श्वसनाची मूलतत्त्वे आणि ATP निर्मिती
मागील धड्यात (Photosynthesis) साखर बनवली; येथे त्याच साखरेतून ATP ऊर्जा कशी मिळवली जाते ते शिकतो.
बॅटरी चार्ज करून मोबाईल चालतो; पेशींची बॅटरी ATP आहे आणि श्वसन ही त्याची चार्जिंग.
श्वसन = जटिल सेंद्रिय पदार्थांचे (मुख्यतः glucose) ऑक्सिडेशन करून जैविक ऊर्जा (ATP) मिळवणे. ATP निर्मितीला phosphorylation म्हणतात.
आकृतीत : श्वसन आणि ATP निर्मितीचे तीन प्रकार.
नियम 1 : Phosphorylation चे प्रकार — Photophosphorylation : प्रकाशात (chloroplast). Substrate-level : योग्य पदार्थातून फॉस्फेट थेट ADP ला; cytoplasm आणि mitochondria च्या matrix मध्ये. Oxidative : NADH+H⁺ आणि FADH₂ च्या ऑक्सिडेशन-ऊर्जेने; फक्त आतील mitochondrial पटलावर. ऊर्जा हवी तेव्हा ATP चे hydrolysis होते.
- सोपे : Substrate-level = थेट; oxidative = साखळीने.
- मध्यम : Oxidative फक्त आतील पटलावर.
- परीक्षेसाठी (CET) : ATP hydrolysis = ऊर्जा मुक्त.
नियम 2 : श्वसनाचे प्रकार आणि हायड्रोजन-काढणे — श्वसन catabolic; anaerobic (fermentation; O₂ नाही) आणि aerobic (O₂ सहित). श्वसनात प्राथमिक क्रिया हायड्रोजन काढणे (dehydrogenase enzymes); acceptors तो घेतात; aerobic मध्ये शेवटी O₂ ला देतात → पाणी. त्यामुळे O₂ थेट पदार्थाशी जुळत नाही.
- सोपे : Catabolic = तोडणारी.
- मध्यम : O₂ चे काम हायड्रोजन स्वीकारणे.
- परीक्षेसाठी (CET) : Acceptors = NAD⁺, FAD.
P-S-O : Photo-, Substrate-level, Oxidative phosphorylation.
‘O₂ थेट glucose शी मिळतो’ चूक. सापळा : ‘Oxidative cytoplasm मध्ये’ चूक.
आठवणीची युक्ती : "ATP = Always The Power".
फरक ओळखा
| प्रकार | जागा | स्रोत |
|---|---|---|
| Photo- | Chloroplast | प्रकाश |
| Substrate-level | Cytoplasm, matrix | पदार्थ |
| Oxidative | आतील पटल | NADH, FADH₂ |
सरावासाठी प्रश्न
- 1Phosphorylation म्हणजे?
- 2तीन प्रकार सांगा.
- 3Oxidative कोठे?
- 4Anaerobic ला दुसरे नाव.
- 5श्वसन catabolic का?
- 6हायड्रोजन कोण काढते?
- 7हायड्रोजनचा शेवट?
- 8ATP चे hydrolysis का?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1ATP निर्मिती.
- 2Photo-, substrate-level, oxidative.
- 3आतील mitochondrial पटल.
- 4Fermentation.
- 5पदार्थ तोडते.
- 6Dehydrogenases.
- 7O₂ शी मिळून पाणी.
- 8ऊर्जा मिळवण्यासाठी.
Glycolysis
मोठी नोट सुट्ट्या नाण्यात फोडल्यासारखे, glucose चे दोन छोट्या pyruvate मध्ये विभाजन होते.
Glycolysis : cytoplasm मध्ये 10 पायऱ्यांत 1 glucose (6C) → 2 pyruvic acid (3C); anaerobic आणि aerobic दोन्हींची सामायिक पहिली अवस्था.
आकृतीत : Glycolysis चे दोन फेज.
नियम 1 : Preparatory फेज (पायरी 1–5) — Glucose दोन वेळा फॉस्फेट होतो (2 ATP खर्च) → fructose 1,6-bisphosphate. तो दुभंगून PGAL आणि DHAP (दोन्ही 3C, isomers); DHAP चे PGAL मध्ये रूपांतर → एकूण 2 PGAL. Enzymes : hexokinase, phosphofructokinase (PFK), aldolase.
- सोपे : 2 ATP खर्च.
- मध्यम : 1,6-bisP दुभंगतो.
- परीक्षेसाठी (CET) : PGAL = glyceraldehyde-3-phosphate.
नियम 2 : Pay-off फेज (पायरी 6–10) — 2 PGAL → 2 × 1,3-bisphosphoglycerate (ऑक्सिडेशन + अकार्बनी फॉस्फेट; 2 NADH) → ... → 2 pyruvate. 4 ATP substrate-level ने. Net : 2 ATP + 2 NADH + 2 pyruvate. Overall : Glucose + 2 ATP + 2 Pi + 4 ADP + 2 NAD⁺ → 2 Pyruvate + 2 ADP + 4 ATP + 2 NADH+H⁺ + 2 H₂O. मेंदू, लाल रक्तपेशी यांना glycolysis हाच एकमेव ऊर्जा-स्रोत.
- सोपे : 4 ATP बनतो, 2 खर्च; Net 2.
- मध्यम : NADH 2 बनतात.
- परीक्षेसाठी (CET) : Red blood cell = फक्त glycolysis.
Spend 2, Make 4, Net 2 (S-M-N).
‘Glycolysis mitochondria मध्ये’ चूक (cytoplasm). सापळा : ‘Net 4 ATP’ चूक (net 2).
आठवणीची युक्ती : "Glyco-lysis = साखर-तोडणे (glycos = sugar, lysis = break)".
फरक ओळखा
| मुद्दा | Preparatory | Pay-off |
|---|---|---|
| पायऱ्या | 1–5 | 6–10 |
| ATP | 2 खर्च | 4 बनतात |
| NADH | — | 2 |
सरावासाठी प्रश्न
- 1Glycolysis कोठे?
- 2शेवटचे उत्पादन?
- 3पायऱ्या किती?
- 4Net ATP?
- 5किती NADH?
- 6PGAL आणि DHAP काय?
- 7ATP कसा बनतो?
- 8Glycolysis नियंत्रण कसे?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1Cytoplasm.
- 22 pyruvic acid.
- 310.
- 42.
- 52.
- 63C isomers.
- 7Substrate-level.
- 8ATP मागणी, enzymes, hormones.
Fermentation (anaerobic श्वसन)
धावपटूचे स्नायू जोरात धावल्यावर दुखतात आणि पाव फुगतो — दोन्ही मागे fermentation.
Fermentation : O₂ शिवाय glycolysis नंतर pyruvate चे अपूर्ण ऑक्सिडेशन → lactic acid किंवा ethanol + CO₂; ऊर्जा फक्त 2 ATP.
आकृतीत : Lactic आणि alcoholic fermentation.
नियम 1 : Lactic acid fermentation — स्नायूत NADH+H⁺ pyruvate ला एक प्रोटॉन आणि दोन इलेक्ट्रॉन देऊन NAD⁺ बनतो; pyruvate → lactic acid. कठोर व्यायामानंतर lactic acid साठून स्नायू थकतात. विश्रांतीत तो परत pyruvate होऊन aerobic मार्गात जातो. पांढरे स्नायू तंतू (कमी myoglobin) जलद कामासाठी glycolysis वापरतात.
- सोपे : Lactic : CO₂ नाही.
- मध्यम : NAD⁺ परत मिळाल्याने glycolysis चालू.
- परीक्षेसाठी (CET) : लाल तंतू : जास्त myoglobin; टिकाऊ.
नियम 2 : Alcoholic fermentation — यीस्टमध्ये pyruvate → acetaldehyde + CO₂; acetaldehyde NADH+H⁺ ने reduce होऊन ethanol. जास्त ethanol साठल्यास यीस्ट मरते; O₂ असेल तर यीस्ट aerobic श्वसन करू शकते. उपयोग : बेकरी, मद्यार्क, दुग्ध, प्रतिजैविके, सेंद्रिय आम्ले.
- सोपे : Alcoholic : CO₂ निघतो.
- मध्यम : Ethanol = acetaldehyde चे reduction.
- परीक्षेसाठी (CET) : यीस्ट दोन्ही प्रकारे श्वसन करते.
Muscle → Lactic; Yeast → Ethanol + CO₂ (M-L, Y-E).
‘Fermentation मध्ये 38 ATP’ चूक (2). सापळा : ‘Lactic मध्ये CO₂’ चूक.
आठवणीची युक्ती : "Lactic = Legs tire; Alcohol = Airy bread".
फरक ओळखा
| मुद्दा | Lactic | Alcoholic |
|---|---|---|
| जीव | स्नायू | यीस्ट |
| उत्पादन | Lactic acid | Ethanol + CO₂ |
| ATP | 2 | 2 |
सरावासाठी प्रश्न
- 1Fermentation म्हणजे?
- 2थकवा का येतो?
- 3यीस्टचे उत्पादन?
- 4NAD⁺ चे महत्त्व?
- 5Fermentation चा ATP?
- 6पाव का फुगतो?
- 7पांढरे स्नायू का थकतात?
- 8उपयोग दोन.
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1O₂ शिवाय श्वसन.
- 2Lactic acid साठल्याने.
- 3Ethanol + CO₂.
- 4Glycolysis चालू ठेवतो.
- 52.
- 6CO₂ मुळे.
- 7Lactic acid साठतो.
- 8बेकरी, मद्यार्क.
Link reaction आणि Krebs cycle
मोठ्या कारखान्यात कचऱ्याची पायरी-पायरीने विल्हेवाट लावून ऊर्जा मिळवतात; Krebs cycle असेच करते.
Link reaction : pyruvate → acetyl CoA + CO₂ (PDH complex). Krebs (TCA / citric acid) cycle : mitochondrial matrix मध्ये acetyl CoA चे पायरी-पायरीने ऑक्सिडेशन.
आकृतीत : Link reaction आणि Krebs चक्र.
Link reaction आणि Krebs cycle
ॲपमध्ये ही आकृती हाताने हलवून बघता येते.
ॲपमध्ये उघडानियम 1 : Link reaction — Pyruvate (3C) mitochondria त आल्यावर oxidative decarboxylation : CO₂ निघतो; उरलेला 2C गट coenzyme A ला जोडून acetyl CoA; NAD⁺ → NADH+H⁺. PDH complex ला thiamin (vitamin B1) हवे; कमतरतेने lactic acidosis. Fatty acids च्या β-oxidation नेही acetyl CoA बनतो.
- सोपे : Pyruvate 3C → Acetyl 2C + CO₂.
- मध्यम : Link = glycolysis आणि Krebs मधला दुवा.
- परीक्षेसाठी (CET) : B1 शिवाय PDH बंद.
नियम 2 : Krebs cycle — Acetyl CoA (2C) + oxaloacetate (4C) → citrate (6C); पायरी-पायरीने ऑक्सिडेशन, CO₂ सुटतो आणि oxaloacetate परत. चार ऑक्सिडेशन पायऱ्या (dehydrogenase; NAD⁺ किंवा FAD). प्रत्येक वळणात 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 GTP/ATP (substrate-level) + 2 CO₂. चक्र amphibolic : catabolism आणि anabolism (fatty acids, glutamate, aspartate साठी मध्यस्थ).
- सोपे : 6C → 5C → 4C; 2 CO₂ प्रति वळण.
- मध्यम : Amphibolic = दोन्ही बाजू.
- परीक्षेसाठी (CET) : 1 glucose = 2 वळणे.
Krebs वळण : 3-1-1-2 (NADH-FADH₂-ATP-CO₂).
‘Krebs cytoplasm मध्ये’ चूक (matrix). सापळा : ‘Krebs फक्त catabolic’ चूक.
आठवणीची युक्ती : "Citrate 6, Ketoglutarate 5, Succinate 4 : 6-5-4".
फरक ओळखा
| मुद्दा | Link | Krebs |
|---|---|---|
| जागा | Mitochondria | Matrix |
| CO₂ | 1 (pyruvate) | 2 / वळण |
| Product | Acetyl CoA + NADH | NADH, FADH₂, ATP |
सरावासाठी प्रश्न
- 1Link reaction उत्पादन?
- 2PDH ला कोणते जीवनसत्त्व?
- 3Krebs ची सुरुवात?
- 4Krebs ची जागा?
- 5एक वळण : उत्पादने?
- 6Amphibolic म्हणजे?
- 7Substrate-level ATP कुठे?
- 8चरबी Krebs मध्ये कशी?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1Acetyl CoA, CO₂, NADH.
- 2Thiamin (B1).
- 3Acetyl CoA + oxaloacetate → citrate.
- 4Mitochondrial matrix.
- 53 NADH, 1 FADH₂, 1 ATP, 2 CO₂.
- 6Catabolic + anabolic.
- 7Succinyl-CoA → succinate.
- 8Acetyl CoA ने.
Electron transport system
पायऱ्या उतरत जाणाऱ्या चेंडूसारखे, इलेक्ट्रॉन carriers च्या साखळीतून उतरत ऊर्जा देतात.
ETS : आतील mitochondrial पटलावरील complexes I–V; NADH आणि FADH₂ ऑक्सिडाइज होतात; O₂ अंतिम स्वीकारक; chemiosmosis ने ATP.
आकृतीत : Electron transport chain आणि ATP synthase.
नियम 1 : इलेक्ट्रॉनचा प्रवास — NADH+H⁺ → complex I (NADH dehydrogenase) → ubiquinone (CoQ). FADH₂ → complex II (succinate dehydrogenase) → CoQ. Ubiquinol → complex III (cyt bc₁) → cytochrome c (फिरता carrier) → complex IV (cyt a, a₃) → O₂ + H⁺ → पाणी (terminal oxidation). प्रोटॉन बाह्य कक्षात सोडले जातात.
- सोपे : NADH : I; FADH₂ : II.
- मध्यम : Cyt c = फिरता वाहक.
- परीक्षेसाठी (CET) : O₂ = अंतिम स्वीकारक.
नियम 2 : ATP निर्मिती आणि महत्त्व — बाह्य कक्षातील H⁺ complex V (F₀F₁) च्या F₀ मधून आत येतात; F₁ ADP + Pi पासून ATP बनवतो = oxidative phosphorylation (chemiosmosis, Peter Mitchell). 1 NADH → 3 ATP; 1 FADH₂ → 2 ATP. ETS मुळे 38 पैकी 34 ATP, NAD⁺/FAD परत, पाणी आणि ऊर्जेचे हळूहळू मोचन.
- सोपे : F₀ = वाहिनी; F₁ = ATP बनवतो.
- मध्यम : NADH 3; FADH₂ 2 ATP.
- परीक्षेसाठी (CET) : CO विषबाधा : cytochromes अडतात.
I-II → CoQ → III → Cyt c → IV → O₂ (‘Q-C’ क्रम).
‘ETS cytoplasm मध्ये’ चूक. सापळा : ‘FADH₂ = 3 ATP’ चूक (2).
आठवणीची युक्ती : "NADH 3, FADH₂ 2 : N3-F2".
फरक ओळखा
| Complex | कार्य |
|---|---|
| I | NADH → CoQ |
| II | FADH₂ → CoQ |
| III / IV | cyt c → O₂ |
| V | ATP synthase |
सरावासाठी प्रश्न
- 1ETS ची जागा?
- 2अंतिम स्वीकारक?
- 3Complex IV काय?
- 4Cyt c चे काम?
- 5Chemiosmosis कोणी?
- 6NADH कडून ATP?
- 7FADH₂ कडून ATP?
- 8ETS चे महत्त्व दोन.
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1आतील mitochondrial पटल.
- 2O₂.
- 3Cytochrome c oxidase.
- 4III आणि IV मध्ये फिरून इलेक्ट्रॉन नेते.
- 5Peter Mitchell.
- 63.
- 72.
- 834 ATP; NAD⁺/FAD परत.
ATP हिशोब आणि stepwise ऑक्सिडेशन
पगार पायरी-पायरीने खर्च केला तर जास्त वापरता येतो; तसेच ऊर्जेचे हळूहळू मोचन.
पुस्तकानुसार 1 glucose च्या aerobic ऑक्सिडेशनने 38 ATP (net) मिळतात; anaerobic मध्ये फक्त 2. Stepwise ऑक्सिडेशन ऊर्जेचा जास्त भाग ATP मध्ये पकडते.
आकृतीत : ATP हिशोब तक्ता.
नियम 1 : 38 ATP चा हिशोब — Glycolysis : 4 − 2 = 2 ATP + 2 NADH (6 ATP) = 8. Pyruvate → acetyl CoA : 2 NADH = 6. Krebs : 2 ATP + 6 NADH × 3 = 18 + 2 FADH₂ × 2 = 4 → 24. एकूण 8 + 6 + 24 = 38. (प्रत्यक्षात संख्या परिस्थितीनुसार बदलते.)
- सोपे : 8 + 6 + 24 = 38.
- मध्यम : 34 ATP ETS मधून; 4 substrate-level.
- परीक्षेसाठी (CET) : Anaerobic : 2; aerobic : 38.
नियम 2 : Stepwise ऑक्सिडेशनचे फायदे — १. ऊर्जा हळूहळू मुक्त → ATP मध्ये जास्त भाग पकडला जातो. २. प्रत्येक पायरीचे enzyme वाढवता/कमी करता येतात → दर आणि ऊर्जा गरजेनुसार. ३. मध्यस्थ पदार्थ अमिनो आम्ले इ. biomolecules साठी वापरता येतात. ४. पेशीला हानी होत नाही.
- सोपे : हळूहळू मोचन = कमी वाया.
- मध्यम : नियंत्रण प्रत्येक पायरीवर.
- परीक्षेसाठी (CET) : मध्यस्थ = बांधकाम साहित्य.
8-6-24 = 38 (Glyco - Link - Krebs).
‘सर्व ATP Krebs मधून’ चूक. सापळा : ‘Glycolysis net 4’ चूक.
आठवणीची युक्ती : "8-6-24 : आठ सहा चोवीस = 38".
फरक ओळखा
| टप्पा | ATP |
|---|---|
| Glycolysis | 8 |
| Link | 6 |
| Krebs | 24 |
| एकूण | 38 |
सरावासाठी प्रश्न
- 1Aerobic ATP (पुस्तकानुसार)?
- 2Anaerobic ATP?
- 3Glycolysis चे ATP?
- 4Krebs चे ATP?
- 5ETS चे योगदान?
- 6Stepwise चा फायदा.
- 7Link चे NADH?
- 8Krebs मध्ये NADH?
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 138.
- 22.
- 38 (2 + 6).
- 424.
- 534.
- 6जास्त ATP; नियंत्रण.
- 72 → 6 ATP.
- 86 → 18 ATP.
Respiratory quotient, प्रयोग आणि महत्त्व
बाहेर निघालेला CO₂ आणि आत घेतलेला O₂ यांचे गुणोत्तर शरीर कोणते इंधन वापरते ते सांगते.
RQ = सोडलेला CO₂ चे घनफळ ÷ वापरलेल्या O₂ चे घनफळ. Carbohydrate = 1; fats ≈ 0.7; proteins ≈ 0.9; anaerobic = ∞.
आकृतीत : RQ आणि साधे प्रयोग.
नियम 1 : Respiratory quotient — Glucose : C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O; RQ = 6 ÷ 6 = 1. चरबी/प्रथिनांत O₂ जास्त लागतो म्हणून RQ < 1 (चरबी ≈ 0.7, प्रथिने ≈ 0.9). Anaerobic मध्ये CO₂ निघतो पण O₂ नाही → RQ अनंत.
- सोपे : RQ = CO₂ ÷ O₂.
- मध्यम : चरबी : कमी, म्हणून O₂ जास्त.
- परीक्षेसाठी (CET) : RQ 1 = carbohydrate.
नियम 2 : प्रयोग आणि महत्त्व — यीस्ट : 10% glucose + यीस्ट, वर तेलाचा थर, उबदार जागा → चुन्याचे पाणी दुधी (CO₂), दोन दिवसांनी अल्कोहोल वास = anaerobic. अंकुरित बिया (पाऱ्यावर) : वायू जमतो; KOH ने तो शोषला → anaerobic CO₂. महत्त्व : ऊर्जा (संश्लेषण, वाढ, दुरुस्ती, हालचाल); मध्यस्थ biomolecules; वातावरणात CO₂–O₂ संतुलन; उद्योग.
- सोपे : चुन्याचे पाणी दुधी = CO₂.
- मध्यम : तेलाचा थर = हवा बंद.
- परीक्षेसाठी (CET) : श्वसन ↔ प्रकाशसंश्लेषण उलट.
RQ : Carb 1, Protein 0.9, Fat 0.7 (CPF = 1-0.9-0.7).
‘चरबीचा RQ 1’ चूक (0.7). सापळा : ‘Anaerobic RQ 0’ चूक (अनंत).
आठवणीची युक्ती : "C-P-F : 1 - 0.9 - 0.7".
फरक ओळखा
| इंधन | RQ |
|---|---|
| Carbohydrate | 1 |
| Protein | ≈ 0.9 |
| Fat | ≈ 0.7 |
| Anaerobic | ∞ |
सरावासाठी प्रश्न
- 1RQ ची व्याख्या.
- 2Glucose चा RQ?
- 3चरबीचा RQ?
- 4प्रथिनांचा RQ?
- 5Anaerobic चा RQ?
- 6चुन्याचे पाणी दुधी का?
- 7KOH चे काम?
- 8श्वसनाचे दोन महत्त्व.
उत्तरे पाहा (आधी स्वतः सोडवा)
- 1CO₂ घनफळ ÷ O₂ घनफळ.
- 21.
- 3≈ 0.7.
- 4≈ 0.9.
- 5अनंत.
- 6CO₂ मुळे.
- 7CO₂ शोषतो.
- 8ऊर्जा; CO₂-O₂ संतुलन.
संपूर्ण धड्याची झटपट उजळणी
| संकल्पना | मुख्य तथ्य |
|---|---|
| Phosphorylation | Photo, substrate-level, oxidative |
| Glycolysis | Cytoplasm; net 2 ATP + 2 NADH |
| Fermentation | Lactic / ethanol + CO₂; 2 ATP |
| Krebs | Matrix; 3 NADH + 1 FADH₂ + 1 ATP |
| ETS | आतील पटल; NADH 3, FADH₂ 2 |
| हिशोब | 8 + 6 + 24 = 38 |
| RQ | Carb 1; fat 0.7; protein 0.9 |
🎯 परीक्षेसाठी सर्वाधिक महत्त्वाचे मुद्दे
- ATP निर्मितीचे प्रकार.
- Glycolysis पायऱ्या आणि ATP.
- Lactic आणि alcoholic fermentation.
- Krebs cycle आणि amphibolic.
- ETS आणि chemiosmosis.
- ATP हिशोब.
- RQ मूल्ये.
आधी संकल्पना समजा → आकृती काढा → मुद्दे लक्षात ठेवा → स्वतः प्रश्न सोडवा.