5.1 કોષ સંકેતન

કોષો આપણા શરીરના માત્ર બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ નથી. પ્રોકેરિયોટિક અને યુકેરિયોટિક બંને પ્રકારના કોષોનો એક મહત્વપૂર્ણ ગુણધર્મ એ છે કે તેઓ સતત પર્યાવરણીય સંકેતો મેળવે છે અને તેમનું અર્થઘટન કરી વાસ્તવિક સમયમાં તેમનો જવાબ આપે છે. આ સંકેતોમાં પ્રકાશ, ઉષ્ણતા, ધ્વનિ અને સ્પર્શનો સમાવેશ થાય છે. વિકાસ દરમિયાન કોષની નિયતિ બહિકોષીય સંકેતોના જવાબમાં સંકેત માર્ગો દ્વારા નિર્ધારિત થાય છે. કોષો તેમના પડોશી કોષો સાથે સંકેતો પ્રસારિત અને પ્રાપ્ત કરીને ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે. આ સંકેતો કોષો દ્વારા રસાયણોના રૂપમાં સંશ્લેષિત થાય છે અને બહિકોષીય વાતાવરણમાં મુક્ત થાય છે. જો કે, કોષો ‘બાહ્ય’ સંકેતોનો પણ જવાબ આપી શકે છે જે આપણા શરીરના કોષો દ્વારા સંશ્લેષિત થતા નથી. તેથી, એવું માની શકાય કે કોષો વિવિધ પ્રકારના સંકેતોને અનુભવવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. એ નોંધવું મહત્વપૂર્ણ છે કે કોષ માત્ર એક ચોક્કસ સંકેતનો જવાબ આપી શકે છે જો તે તેના માટે અનુરૂપ રીસેપ્ટર ધરાવતો હોય. રીસેપ્ટર એ ગ્લાયકોપ્રોટીન છે જે કોષની સપાટી પર અથવા સાયટોપ્લાઝમ અથવા કેન્દ્રકની અંદર સ્થિત હોય છે. એક રાસાયણિક સંદેશવાહક જેના માટે રીસેપ્ટર પ્રતિભાવ આપે છે તે લિગેન્ડ છે. રીસેપ્ટર અને તેના અનુરૂપ લિગેન્ડ વચ્ચેનું જોડાણ ખૂબ જ ચોક્કસ છે, જેનો અર્થ એ છે કે કોષ માત્ર એક રાસાયણિક સંદેશવાહકનો જવાબ આપી શકશે, જો તે તેના માટે અનુરૂપ રીસેપ્ટર ધરાવતો હોય અને નહિં તો નહિં.

એક કોષથી બીજા કોષમાં રાસાયણિક સંદેશાઓનું પ્રસારણ લિગેન્ડના તેના રીસેપ્ટર સાથે જોડાણની જરૂરિયાત રાખે છે, જેના પરિણામે રીસેપ્ટરમાં રચનાત્મક ફેરફારો થાય છે. આ ફેરફારો પછી સંદેશા રિલે સિસ્ટમ શરૂ કરે છે અને કોષની અંદરની પ્રવૃત્તિઓમાં વધુ મહત્વપૂર્ણ ફેરફારો લાવે છે.

એ નોંધવું જોઈએ કે કોષો વિવિધ રીતે સંકેતો મોકલે છે અને પ્રાપ્ત કરે છે. મોકલનાર અને પ્રાપ્તકર્તા કોષોની નિકટતાના આધારે, સંકેતનને મોટેભાગે નીચેના વર્ગોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે:

1. પેરાક્રાઇન સંકેતન: આ પ્રકારના સંકેતનમાં, કોષો વચ્ચેનો સંદેશાવ્યવહાર પ્રમાણમાં ટૂંકા અંતર પર થાય છે. મોકલનાર કોષો દ્વારા બહિકોષીય જગ્યામાં મુક્ત કરવામાં આવેલો રાસાયણિક સંદેશ પ્રાપ્તકર્તા કોષો દ્વારા તરત જ અનુભવાય છે. આ પ્રકારનું સંકેતન ન્યુરોન્સના સંદેશાવ્યવહારમાં જોવા મળે છે.

2. ઓટોક્રાઇન સંકેતન: ઘણી વખત, એક કોષ જે લિગેન્ડ સ્ત્રાવિત કરે છે, તે તે લિગેન્ડ માટે ચોક્કસ રીસેપ્ટર પણ ધરાવે છે. આ પ્રકારના સંકેતનને ઓટોક્રાઇન સંકેતન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, કેન્સર કોષો અનિયંત્રિત વૃદ્ધિ દ્વારા વર્ગીકૃત થાય છે. તેથી, તેમના પ્રસરણ માટે તેમને વધુ માત્રામાં વૃદ્ધિ પરિબળોની જરૂર પડે છે. સામાન્ય કોષોથી વિપરીત, કેન્સર કોષો તેમની વૃદ્ધિ માટે બાહ્ય વૃદ્ધિ પરિબળો પર આધારિત નથી. તેના બદલે, તેઓ તેમના પોતાના વૃદ્ધિ પરિબળો સંશ્લેષિત કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે અને તેમના માટે ચોક્કસ રીસેપ્ટર પણ ધરાવે છે.

3. એન્ડોક્રાઇન સંકેતન: લાંબા અંતરનું સંકેતન અથવા એન્ડોક્રાઇન સંકેતન માટે લિગેન્ડને બહિકોષીય જગ્યામાં કોષ દ્વારા સંશ્લેષિત કરવાની જરૂર પડે છે, જ્યાંથી તે પ્રાપ્તકર્તા અથવા લક્ષ્ય કોષ સુધી પ્રવાસ કરવા માટે રુધિરપ્રવાહમાં પહોંચે છે. હોર્મોન્સ સામાન્ય રીતે સંકેતનનો આ પ્રકાર પ્રદર્શિત કરે છે.

5.2 ચયાપચય માર્ગો

ચયાપચય એ પ્રક્રિયા છે જેના દ્વારા સજીવો તેમની જીવન પ્રક્રિયાઓ કરવા માટે જરૂરી મુક્ત ઊર્જા લે છે અને ઉપયોગ કરે છે. મુક્ત ઊર્જા લેવાના આધારે સજીવો બે પ્રકારના હોય છે: ફોટોટ્રોફ્સ અને કેમોટ્રોફ્સ. ફોટોટ્રોફ્સ સૂર્યપ્રકાશની ઊર્જાનો ઉપયોગ સરળ અણુઓ (ઓછી ઊર્જા ધરાવતા)ને વધુ જટિલ અણુઓ (ઊર્જા સમૃદ્ધ)માં રૂપાંતરિત કરવા માટે કરે છે જે જીવન પ્રક્રિયાઓ કરવા માટે ઇંધણ તરીકે કામ કરે છે. ફોટોટ્રોફ્સ પ્રકાશસંશ્લેષી સજીવો છે (જેમ કે છોડ અને કેટલાક બેક્ટેરિયા); તેઓ પ્રકાશ ઊર્જાને રાસાયણિક ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરે છે. હેટરોટ્રોફ્સ જેમ કે પ્રાણીઓ, તેમના ખોરાક દ્વારા છોડમાંથી પરોક્ષ રીતે રાસાયણિક ઊર્જા મેળવે છે. સજીવોમાં આ મુક્ત ઊર્જા ઉપયોગ પોષક તત્ત્વોના ઑક્સિડેશનની એક્ઝર્ગોનિક પ્રતિક્રિયાઓને જીવંત સ્થિતિ જાળવવા માટે જરૂરી એન્ડર્ગોનિક પ્રક્રિયાઓ સાથે જોડીને કરવામાં આવે છે. આ બધી ઊર્જા વ્યવહારોનું કેન્દ્ર એટીપી (ATP) નામની ઊર્જા ચલણ છે (વિગતવાર માહિતી વિભાગ 4.2 બાયોએનર્જેટિક્સમાં આપવામાં આવી છે). ચયાપચયમાં, આંતરસંબંધિત જૈવરાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ હોય છે જે એક ચોક્કસ અણુથી શરૂ થાય છે અને તેને કાળજીપૂર્વક વ્યાખ્યાયિત ઢબે અમુક અન્ય અણુ અથવા અણુઓમાં રૂપાંતરિત કરે છે. કેમોટ્રોફ્સમાં, ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન દાતાઓના ઑક્સિડેશન દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. ઊર્જાનો ઉપયોગ કોષની અંદર વિવિધ પ્રક્રિયાઓ માટે થાય છે જેમ કે, ઢાળનું સર્જન, પટલો વચ્ચે અણુઓની હિલચાલ, રાસાયણિક ઊર્જાનું યાંત્રિક ઊર્જામાં રૂપાંતર અને જૈવઅણુઓના સંશ્લેષણમાં પરિણમતી પ્રતિક્રિયાઓને શક્તિ પૂરી પાડવી.

જૈવઅણુઓનું સંશ્લેષણ અને વિઘટન જીવંત પ્રણાલીની અંદર ઘણા પગલાંઓ દ્વારા પૂર્ણ થાય છે. આ પગલાંઓ સામૂહિક રીતે ચયાપચય માર્ગની રચના કરે છે. ચયાપચય માર્ગોને મોટેભાગે બે વર્ગોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે; એનાબોલિક માર્ગો અને કેટાબોલિક માર્ગો.

(i) એનાબોલિક માર્ગો

આ માર્ગોમાં, નાના અણુઓમાંથી મોટા અને વધુ જટિલ અણુઓ સંશ્લેષિત થાય છે. એનાબોલિક માર્ગો એન્ડર્ગોનિક (ઊર્જાનો વપરાશ) હોય છે. જે પ્રતિક્રિયાઓને ઊર્જાની જરૂર પડે છે જેમ કે ગ્લુકોઝ, ચરબી, પ્રોટીન અથવા ડીએનએનું સંશ્લેષણ એનાબોલિક પ્રતિક્રિયાઓ અથવા એનાબોલિઝમ કહેવાય છે.

$$\text { Useful energy + Small molecules }$$

$$\hspace{2cm} \bigg\downarrow \text{Anabolism}$$

$$\quad\text{Complex Molecules}$$

(ii) કેટાબોલિક માર્ગો

આ માર્ગોમાં મોટા અણુઓના વિઘટનનો સમાવેશ થાય છે. આ એક્ઝર્ગોનિક (ઊર્જા મુક્ત કરે છે) પ્રતિક્રિયાઓ છે અને રિડ્યુસિંગ ઇક્વિવેલન્ટ્સ અને એટીપી ઉત્પન્ન કરે છે. કેટાબોલિઝમમાં ઉત્પન્ન થતી ઊર્જાના ઉપયોગી સ્વરૂપોનો ઉપયોગ એનાબોલિઝમમાં થાય છે, જે સરળ રચનાઓમાંથી જટિલ રચનાઓ અથવા ઊર્જા ગરીબમાંથી ઊર્જા સમૃદ્ધ સ્થિતિઓ ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે.

$$\text { Fuel (carbohydrate, protein, fats) }$$

$$\hspace{2cm} \bigg\downarrow \text { Catabolism } $$

$$\quad{\mathrm{CO} _2+\mathrm{H} _2 \mathrm{O}}+\text{Useful energy}$$

5.2.1 કાર્બોહાઇડ્રેટ ચયાપચયનો સંક્ષિપ્ત વિહંગાવલોકન

પ્રાણીઓમાં, મોટાભાગના પેશીઓ માટે ચયાપચય ઇંધણ ગ્લુકોઝ છે. ગ્લુકોઝ ગ્લાયકોલિસિસ દ્વારા પાયરુવેટમાં ચયાપચય થાય છે. એરોબિક સ્થિતિમાં (ઓક્સિજનની હાજરીમાં) પાયરુવેટ માઇટોકોન્ડ્રિયલ મેટ્રિક્સમાં પ્રવેશે છે, જ્યાં તે એસિટાઇલ CoA માં રૂપાંતરિત થાય છે અને ગ્લુકોઝના સંપૂર્ણ ઑક્સિડેશનને $\mathrm{CO} _{2}$ અને $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ સુધી પૂર્ણ કરવા માટે સાઇટ્રિક એસિડ ચક્રમાં ભાગ લે છે (ફિગ. 5.1). આ ઑક્સિડેશન ઑક્સિડેટિવ ફોસ્ફોરાઇલેશનની પ્રક્રિયા દ્વારા એટીપીના નિર્માણ સાથે જોડાયેલું છે. એનારોબિક ($\mathrm{O} _{2}$ ની ગેરહાજરી/અભાવ) સ્થિતિમાં પાયરુવેટ લેક્ટિક એસિડમાં રૂપાંતરિત થાય છે. ગ્લાયકોલિસિસના ચયાપચય મધ્યવર્તીઓ અન્ય ચયાપચય પ્રક્રિયાઓમાં પણ ભાગ લે છે, જેમ કે

(i) પ્રાણીઓમાં ગ્લાયકોજનના સંશ્લેષણ અને તેના સંગ્રહમાં.

(ii) પેન્ટોઝ ફોસ્ફેટ માર્ગમાં જે ફેટી એસિડ સંશ્લેષણ માટે રિડ્યુસિંગ ઇક્વિવેલન્ટ (NADPH)નો સ્ત્રોત છે, અને ન્યુક્લિઓટાઇડ્સ અને ન્યુક્લિક એસિડ સંશ્લેષણ માટે રાઇબોઝનો સ્ત્રોત છે.

(iii) ટ્રાયોઝ ફોસ્ફેટ ટ્રાયસાયલગ્લિસરોલના ગ્લિસરોલ ભાગ ઉત્પન્ન કરે છે.

(iv) એસિટાઇલ CoA ફેટી એસિડ અને કોલેસ્ટેરોલના સંશ્લેષણ માટે પૂર્વગામી છે. કોલેસ્ટેરોલ પછી પ્રાણીઓમાં અન્ય તમામ સ્ટેરોઇડ્સ સંશ્લેષિત કરે છે.

(v) પાયરુવેટ અને સાઇટ્રિક એસિડ ચક્રના મધ્યવર્તીઓ એમિનો એસિડ સંશ્લેષણ માટે કાર્બન કંકાલ આપે છે.

(vi) જ્યારે ગ્લાયકોજનના સંગ્રહ ખલાસ થાય છે જેમ કે ભૂખમરાની સ્થિતિમાં બિન-કાર્બોહાઇડ્રેટ પૂર્વગામીઓ જેમ કે લેક્ટિક એસિડ, એમિનો એસિડ અને ગ્લિસરોલ ગ્લુકોનિયોજેનેસિસની પ્રક્રિયા દ્વારા ગ્લુકોઝ સંશ્લેષિત કરી શકે છે.

ફિગ. 5.1: કાર્બોહાઇડ્રેટ ચયાપચયનો સંક્ષિપ્ત વિહંગાવલોકન

5.2.2 લિપિડ ચયાપચયનો સંક્ષિપ્ત વિહંગાવલોકન

કેટલાક મહત્વપૂર્ણ પેશીઓ જેમ કે મગજ, હૃદય અને લાલ રક્ત કોશિકાઓ ફક્ત ગ્લુકોઝ પર નિર્ભર છે. ઉપવાસની સ્થિતિમાં જ્યારે ગ્લુકોઝ મર્યાદિત હોય છે, ત્યારે ઓછા ગ્લુકોઝ-આધારિત પેશીઓ જેમ કે સ્નાયુઓ, યકૃત અને અન્ય પેશીઓ વૈકલ્પિક રીતે ગ્લુકોઝ સિવાયના ઇંધણનો ઉપયોગ કરે છે (ફિગ. 5.2). આ ઇંધણ લાંબી શૃંખલાના ફેટી એસિડ છે જે કાર્બોહાઇડ્રેટ અથવા એમિનો એસિડમાંથી મેળવેલા એસિટાઇલ CoA માંથી કાં તો આહારમાંથી લેવામાં આવે છે અથવા સંશ્લેષિત કરવામાં આવે છે. ફેટી એસિડ $\beta$-ઑક્સિડેશન માર્ગ દ્વારા એસિટાઇલ CoA માં ઑક્સિડાઇઝ થઈ શકે છે અથવા ગ્લિસરોલ સાથે એસ્ટરીફાઇડ થઈ શકે છે પ્રાણીઓના ચરબી પેશીમાં મુખ્ય ઇંધણ સંગ્રહ તરીકે ટ્રાયસાયલગ્લિસરોલ (ચરબી) સંશ્લેષિત કરવા માટે. $\beta$-ઑક્સિડેશન માર્ગ દ્વારા રચાયેલા એસિટાઇલ CoA ના નીચેના ત્રણ ભાવિ છે.

(i) તે સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર દ્વારા $\mathrm{CO} _{2}$ અને $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$ માં ઑક્સિડાઇઝ થાય છે.

(ii) તે અન્ય લિપિડ્સ જેમ કે કોલેસ્ટેરોલના સંશ્લેષણ માટે પૂર્વગામી છે. કોલેસ્ટેરોલ પછી અન્ય તમામ સ્ટેરોઇડ્સ (હોર્મોન્સ અને પિત્ત રંજકદ્રવ્યો) સંશ્લેષિત કરે છે.

(iii) તેનો ઉપયોગ કીટોન બોડી (એસિટોન, એસિટોએસિટેટ અને 3-હાઇડ્રોક્સી બ્યુટિરેટ) સંશ્લેષિત કરવા માટે થાય છે જે લાંબા સમય સુધી ઉપવાસમાં યકૃત અને કેટલીક અન્ય પેશીઓ માટે વૈકલ્પિક ઇંધણ છે.

ફિગ. 5.2: લિપિડ ચયાપચયનો સંક્ષિપ્ત વિહંગાવલોકન

5.2.3 એમિનો એસિડ ચયાપચયનો સંક્ષિપ્ત વિહંગાવલોકન

એમિનો એસિડ પ્રોટીનના બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ હોવાથી, તેથી તે પ્રોટીન સંશ્લેષણ માટે જરૂરી છે. ત્યાં 20 માનક એમિનો એસિડ છે. કેટલાક બિન આવશ્યક એમિનો એસિડ છે કારણ કે આ ચયાપચય મધ્યવર્તીઓ દ્વારા ટ્રાન્સએમિનેશનની પ્રક્રિયા દ્વારા શરીરમાં સંશ્લેષિત થાય છે (ફિગ. 5.3). બાકીના આવશ્યક એમિનો એસિડ છે જે આહારમાં પૂરા પાડવા જોઈએ કારણ કે તે શરીરમાં સંશ્લેષિત થતા નથી. ટ્રાન્સએમિનેશનમાં, એમિનો નાઇટ્રોજન એક એમિનો એસિડમાંથી કાર્બન કંકાલમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે જેથી અન્ય એમિનો એસિડ બને છે. ડિએમિનેશનની પ્રક્રિયામાં, એમિનો નાઇટ્રોજન યુરિયા તરીકે ઉત્સર્જિત થાય છે. ટ્રાન્સએમિનેશન પછી રહેલા કાર્બન કંકાલ નીચેની ભૂમિકાઓ ભજવી શકે છે:

ફિગ. 5.3: એમિનો એસિડ ચયાપચયનો સંક્ષિપ્ત વિહંગાવલોકન

(i) સાઇટ્રિક એસિડ ચક્ર દ્વારા $\mathrm{CO} _{2}$ માં ઑક્સિડાઇઝ થાય છે.

(ii) ગ્લુકોનિયોજેનેસિસ દ્વારા ગ્લુકોઝ સંશ્લેષિત કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

(iii) કીટોન બોડી બનાવે છે, જે ઑક્સિડાઇઝ થઈ શકે છે અથવા ફેટી એસિડ સંશ્લેષણ માટે ઉપયોગમાં લઈ શકાય છે.

કેટલાક એમિનો એસિડ છોડ અને પ્રાણીઓના હોર્મોન્સ, પ્યુરિન્સ, પિરિમિડિન્સ અને ન્યુરોટ્રાન્સમીટર્સ જેવા અન્ય જૈવઅણુઓના સંશ્લેષણમાં ભાગ લે છે.

કેટલાક મહત્વપૂર્ણ ચયાપચય માર્ગો નીચે મુજબ છે -

5.2.4 ગ્લાયકોલિસિસ

ગ્લાયકોલિસિસ એ તમામ જીવંત કોષોમાં સાર્વત્રિક ઉદ્દીપક માર્ગ છે, જે એમ્બડેન-મેયરહોફ-પાર્નાસ (EMP) માર્ગ તરીકે પણ ઓળખાય છે (ફિગ. 5.4). તે કાર્બોહાઇડ્રેટ ચયાપચયનો મુખ્ય માર્ગ છે અને સંલગ્ન તમામ ઉત્સેચકો સાયટોસોલમાં હાજર હોય છે, અને માર્ગ ગ્લુકોઝના ફોસ્ફોરાઇલેશનથી ગ્લુકોઝ-6-ફોસ્ફેટ સુધી શરૂ થાય છે જે ઉત્સેચક હેક્સોકાઇનેઝ દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે. એટીપી ફોસ્ફેટ દાતા છે; તેનો $\gamma$-ફોસ્ફોરિલ જૂથ ગ્લુકોઝમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે. આ પ્રતિક્રિયા અપરિવર્તનીય છે અને ઉત્સેચક હેક્સોકાઇનેઝ તેના ઉત્પાદન ગ્લુકોઝ-6-ફોસ્ફેટ દ્વારા એલોસ્ટેરિકલી (જ્યારે ઉત્પાદન સક્રિય સ્થળથી અલગ સ્થળે ઉત્સેચક સાથે જોડાય છે અને તેની ઉદ્દીપક પ્રવૃત્તિમાં ફેરફાર કરે છે) અવરોધિત થાય છે. હેક્સોકાઇનેઝ ગ્લુકોઝ સિવાયના ખાંડ જેમ કે ફ્રુક્ટોઝ, ગેલેક્ટોઝ, મેનોઝ, વગેરેને પણ ફોસ્ફોરાઇલેટ કરી શકે છે. યકૃત કોષોમાં હેક્સોકાઇનેઝનું આઇસોએન્ઝાઇમ (વિગતવાર માહિતી વિભાગ 4.1માં આપવામાં આવી છે) પણ હોય છે જેને ગ્લુકોકાઇનેઝ કહેવામાં આવે છે