवर्ती में बदल दिया जाता है जब \(NADPH\) की आवश्यकता न्यूक्लियोटाइड जैवसंश्लेषण में राइबोज 5-फॉस्फेट से अधिक हो जाती है।
• यदि \(NADPH\) से अधिक राइबोज 5-फॉस्फेट की आवश्यकता होती है, तो ट्रांसलडोलेस (transaldolase) और ट्रांसकेटोलेस (transketolase) प्रतिक्रियाओं के उलट होने से राइबोज 5-फॉस्फेट के संश्लेषण के लिए फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट और ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट का उपयोग किया जाता है।
• मार्ग में \(NADPH\) गठन की दर (rate of \(NADPH\) formation) को ग्लूकोज 6-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज (glucose 6-phosphate dehydrogenase) प्रतिक्रिया की दर से नियंत्रित किया जाता है।

HMP शंट का चयापचय महत्व

1. HMP शंट का प्रमुख कार्य माइटोकॉन्ड्रिया के बाहर फैटी एसिड संश्लेषण (fatty acid synthesis) जैसे अनाबोलिक (सिंथेटिक) प्रक्रियाओं के लिए आवश्यक कम NADP (\(NADPH\)) का उत्पादन प्रतीत होता है।
2. मार्ग न्यूक्लियोटाइड (nucleotide) और न्यूक्लिक एसिड संश्लेषण (nucleic acid synthesis) के लिए राइबोज (ribose) प्रदान करता है।
3. यह शिकिमेट मार्ग (shikimate pathway) के माध्यम से फेनोलिक्स (phenolics) और अन्य सुगंधित यौगिकों के संश्लेषण (synthesis) के लिए आवश्यक एरिथ्रोज (erythrose) भी प्रदान करता है।

ग्लूकोज 6-फॉस्फेट का उपयोग ग्लाइकोलाइसिस या पेंटोज़ फॉस्फेट मार्ग (pentose phosphate pathway) के लिए सब्सट्रेट (substrate) के रूप में किया जा सकता है। कोशिका की जरूरतों के आधार पर, यह जैवसंश्लेषण (biosynthesis) और अपचय से ऊर्जा के लिए यह विकल्प बनाता है। यदि ग्लूकोज 6-फॉस्फेट को ग्लाइकोलाइसिस में प्रवाहित किया जाता है, तो ATP प्रचुर मात्रा में उत्पन्न होता है; लेकिन अगर इसे पेंटोज़ फॉस्फेट मार्ग में प्रवाहित किया जाता है, तो \(NADPH\) और राइबोज 5-फॉस्फेट उत्पन्न होते हैं। ग्लूकोज 6-फॉस्फेट का उपापचयी परिणाम / गति (fate) (fate of glucose 6-phosphate) फॉस्फोफ्रक्टोकिनेज (phosphofructokinase) और ग्लूकोज-6 P (glucose-6 P) के एक बड़े हिस्से के लिए निर्धारित होता है। चार प्रमुख संभावनाएं हैं जिनमें कोशिका की आवश्यकता के आधार पर HMP शंट संचालित होता है:

i. \(NADPH\) से अधिक राइबोज 5-फॉस्फेट की आवश्यकता है (More ribose 5-phosphate than \(NADPH\) is required)

• अधिकांश ग्लूकोज 6-फॉस्फेट को ग्लाइकोलाइटिक मार्ग द्वारा फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट और ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट में बदल दिया जाता है। फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट के दो अणुओं और ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट के एक अणु को ट्रांसलडोलेस (transaldolase) और ट्रांसकेटोलेस (transketolase) प्रतिक्रियाओं द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं के उलट होने से राइबोज 5-फॉस्फेट के तीन अणुओं में बदल दिया जाता है।

ii. कोशिका को राइबोज 5-फॉस्फेट और \(NADPH\) दोनों की आवश्यकता होती है (Both ribose 5-phosphate and \(NADPH\) are needed by the cell)

• इसमें, पेंटोज़ फॉस्फेट मार्ग की पहली चार प्रतिक्रियाएं प्रबल (predominate) होती हैं। राइबोज 5-फॉस्फेट चयापचय का प्रमुख उत्पाद है और \(NADPH\) भी उत्पादित होता है। इन प्रक्रियाओं के लिए शुद्ध प्रतिक्रिया है:

iii. कोशिका को राइबोज 5-फॉस्फेट की तुलना में अधिक \(NADPH\) की आवश्यकता होती है (More \(NADPH\) than ribose 5-phosphate is needed by the cell)

• इस स्थिति के तहत, ग्लूकोज 6-फॉस्फेट पूरी तरह से कार्बन डाइऑक्साइड में ऑक्सीकृत हो जाता है। तीन प्रतिक्रियाएं सक्रिय हैं। सबसे पहले, पेंटोज़ फॉस्फेट मार्ग की ऑक्सीडेटिव शाखा द्वारा दो \(NADPH\) और एक राइबोज 5-फॉस्फेट बनते हैं। फिर, राइबोज 5-फॉस्फेट को ट्रांसकेटोलेस (transketolase) और ट्रांसलडोलेस (transaldolase) द्वारा फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट और ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट में परिवर्तित किया जाता है। अंतिम प्रतिक्रिया में, ग्लूकोज 6-फॉस्फेट को ग्लूकोनोजेनिक मार्ग (gluconeogenic pathway) द्वारा फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट और ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट से फिर से संश्लेषित (resynthesised) किया जाता है। इन प्रतिक्रियाओं का योग (sum) है:

iv. कोशिका को \(NADPH\) और ATP दोनों की आवश्यकता होती है (Both \(NADPH\) and ATP are needed by the cell)

• इसमें, राइबोज 5-फॉस्फेट से प्राप्त फ्रुक्टोज 6-फॉस्फेट और ग्लिसराल्डिहाइड 3-फॉस्फेट ग्लाइकोलाइटिक मार्ग में प्रवेश करते हैं और पाइरूवेट (pyruvate) बनाते हैं। ATP और \(NADPH\) एक साथ उत्पन्न होते हैं और ग्लूकोज 6-फॉस्फेट के छह कार्बनों में से पांच पाइरूवेट में उभरते (emerge) हैं।

ग्लाइकोलाइसिस और HMP शंट का तुलनात्मक विवरण

ये दो प्रमुख मार्ग (major pathways) ग्लूकोज के अपचय (catabolism) के लिए हैं। उनमें बहुत कम समानता है, उदा. ग्लूकोज 6-फॉस्फेट जैसे चयापचयों (metabolites) की उपस्थिति। प्रमुख अंतर हैं:

1. ATP HMP मार्ग में उत्पन्न नहीं होता है, जबकि ग्लाइकोलाइसिस (glycolysis) में, ATP अणु उत्पन्न होते हैं।
2. पेंटोज़ फॉस्फेट HMP मार्ग में उत्पन्न होते हैं लेकिन ग्लाइकोलाइसिस में नहीं।
3. \(NADH\) ग्लाइकोलाइटिक मार्ग में उत्पन्न होता है जबकि \(NADPH\) HMP शंट (HMP shunt) में उत्पन्न होता है।