5.1 కణ సంకేతీకరణ

కణాలు మన శరీరానికి కేవలం నిర్మాణాత్మక బ్లాకులు మాత్రమే కావు. ప్రోకారియోటిక్ మరియు యూకారియోటిక్ కణాల రెండింటికీ ఒక ముఖ్యమైన లక్షణం ఏమిటంటే, అవి నిరంతరం పర్యావరణ సూచనలను స్వీకరించి, వాటిని వాస్తవ సమయంలో అర్థం చేసుకొని ప్రతిస్పందిస్తాయి. ఈ సంకేతాలలో కాంతి, వేడి, ధ్వని మరియు స్పర్శ ఉంటాయి. అభివృద్ధి సమయంలో కణాల భవితవ్యం బహిఃకణ సంకేతాలకు ప్రతిస్పందనగా సంకేత మార్గాల ద్వారా నిర్దేశించబడుతుంది. కణాలు తమ పొరుగు కణాలతో సంకేతాలను ప్రసారం చేయడం మరియు స్వీకరించడం ద్వారా పరస్పర చర్య చేసుకుంటాయి. ఈ సంకేతాలు కణాలచే రసాయనాల రూపంలో సంశ్లేషణ చేయబడి బహిఃకణ వాతావరణంలో విడుదల చేయబడతాయి. అయితే, కణాలు మన శరీర కణాలు సంశ్లేషణ చేయని ‘బాహ్య’ సంకేతాలకు కూడా ప్రతిస్పందించగలవు. అందువల్ల, కణాలు వివిధ రకాల సంకేతాలను గ్రహించగల సామర్థ్యం కలిగి ఉన్నాయని ఊహించవచ్చు. ఒక కణం నిర్దిష్ట సంకేతానికి ప్రతిస్పందించడానికి దానికి సంబంధిత గ్రాహకం ఉంటే మాత్రమే సాధ్యమవుతుందని గమనించడం ముఖ్యం. గ్రాహకం అనేది కణ ఉపరితలంపై లేదా కణద్రవ్యంలో లేదా కేంద్రకంలో ఉండే గ్లైకోప్రోటీన్. గ్రాహకం ప్రతిస్పందించే రసాయన సందేశవాహకాన్ని లైగాండ్ అంటారు. ఒక గ్రాహకం మరియు దాని సంబంధిత లైగాండ్ మధ్య సంబంధం చాలా నిర్దిష్టమైనది, అంటే ఒక కణం సంబంధిత గ్రాహకాన్ని కలిగి ఉంటే మాత్రమే రసాయన సందేశవాహకానికి ప్రతిస్పందించగలదు, లేకపోతే కాదు.

ఒక కణం నుండి మరొక కణానికి రసాయన సందేశాల ప్రసారం కోసం లైగాండ్ దాని గ్రాహకానికి బంధించబడటం అవసరం, ఇది గ్రాహకంలో ఆకృతి మార్పులకు దారితీస్తుంది. ఈ మార్పులు తరువాత ఒక సందేశ రిలే వ్యవస్థను ప్రారంభించి, కణం లోపలి కార్యకలాపాలలో మరింత ముఖ్యమైన మార్పులను తీసుకువస్తాయి.

కణాలు వివిధ మార్గాల్లో సంకేతాలను పంపడం మరియు స్వీకరించడం గమనించాలి. పంపేవారి మరియు స్వీకర్త కణాల సామీప్యాన్ని బట్టి, సంకేతీకరణను విస్తృతంగా ఈ క్రింది వర్గాలుగా వర్గీకరించవచ్చు:

1. పారాక్రైన్ సంకేతీకరణ: ఈ రూపంలోని సంకేతీకరణలో, కణాల మధ్య సంభాషణ చాలా తక్కువ దూరాల్లో జరుగుతుంది. పంపే కణాలచే బహిఃకణ స్థలంలో విడుదల చేయబడిన రసాయన సందేశం స్వీకర్త కణాలచే తక్షణం గ్రహించబడుతుంది. నాడీకణాల సంభాషణలో ఈ రకమైన సంకేతీకరణ కనిపిస్తుంది.

2. ఆటోక్రైన్ సంకేతీకరణ: చాలా సార్లు, లైగాండ్ను స్రవించే కణం, ఆ లైగాండ్కు నిర్దిష్టమైన గ్రాహకాలను కూడా కలిగి ఉంటుంది. ఈ రకమైన సంకేతీకరణను ఆటోక్రైన్ సంకేతీకరణ అంటారు. ఉదాహరణకు, క్యాన్సర్ కణాలు అనియంత్రిత వృద్ధి ద్వారా వర్గీకరించబడతాయి. అందువల్ల, వాటి విస్తరణకు వాటికి ఎక్కువ మొత్తంలో వృద్ధి కారకాలు అవసరం. సాధారణ కణాల మాదిరిగా కాకుండా, క్యాన్సర్ కణాలు వాటి వృద్ధికి బాహ్య వృద్ధి కారకాలపై ఆధారపడవు. బదులుగా, అవి తమ స్వంత వృద్ధి కారకాలను సంశ్లేషణ చేయగల సామర్థ్యం కలిగి ఉంటాయి మరియు వాటికి నిర్దిష్టమైన గ్రాహకాలను కూడా కలిగి ఉంటాయి.

3. ఎండోక్రైన్ సంకేతీకరణ: దీర్ఘ-దూర సంకేతీకరణ లేదా ఎండోక్రైన్ సంకేతీకరణకు లైగాండ్ బహిఃకణ స్థలంలో కణం చేత సంశ్లేషణ చేయబడటం అవసరం, అక్కడ నుండి అది రక్తప్రవాహానికి చేరుకొని స్వీకర్త లేదా లక్ష్య కణానికి ప్రయాణిస్తుంది. హార్మోన్లు సాధారణంగా ఈ రూపంలోని సంకేతీకరణను ప్రదర్శిస్తాయి.

5.2 జీవక్రియ మార్గాలు

జీవక్రియ అనేది జీవులు తమ జీవ ప్రక్రియలను నిర్వహించడానికి అవసరమైన స్వేచ్ఛ శక్తిని తీసుకొని ఉపయోగించుకునే ప్రక్రియ. జీవులు స్వేచ్ఛ శక్తిని తీసుకోవడం ఆధారంగా రెండు రకాలు: ఫోటోట్రోఫ్లు మరియు కెమోట్రోఫ్లు. ఫోటోట్రోఫ్లు సూర్యరశ్మి శక్తిని ఉపయోగించి సరళ అణువులను (తక్కువ శక్తిని కలిగి ఉండేవి) మరింత సంక్లిష్ట అణువులుగా (శక్తి సంపన్నమైనవి) మారుస్తాయి, ఇవి జీవ ప్రక్రియలను నిర్వహించడానికి ఇంధనంగా పనిచేస్తాయి. ఫోటోట్రోఫ్లు ప్రకాశసంశ్లేషణ జీవులు (మొక్కలు మరియు కొన్ని బ్యాక్టీరియా వంటివి); అవి కాంతి శక్తిని రసాయన శక్తిగా మారుస్తాయి. హెటెరోట్రోఫ్లు జంతువుల వంటివి, తమ ఆహారం ద్వారా మొక్కల నుండి పరోక్షంగా రసాయన శక్తిని పొందుతాయి. జీవులలో ఈ స్వేచ్ఛ శక్తి గ్రహణం పోషకాల ఆక్సీకరణ యొక్క ఎక్సర్గోనిక్ ప్రతిచర్యలను జీవ స్థితిని నిర్వహించడానికి అవసరమైన ఎండర్గోనిక్ ప్రక్రియలతో జతచేయడం ద్వారా జరుగుతుంది. ఈ శక్తి లావాదేవీలకు కేంద్రంగా ATP అనే శక్తి కరెన్సీ ఉంటుంది (వివరాలు విభాగం 4.2 బయోఎనర్జెటిక్స్లో ఇవ్వబడ్డాయి). జీవక్రియలో, ఒక నిర్దిష్ట అణువుతో ప్రారంభమయ్యే మరియు దానిని జాగ్రత్తగా నిర్వచించిన పద్ధతిలో కొన్ని ఇతర అణువు లేదా అణువులుగా మార్చే పరస్పరం అనుసంధానించబడిన జీవరసాయన ప్రతిచర్యలు ఉంటాయి. కెమోట్రోఫ్లలో, ఎలక్ట్రాన్ దాతలను ఆక్సీకరణ చేయడం ద్వారా శక్తి పొందబడుతుంది. శక్తి కణం లోపల వివిధ ప్రక్రియల కోసం ఉపయోగించబడుతుంది, ఉదాహరణకు, ప్రవణత సృష్టి, పొరల మధ్య అణువుల కదలిక, రసాయన శక్తిని యాంత్రిక శక్తిగా మార్చడం మరియు జీవ అణువుల సంశ్లేషణకు దారితీసే ప్రతిచర్యలను శక్తివంతం చేయడం.

జీవ అణువుల సంశ్లేషణ మరియు విచ్ఛిన్నం జీవ వ్యవస్థ లోపల అనేక దశల ద్వారా సాధించబడుతుంది. ఈ దశలు సమిష్టిగా జీవక్రియ మార్గాన్ని ఏర్పరుస్తాయి. జీవక్రియ మార్గాలను విస్తృతంగా రెండు తరగతులుగా వర్గీకరించవచ్చు; అనాబోలిక్ మార్గాలు మరియు కాటబోలిక్ మార్గాలు.

(i) అనాబోలిక్ మార్గాలు

ఈ మార్గాలలో, చిన్న అణువుల నుండి పెద్ద మరియు మరింత సంక్లిష్టమైన అణువులు సంశ్లేషణ చేయబడతాయి. అనాబోలిక్ మార్గాలు ఎండర్గోనిక్ (శక్తి వినియోగం). గ్లూకోజ్, కొవ్వులు, ప్రోటీన్ లేదా DNA సంశ్లేషణ వంటి శక్తి అవసరమయ్యే ప్రతిచర్యలను అనాబోలిక్ ప్రతిచర్యలు లేదా అనాబాలిజం అంటారు.

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

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

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

(ii) కాటబోలిక్ మార్గాలు

ఈ మార్గాలు పెద్ద అణువుల విచ్ఛిన్నాన్ని కలిగి ఉంటాయి. ఇవి ఎక్సర్గోనిక్ (శక్తి విడుదల) ప్రతిచర్యలు మరియు రిడ్యూసింగ్ ఈక్వివలెంట్లు మరియు ATPని ఉత్పత్తి చేస్తాయి. కాటబాలిజంలో ఉత్పత్తి అయ్యే ఉపయోగకరమైన శక్తి రూపాలు అనాబాలిజంలో ఉపయోగించబడతాయి, సరళమైన వాటి నుండి సంక్లిష్ట నిర్మాణాలను లేదా శక్తి పేద వాటి నుండి శక్తి సంపన్నమైన స్థితులను ఉత్పత్తి చేయడానికి.

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

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

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

5.2.1 కార్బోహైడ్రేట్ జీవక్రియ యొక్క సంగ్రహావలోకనం

జంతువులలో, చాలా కణజాలాలకు జీవక్రియ ఇంధనం గ్లూకోజ్. గ్లూకోజ్ గ్లైకాలిసిస్ ద్వారా పైరువేట్గా జీవక్రియ చెందుతుంది. ఏరోబిక్ పరిస్థితిలో (ఆక్సిజన్ ఉన్నప్పుడు) పైరువేట్ మైటోకాండ్రియల్ మాతృకలోకి ప్రవేశిస్తుంది, అక్కడ అది ఎసిటైల్ CoAగా మార్చబడుతుంది మరియు గ్లూకోజ్ యొక్క పూర్తి ఆక్సీకరణను $\mathrm{CO} _{2}$ మరియు $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$కి పూర్తి చేయడానికి సిట్రిక్ ఆమ్ల చక్రంలో పాల్గొంటుంది (Fig. 5.1). ఈ ఆక్సీకరణ ఆక్సిడేటివ్ ఫాస్ఫారిలేషన్ ప్రక్రియ ద్వారా ATP ఏర్పాటుకు అనుసంధానించబడి ఉంటుంది. అనాక్రోబిక్ ($\mathrm{O} _{2}$ లేకపోవడం/కొరత) పరిస్థితిలో పైరువేట్ లాక్టిక్ ఆమ్లంగా మార్చబడుతుంది. గ్లైకాలిసిస్ యొక్క జీవక్రియ మధ్యంతరాలు ఇతర జీవక్రియ ప్రక్రియలలో కూడా పాల్గొంటాయి, ఉదాహరణకు

(i) జంతువులలో గ్లైకోజన్ సంశ్లేషణ మరియు దాని నిల్వలో.

(ii) పెంటోస్ ఫాస్ఫేట్ మార్గంలో, ఇది కొవ్వు ఆమ్ల సంశ్లేషణకు రిడ్యూసింగ్ ఈక్వివలెంట్ (NADPH) మూలం మరియు న్యూక్లియోటైడ్లు మరియు న్యూక్లిక్ ఆమ్ల సంశ్లేషణకు రైబోస్ మూలం.

(iii) ట్రయోస్ ఫాస్ఫేట్ ట్రయాసిల్గ్లిసరాల్ యొక్క గ్లిసరాల్ భాగాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

(iv) ఎసిటైల్ CoA కొవ్వు ఆమ్లాలు మరియు కొలెస్ట్రాల్ సంశ్లేషణకు పూర్వగామి. కొలెస్ట్రాల్ తరువాత జంతువులలో అన్ని ఇతర స్టెరాయిడ్లను సంశ్లేషణ చేస్తుంది.

(v) పైరువేట్ మరియు సిట్రిక్ ఆమ్ల చక్రం యొక్క మధ్యంతరాలు అమైనో ఆమ్ల సంశ్లేషణకు కార్బన్ అస్థిపంజరాన్ని ఇస్తాయి.

(vi) గ్లైకోజన్ నిల్వలు ఖాళీ అయినప్పుడు, ఉపవాస పరిస్థితుల వంటివి, లాక్టిక్ ఆమ్లం, అమైనో ఆమ్లాలు మరియు గ్లిసరాల్ వంటి నాన్-కార్బోహైడ్రేట్ పూర్వగాములు గ్లూకోనియోజెనెసిస్ ప్రక్రియ ద్వారా గ్లూకోజ్ను సంశ్లేషణ చేయగలవు.

Fig. 5.1: కార్బోహైడ్రేట్ జీవక్రియ యొక్క సంగ్రహావలోకనం

5.2.2 లిపిడ్ జీవక్రియ యొక్క సంగ్రహావలోకనం

మెదడు, గుండె మరియు ఎర్ర రక్త కణాలు వంటి కొన్ని ముఖ్యమైన కణజాలాలు ప్రత్యేకంగా గ్లూకోజ్పై ఆధారపడి ఉంటాయి. గ్లూకోజ్ పరిమితంగా ఉన్న ఉపవాస స్థితిలో, అప్పుడు తక్కువ గ్లూకోజ్-ఆధారిత కణజాలాలు కండరాలు, కాలేయం మరియు ఇతర కణజాలాలు ప్రత్యామ్నాయంగా గ్లూకోజ్ కాకుండా ఇతర ఇంధనాన్ని ఉపయోగిస్తాయి (Fig. 5.2). ఈ ఇంధనం దీర్ఘ-శృంఖల కొవ్వు ఆమ్లాలు, ఇవి ఆహారం నుండి తీసుకోబడతాయి లేదా కార్బోహైడ్రేట్ లేదా అమైనో ఆమ్లాల నుండి వచ్చే ఎసిటైల్ CoA నుండి సంశ్లేషణ చేయబడతాయి. కొవ్వు ఆమ్లాలు $\beta$-ఆక్సీకరణ మార్గం ద్వారా ఎసిటైల్ CoAకి ఆక్సీకరణ చేయబడతాయి లేదా గ్లిసరాల్తో ఎస్టరీకరణ చేయబడతాయి జంతువుల కొవ్వు కణజాలంలో ప్రధాన ఇంధన నిల్వగా ట్రయాసిల్గ్లిసరాల్ (కొవ్వు) సంశ్లేషణ చేయడానికి. $\beta$-ఆక్సీకరణ మార్గం ద్వారా ఏర్పడిన ఎసిటైల్ CoA యొక్క క్రింది మూడు విధులు ఉన్నాయి.

(i) ఇది సిట్రిక్ ఆమ్ల చక్రం ద్వారా $\mathrm{CO} _{2}$ మరియు $\mathrm{H} _{2} \mathrm{O}$కి ఆక్సీకరణ చేయబడుతుంది.

(ii) ఇది కొలెస్ట్రాల్ వంటి ఇతర లిపిడ్ల సంశ్లేషణకు పూర్వగామి. కొలెస్ట్రాల్ తరువాత అన్ని ఇతర స్టెరాయిడ్లను (హార్మోన్లు మరియు పిత్త రంజకాలు) సంశ్లేషణ చేస్తుంది.

(iii) ఇది కీటోన్ బాడీలను (అసిటోన్, అసిటోఎసిటేట్ మరియు 3-హైడ్రాక్సీ బ్యూటైరేట్) సంశ్లేషణ చేయడానికి ఉపయోగించబడుతుంది, ఇవి కాలేయం మరియు దీర్ఘకాలిక ఉపవాసంలో కొన్ని ఇతర కణజాలాలకు ప్రత్యామ్నాయ ఇంధనం.

Fig. 5.2: లిపిడ్ జీవక్రియ యొక్క సంగ్రహావలోకనం

5.2.3 అమైనో ఆమ్ల జీవక్రియ యొక్క సంగ్రహావలోకనం

అమైనో ఆమ్లాలు ప్రోటీన్ల నిర్మాణ బ్లాక్లు కాబట్టి, అవి ప్రోటీన్ సంశ్లేషణకు అవసరం. 20 ప్రామాణిక అమైనో ఆమ్లాలు ఉన్నాయి. కొన్ని అనావశ్యక అమైనో ఆమ్లాలు ఎందుకంటే ఇవి ట్రాన్సామినేషన్ ప్రక్రియ ద్వారా జీవక్రియ మధ్యంతరాల ద్వారా శరీరంలో సంశ్లేషణ చేయబడతాయి (Fig. 5.3). మిగిలినవి అత్యవసర అమైనో ఆమ్లాలు, ఇవి శరీరంలో సంశ్లేషణ చేయబడవు కాబట్టి ఆహారంలో సరఫరా చేయబడాలి. ట్రాన్సామినేషన్లో, అమైనో నైట్రోజన్ ఒక అమైనో ఆమ్లం నుండి కార్బన్ అస్థిపంజరానికి బదిలీ చేయబడుతుంది, ఇతర అమైనో ఆమ్లాలను ఏర్పరుస్తుంది. డీఅమినేషన్ ప్రక్రియలో, అమైనో నైట్రోజన్ యూరియాగా విసర్జించబడుతుంది. ట్రాన్సామినేషన్ తర్వాత మిగిలి ఉన్న కార్బన్ అస్థిపంజరాలు ఈ క్రింది పాత్రలను పోషించగలవు:

Fig. 5.3: అమైనో ఆమ్ల జీవక్రియ యొక్క సంగ్రహావలోకనం

(i) సిట్రిక్ ఆమ్ల చక్రం ద్వారా $\mathrm{CO} _{2}$కి ఆక్సీకరణ చేయబడతాయి.

(ii) గ్లూకోనియోజెనెసిస్ ద్వారా గ్లూకోజ్ సంశ్లేషణ చేయడానికి ఉపయోగించబడతాయి.

(iii) కీటోన్ బాడీలను ఏర్పరుస్తాయి, అవి ఆక్సీకరణ చేయబడతాయి లేదా కొవ్వు ఆమ్ల సంశ్లేషణ కోసం ఉపయోగించబడతాయి.

కొన్ని అమైనో ఆమ్లాలు మొక్కలు మరియు జంతువుల హార్మోన్లు, ప్యూరిన్లు, పిరిమిడిన్లు మరియు న్యూరోట్రాన్స్మిటర్లు వంటి ఇతర జీవ అణువుల సంశ్లేషణలో పాల్గొంటాయి.

కొన్ని ముఖ్యమైన జీవక్రియ మార్గాలు -

5.2.4 గ్లైకాలిసిస్

గ్లైకాలిసిస్ అన్ని జీవ కణాలలో ఒక సార్వత్రిక ఉత్ప్రేరక మార్గం, ఇది ఎంబ్డెన్-మేయెర్హోఫ్-పార్నాస్ (EMP) మార్గం అని కూడా పిలువబడుతుంది (Fig. 5.4). ఇది కార్బోహైడ్రేట్ జీవక్రియ యొక్క ప్రధాన మార్గం మరియు ఇందులో పాల్గొన్న అన్ని ఎంజైమ్లు కణద్రవ్యంలో ఉంటాయి, మరియు మార్గం గ్లూకోజ్ యొక్క ఫాస్ఫారిలేషన్తో గ్లూకోజ్-6-ఫాస్ఫేట్గా ప్రారంభమవుతుంది, ఇది ఎంజైమ్ హెక్సోకినేస్ చేత ఉత్ప్రేరణ చేయబడుతుంది. ATP ఫాస్ఫేట్ దాత; దాని $\gamma$-ఫాస్ఫోరిల్ సమూహం గ్లూకోజ్కు బదిలీ చేయబడుతుంది. ఈ ప్రతిచర్య తిరోగమనం చెందదు మరియు ఎంజైమ్ హెక్సోకినేస్ దాని ఉత్పత్తి గ్లూకోజ్-6-ఫాస్ఫేట్ ద్వారా అలోస్టెరిక్గా నిరోధించబడుతుంది (ఉత్పత్తి ఎంజైమ్కు క్రియాశీల స్థలం కాకుండా వేరే స్థలంలో బంధించినప్పుడు మరియు దాని ఉత్ప్రేరక కార్యాచరణను మారుస్తుంది). హెక్సోకినేస్ గ్లూకోజ్ కాకుండా ఫ్రక్టోజ్, గెలాక్టోజ్, మానోజ్ మొదలైన చక్కెరలను కూడా ఫాస్ఫారిలేట్ చేయగలదు. కాలేయ కణాలు హెక్సోకినేస్ యొక్క ఐసోఎంజైమ్ను కూడా కలిగి ఉంటాయి (వివరాలు విభాగం 4.1లో ఇవ్వబడ్డాయి) దీనిని గ్లూకోకినేస్ అంటారు, ఇది గ్లూకోజ్ను మాత్రమే ఫాస్ఫారిలేట్ చేయగలదు. గ్లూకోజ్-6-ఫాస్ఫేట్ కార్బోహైడ్రేట్ జీవక్రియ యొక్క ముఖ్యమైన మధ్యంతరం ఎందుకంటే ఇది గ్లైకాలిసిస్, గ్లూకోనియోజెనెసిస్ (నాన్-కార్బోహైడ్రేట్ అణువుల నుండి గ్లూకోజ్ ఏర్పడటం), పెంటోస్ ఫాస్ఫేట్ మార్గం, గ్లైకోజెనెసిస్ (గ్లైకోజన్ సంశ్లేషణ) మరియు గ్లైకోజనాలిసిస్ (గ్లైకోజన్ విచ్ఛిన్నం)లో ఏర్పడుతుంది.

గ్లూకోజ్-6-ఫాస్ఫేట్ తరువాత ఫ్రక్టోజ్-6-ఫాస్ఫేట్గా మార్చబడుతుంది, ఇది ఎంజైమ్ ఫాస్ఫోగ్లూకోజ్ ఐసోమెరేస్ చేత ఉత్ప్రేరణ చేయబడుతుంది, ఇది ఆల్డోస్-కీటోస్ ఐసోమెరైజేషన్ ప్రతిచర్యను ఉత్ప్రేరణ చేస్తుంది. ఫ్రక్టోజ్-6-ఫాస్ఫేట్ తరువాత ఎంజైమ్ ఫాస్ఫోఫ్రక్టోకినేస్ (PFK) ద్వారా మరొక ఫాస్ఫారిలేషన్ను అనుభవిస్తుంది, ఫ్రక్టోజ్-1,6-