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IGNOU BBCCT-109 Solved Question Paper PDF
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IGNOU BBCCT-109 Previous Year Solved Question Paper in Hindi
Q1. (क) ग्लाइकोलाइसिस की प्रारंभिक और ऊर्जा उत्पादन अवस्थाओं की व्याख्या कीजिए। (10) (ख) उपापचय के रैखिक और शाखित मार्गों में अंतर कीजिए। (4)
Ans.
(क) ग्लाइकोलाइसिस की अवस्थाएँ:
ग्लाइकोलाइसिस एक दस-चरणीय चयापचय मार्ग है जो ग्लूकोज को पाइरूवेट में तोड़ता है। यह कोशिका के साइटोसोल में होता है और इसे दो मुख्य चरणों में विभाजित किया जा सकता है:
1. प्रारंभिक चरण (ऊर्जा निवेश चरण): इस चरण में, ग्लूकोज को सक्रिय किया जाता है और दो तीन-कार्बन अणुओं में विभाजित किया जाता है। इस प्रक्रिया में ऊर्जा (एटीपी) का निवेश होता है। इसके मुख्य चरण हैं:
- चरण 1: ग्लूकोज का फॉस्फोराइलेशन हेक्सोकाइनेज एंजाइम द्वारा होता है, जिससे ग्लूकोज-6-फॉस्फेट (G6P) बनता है। इस चरण में एक एटीपी अणु की खपत होती है।
- चरण 2: G6P को फॉस्फोग्लूकोज आइसोमेरेज द्वारा फ्रुक्टोज-6-फॉस्फेट (F6P) में परिवर्तित किया जाता है।
- चरण 3: F6P का फॉस्फोराइलेशन फॉस्फोफ्रक्टोकाइनेज-1 (PFK-1) द्वारा होता है, जिससे फ्रुक्टोज-1,6-बिस्फॉस्फेट (F1,6BP) बनता है। यह एक और एटीपी अणु की खपत करता है और ग्लाइकोलाइसिस का एक प्रमुख नियामक चरण है।
- चरण 4: एल्डोलेज एंजाइम F1,6BP को दो तीन-कार्बन अणुओं में विभाजित करता है: ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट (G3P) और डाइहाइड्रॉक्सीएसीटोन फॉस्फेट (DHAP) ।
- चरण 5: DHAP को ट्रायोज फॉस्फेट आइसोमेरेज द्वारा G3P में परिवर्तित किया जाता है। इस प्रकार, ग्लूकोज के एक अणु से G3P के दो अणु बनते हैं।
इस चरण के अंत में, ग्लूकोज के प्रति अणु 2 एटीपी की खपत होती है।
2. ऊर्जा उत्पादन चरण (भुगतान चरण): इस चरण में, G3P के दो अणु पाइरूवेट में परिवर्तित हो जाते हैं, जिससे एटीपी और एनएडीएच के रूप में ऊर्जा उत्पन्न होती है।
- चरण 6: G3P के प्रत्येक अणु को ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज द्वारा ऑक्सीकृत किया जाता है, जिससे 1,3-बिस्फॉस्फोग्लिसरेट बनता है। इस प्रक्रिया में, NAD+ का अपचयन होकर एनएडीएच (NADH) बनता है।
- चरण 7: फॉस्फोग्लिसरेट किनेज 1,3-बिस्फॉस्फोग्लिसरेट से एक फॉस्फेट समूह को एडीपी में स्थानांतरित करता है, जिससे एटीपी और 3-फॉस्फोग्लिसरेट बनता है। इसे सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन कहते हैं।
- चरण 8: फॉस्फोग्लिसरेट म्यूटेस 3-फॉस्फोग्लिसरेट को 2-फॉस्फोग्लिसरेट में परिवर्तित करता है।
- चरण 9: एनोलेज 2-फॉस्फोग्लिसरेट से पानी के एक अणु को हटाकर उच्च-ऊर्जा अणु फॉस्फोएनोलपाइरूवेट (PEP) बनाता है।
- चरण 10: पाइरूवेट किनेज PEP से एक फॉस्फेट समूह को एडीपी में स्थानांतरित करता है, जिससे एटीपी और पाइरूवेट बनता है। यह भी एक सब्सट्रेट-स्तरीय फॉस्फोराइलेशन है।
चूंकि ग्लूकोज से G3P के दो अणु बनते हैं, इसलिए यह चरण प्रति ग्लूकोज अणु में दो बार होता है। इस चरण का कुल उत्पादन 4 एटीपी और 2 एनएडीएच है।
कुल लाभ: ग्लाइकोलाइसिस का शुद्ध लाभ प्रति ग्लूकोज अणु 2 एटीपी (4 उत्पन्न – 2 खपत) और 2 एनएडीएच है। (ख) रैखिक और शाखित उपापचय मार्गों में अंतर:
रैखिक मार्ग (Linear Pathway):
- एक रैखिक मार्ग में, प्रारंभिक सब्सट्रेट प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला से गुजरता है और एक अंतिम उत्पाद बनाता है।
- मार्ग का प्रत्येक मध्यवर्ती अगले चरण के लिए सब्सट्रेट होता है।
- उदाहरण: ग्लाइकोलाइसिस , जिसमें ग्लूकोज पाइरूवेट में परिवर्तित होता है।
- इसमें कोई शाखा बिंदु नहीं होता है; मार्ग एक ही दिशा में आगे बढ़ता है।
शाखित मार्ग (Branched Pathway):
- एक शाखित मार्ग में, एक मध्यवर्ती कई अलग-अलग उत्पादों को बनाने के लिए विभिन्न प्रतिक्रिया मार्गों में प्रवेश कर सकता है।
- इसमें एक या अधिक शाखा बिंदु होते हैं जहां से मार्ग अलग-अलग दिशाओं में बंट जाता है।
- यह कोशिका को एक ही पूर्ववर्ती से विभिन्न आवश्यक यौगिकों का संश्लेषण करने की अनुमति देता है।
- विनियमन अक्सर जटिल होता है, जिसमें प्रत्येक शाखा के अंतिम उत्पादों द्वारा फीडबैक अवरोध शामिल होता है।
- उदाहरण: सुगंधित अमीनो एसिड (टायरोसिन, फेनिलएलनिन, ट्रिप्टोफैन) का संश्लेषण , जो कोरिसमेट नामक एक सामान्य मध्यवर्ती से शुरू होता है।
मुख्य अंतर यह है कि रैखिक मार्ग एक एकल उत्पाद की ओर ले जाते हैं, जबकि शाखित मार्ग एक सामान्य मध्यवर्ती से कई उत्पादों का उत्पादन करते हैं, जिससे अधिक जटिल नियामक तंत्र की आवश्यकता होती है।
Q2. (क) उपापचयी प्रारूप की प्रमुख विशेषताओं के बारे में बताइए। (4) (ख) एक उपयुक्त चित्र की सहायता से TCA चक्र के विनियमन को समझाइए। (10)
Ans.
(क) उपापचयी प्रारूप की प्रमुख विशेषताएँ:
उपापचयी प्रारूप (Metabolic Design) उन सिद्धांतों को संदर्भित करता है जो कोशिकाओं के भीतर रासायनिक प्रतिक्रियाओं के संगठन और विनियमन को नियंत्रित करते हैं। इसकी प्रमुख विशेषताएँ निम्नलिखित हैं:
- अधिकतम मितव्ययिता (Maximum Economy): कोशिकाएं न्यूनतम संसाधनों का उपयोग करके अधिकतम दक्षता प्राप्त करने का प्रयास करती हैं। वे केवल आवश्यक मेटाबोलाइट्स का संश्लेषण करती हैं।
- दक्षता (Efficiency): उपापचयी मार्ग ऊर्जा को कुशलतापूर्वक पकड़ने और उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। उदाहरण के लिए, ऑक्सीडेटिव फॉस्फोराइलेशन के माध्यम से एटीपी का उत्पादन।
- विशिष्ट एंजाइम (Specific Enzymes): प्रत्येक उपापचयी प्रतिक्रिया एक विशिष्ट एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित होती है। यह उच्च विशिष्टता और प्रतिक्रिया दर सुनिश्चित करता है।
- सख्त विनियमन (Strict Regulation): उपापचयी मार्गों को कोशिका की जरूरतों के अनुसार ठीक से नियंत्रित किया जाता है। विनियमन एलोस्टेरिक नियंत्रण, सहसंयोजक संशोधन, हार्मोनल सिग्नलिंग और एंजाइम संश्लेषण के नियंत्रण के माध्यम से होता है।
- कोशिकीय विभक्तिकरण (Compartmentalization): विभिन्न उपापचयी मार्ग कोशिका के विशिष्ट अंगों (जैसे माइटोकॉन्ड्रिया, साइटोसोल) में होते हैं। यह प्रतिस्पर्धी प्रतिक्रियाओं को अलग करता है और दक्षता बढ़ाता है (जैसे, साइटोसोल में फैटी एसिड संश्लेषण, माइटोकॉन्ड्रिया में β-ऑक्सीकरण)।
- सामान्य मध्यवर्ती का उपयोग (Use of Common Intermediates): कई मार्ग सामान्य मध्यवर्ती साझा करते हैं, जैसे कि एसिटाइल-सीओए (Acetyl-CoA) , जो कार्बोहाइड्रेट, लिपिड और अमीनो एसिड चयापचय को जोड़ता है।
(ख) TCA चक्र का विनियमन:
ट्राइकारबॉक्सिलिक एसिड (TCA) चक्र, जिसे क्रेब्स चक्र भी कहा जाता है, कोशिकीय श्वसन का एक केंद्रीय मार्ग है। इसका विनियमन मुख्य रूप से कोशिका की ऊर्जा स्थिति पर निर्भर करता है। चक्र को तीन प्रमुख एंजाइमों के स्तर पर नियंत्रित किया जाता है जिनकी प्रतिक्रियाएं अत्यधिक एक्सर्जोनिक और अपरिवर्तनीय होती हैं। नियामक एंजाइम और उनके प्रभावकारक:
- सिट्रेट सिंथेज (Citrate Synthase): यह एसिटाइल-सीओए और ऑक्सालोएसिटेट से सिट्रेट के निर्माण को उत्प्रेरित करता है।
- अवरोधक (Inhibitors): एटीपी (ATP) , एनएडीएच (NADH) , सक्सिनाइल-सीओए (Succinyl-CoA) , और सिट्रेट (उत्पाद अवरोध)। उच्च ऊर्जा स्तर इस एंजाइम को रोकते हैं।
- आइसोसिट्रेट डिहाइड्रोजनेज (Isocitrate Dehydrogenase): यह आइसोसिट्रेट को α-कीटोग्लूटारेट में परिवर्तित करता है, जिससे NADH उत्पन्न होता है। यह TCA चक्र का सबसे महत्वपूर्ण नियामक बिंदु है।
- सक्रियकारक (Activators): एडीपी (ADP) और Ca²⁺ । एडीपी कम ऊर्जा स्थिति का संकेत देता है, जिससे चक्र की गति बढ़ जाती है।
- अवरोधक (Inhibitors): एटीपी (ATP) और एनएडीएच (NADH) । ये उच्च ऊर्जा स्थिति का संकेत देते हैं।
- α-कीटोग्लूटारेट डिहाइड्रोजनेज कॉम्प्लेक्स (α-Ketoglutarate Dehydrogenase Complex): यह α-कीटोग्लूटारेट को सक्सिनाइल-सीओए में परिवर्तित करता है, जिससे NADH उत्पन्न होता है।
- सक्रियकारक (Activator): Ca²⁺ (विशेष रूप से मांसपेशी संकुचन के दौरान ऊर्जा की मांग को इंगित करता है)।
- अवरोधक (Inhibitors): एनएडीएच (NADH) और सक्सिनाइल-सीओए (Succinyl-CoA) (इसके अपने उत्पाद)। उच्च ऊर्जा और उत्पाद संचय इस चरण को रोकते हैं।
संक्षेप में, जब कोशिका में ऊर्जा का स्तर अधिक होता है (उच्च एटीपी/एडीपी और उच्च एनएडीएच/एनएडी+ अनुपात), तो टीसीए चक्र धीमा हो जाता है। जब ऊर्जा की मांग अधिक होती है (उच्च एडीपी और एनएडी+), तो चक्र तेज हो जाता है ताकि अधिक अपचायक समकक्ष (NADH, FADH₂) और एटीपी का उत्पादन हो सके। (यहाँ एक चित्र शामिल किया जाना चाहिए जिसमें TCA चक्र के मार्ग को दिखाया गया हो, जिसमें एसिटाइल-CoA से शुरू होकर ऑक्सालोएसिटेट तक के मध्यवर्ती हों। सिट्रेट सिंथेज, आइसोसिट्रेट डिहाइड्रोजनेज, और α-कीटोग्लूटारेट डिहाइड्रोजनेज पर नियामक अणुओं (सक्रियकारक और अवरोधक) को तीरों के साथ चिह्नित किया जाना चाहिए।)
चित्र: TCA चक्र का विनियमन [एक आरेख जिसमें एसिटाइल-CoA और ऑक्सालोएसिटेट सिट्रेट बनाने के लिए संघनित होते हैं। चक्र के माध्यम से आइसोसिट्रेट, α-कीटोग्लूटारेट, सक्सिनाइल-CoA, सक्सिनेट, फ्यूमरेट, मैलेट और वापस ऑक्सालोएसिटेट तक के चरणों को दिखाया गया है। नियामक बिंदु चिह्नित हैं:
- सिट्रेट सिंथेज पर ATP, NADH, Succinyl-CoA से (-) तीर।
- आइसोसिट्रेट डिहाइड्रोजनेज पर ADP, Ca²⁺ से (+) तीर और ATP, NADH से (-) तीर।
- α-कीटोग्लूटारेट डिहाइड्रोजनेज पर Ca²⁺ से (+) तीर और Succinyl-CoA, NADH से (-) तीर।]
Q3. (क) पाइरूवेट के अतिरिक्त उन अन्य यौगिकों के बारे में चर्चा कीजिए जो ग्लूकोनियोजेनिक पूर्ववर्ती का कार्य करते हैं। (6) (ख) निम्नलिखित पर संक्षिप्त टिप्पणियाँ लिखिए: (4+4) (i) ग्लाइकोजेनेसिस (ii) ग्लाइकोजेनोलाइसिस
Ans.
(क) ग्लूकोनियोजेनिक पूर्ववर्ती (पाइरूवेट के अतिरिक्त):
ग्लूकोनियोजेनेसिस गैर-कार्बोहाइड्रेट स्रोतों से ग्लूकोज का संश्लेषण है, जो मुख्य रूप से यकृत में होता है। पाइरूवेट एक प्रमुख प्रारंभिक बिंदु है, लेकिन कई अन्य अणु भी इस मार्ग में प्रवेश कर सकते हैं:
1. लैक्टेट (Lactate):
- अवायवीय ग्लाइकोलाइसिस के दौरान, विशेष रूप से तीव्र व्यायाम के दौरान मांसपेशियों और लाल रक्त कोशिकाओं में लैक्टेट उत्पन्न होता है।
- कोरी चक्र (Cori Cycle) के माध्यम से, लैक्टेट रक्तप्रवाह द्वारा यकृत तक पहुँचाया जाता है।
- यकृत में, लैक्टेट डिहाइड्रोजनेज एंजाइम लैक्टेट को वापस पाइरूवेट में ऑक्सीकृत करता है, जो फिर ग्लूकोनियोजेनेसिस में प्रवेश करता है।
2. ग्लूकोजेनिक अमीनो एसिड (Glucogenic Amino Acids):
- उपवास या भुखमरी के दौरान, मांसपेशियों के प्रोटीन का क्षरण होता है, जिससे अमीनो एसिड निकलते हैं।
- अधिकांश अमीनो एसिड (ल्यूसीन और लाइसिन को छोड़कर) ग्लूकोजेनिक होते हैं।
- ये अमीनो एसिड या तो सीधे पाइरूवेट में (जैसे, एलेनिन) या टीसीए चक्र के मध्यवर्ती (जैसे, ऑक्सालोएसिटेट , α-कीटोग्लूटारेट ) में परिवर्तित हो जाते हैं।
- उदाहरण के लिए, एलेनिन ट्रांसएमिनेशन द्वारा सीधे पाइरूवेट में परिवर्तित हो जाता है (ग्लूकोज-एलेनिन चक्र)। एस्पार्टेट ऑक्सालोएसिटेट में और ग्लूटामेट α-कीटोग्लूटारेट में परिवर्तित हो सकता है। ये मध्यवर्ती फिर ग्लूकोनियोजेनेसिस मार्ग के माध्यम से ग्लूकोज बना सकते हैं।
3. ग्लिसरॉल (Glycerol):
- वसा ऊतक में संग्रहीत ट्राइग्लिसराइड्स (TAGs) के टूटने (लिपोलिसिस) से ग्लिसरॉल और फैटी एसिड निकलते हैं।
- ग्लिसरॉल रक्त के माध्यम से यकृत में जाता है।
- यकृत में, ग्लिसरॉल किनेज एंजाइम ग्लिसरॉल को ग्लिसरॉल-3-फॉस्फेट में फॉस्फोराइलेट करता है।
- फिर, ग्लिसरॉल-3-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज इसे डाइहाइड्रॉक्सीएसीटोन फॉस्फेट (DHAP) में ऑक्सीकृत करता है, जो ग्लाइकोलाइसिस/ग्लूकोनियोजेनेसिस का एक मध्यवर्ती है।
फैटी एसिड को सीधे ग्लूकोज में परिवर्तित नहीं किया जा सकता क्योंकि पाइरूवेट डिहाइड्रोजनेज कॉम्प्लेक्स की प्रतिक्रिया (पाइरूवेट से एसिटाइल-सीओए) अपरिवर्तनीय है। (ख) संक्षिप्त टिप्पणियाँ: (i) ग्लाइकोजेनेसिस (Glycogenesis): ग्लाइकोजेनेसिस अतिरिक्त ग्लूकोज को ग्लाइकोजन के रूप में संग्रहीत करने की प्रक्रिया है। यह मुख्य रूप से यकृत और मांसपेशियों की कोशिकाओं में होता है, खासकर भोजन के बाद (भोजन के बाद की अवस्था) जब रक्त शर्करा का स्तर उच्च होता है।
- मुख्य एंजाइम: ग्लाइकोजन सिंथेज (Glycogen Synthase) ।
- प्रक्रिया: 1. ग्लूकोज कोशिका में प्रवेश करता है और ग्लूकोज-6-फॉस्फेट (G6P) में परिवर्तित हो जाता है। 2. G6P को ग्लूकोज-1-फॉस्फेट (G1P) में बदला जाता है। 3. G1P, UTP के साथ प्रतिक्रिया करके UDP-ग्लूकोज बनाता है, जो ग्लूकोज का सक्रिय रूप है। 4. ग्लाइकोजन सिंथेज UDP-ग्लूकोज से ग्लूकोज इकाई को मौजूदा ग्लाइकोजन श्रृंखला के गैर-अपचायक सिरे पर (α-1,4 ग्लाइकोसिडिक बॉन्ड बनाकर) स्थानांतरित करता है। 5. ब्रांचिंग एंजाइम (Amylo-(1,4→1,6)-transglycosylase) शाखाएँ बनाता है, जिससे ग्लाइकोजन की घुलनशीलता और संश्लेषण/विखंडन की दर बढ़ जाती है।
- विनियमन: इंसुलिन हार्मोन ग्लाइकोजन सिंथेज को सक्रिय करके ग्लाइकोजेनेसिस को बढ़ावा देता है।
(ii) ग्लाइकोजेनोलाइसिस (Glycogenolysis): ग्लाइकोजेनोलाइसिस संग्रहीत ग्लाइकोजन को ग्लूकोज में तोड़ने की प्रक्रिया है। यह उपवास या व्यायाम के दौरान होता है जब शरीर को ऊर्जा के लिए ग्लूकोज की आवश्यकता होती है।
- मुख्य एंजाइम: ग्लाइकोजन फॉस्फोरिलेज (Glycogen Phosphorylase) ।
- प्रक्रिया: 1. ग्लाइकोजन फॉस्फोरिलेज ग्लाइकोजन श्रृंखला के गैर-अपचायक सिरों से ग्लूकोज इकाइयों को ग्लूकोज-1-फॉस्फेट (G1P) के रूप में तोड़ता है। यह α-1,4 लिंकेज पर कार्य करता है। 2. यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक कि यह एक शाखा बिंदु के पास नहीं पहुंच जाता। 3. डीब्रांचिंग एंजाइम (Debranching Enzyme) में दो गतिविधियाँ होती हैं: यह शाखा से ग्लूकोज अवशेषों के एक ब्लॉक को मुख्य श्रृंखला में स्थानांतरित करता है और फिर α-1,6 लिंकेज पर शेष ग्लूकोज को तोड़कर मुक्त ग्लूकोज जारी करता है। 4. G1P को ग्लूकोज-6-फॉस्फेट (G6P) में परिवर्तित किया जाता है। यकृत में, G6P को मुक्त ग्लूकोज में परिवर्तित किया जा सकता है और रक्तप्रवाह में छोड़ा जा सकता है। मांसपेशियों में, G6P सीधे ग्लाइकोलाइसिस में प्रवेश करता है।
- विनियमन: ग्लूकागन (यकृत में) और एपिनेफ्रीन (यकृत और मांसपेशियों में) हार्मोन ग्लाइकोजन फॉस्फोरिलेज को सक्रिय करके ग्लाइकोजेनोलाइसिस को उत्तेजित करते हैं।
Q4. (क) कार्बोहाइड्रेट उपापचय के हॉर्मोनी विनियमन और इसके नैदानिक महत्व की व्याख्या कीजिए। (7) (ख) कैल्विन चक्र की रूपरेखा दीजिए और इसके विनियमन की चर्चा कीजिए। (7)
Ans.
(क) कार्बोहाइड्रेट उपापचय का हॉर्मोनी विनियमन और नैदानिक महत्व:
रक्त शर्करा के स्तर को एक संकीर्ण सीमा के भीतर बनाए रखने के लिए कार्बोहाइड्रेट चयापचय का सटीक हार्मोनल विनियमन महत्वपूर्ण है। मुख्य नियामक हार्मोन इंसुलिन, ग्लूकागन और एपिनेफ्रीन हैं।
1. इंसुलिन (Insulin):
- स्रोत: अग्न्याशय की β-कोशिकाएं।
- उत्तेजना: उच्च रक्त शर्करा (जैसे, भोजन के बाद)।
- कार्य: यह एक हाइपोग्लाइसेमिक (रक्त शर्करा कम करने वाला) हार्मोन है।
- मांसपेशियों और वसा ऊतकों में ग्लूकोज ट्रांसपोर्टर (GLUT4) को बढ़ावा देकर ग्लूकोज तेज को बढ़ाता है।
- ग्लाइकोलाइसिस को बढ़ावा देता है (ऊर्जा उत्पादन के लिए)।
- यकृत और मांसपेशियों में ग्लाइकोजेनेसिस (ग्लूकोज भंडारण) को उत्तेजित करता है।
- यकृत में ग्लूकोनियोजेनेसिस (ग्लूकोज उत्पादन) और ग्लाइकोजेनोलाइसिस को रोकता है।
2. ग्लूकागन (Glucagon):
- स्रोत: अग्न्याशय की α-कोशिकाएं।
- उत्तेजना: निम्न रक्त शर्करा (जैसे, उपवास के दौरान)।
- कार्य: यह एक हाइपरग्लाइसेमिक (रक्त शर्करा बढ़ाने वाला) हार्मोन है।
- मुख्य रूप से यकृत पर कार्य करता है।
- ग्लाइकोजेनोलाइसिस (ग्लाइकोजन का टूटना) को उत्तेजित करता है।
- ग्लूकोनियोजेनेसिस (गैर-कार्बोहाइड्रेट स्रोतों से ग्लूकोज का उत्पादन) को बढ़ावा देता है।
- ग्लाइकोलाइसिस और ग्लाइकोजेनेसिस को रोकता है।
3. एपिनेफ्रीन (Adrenaline):
- स्रोत: अधिवृक्क मज्जा (Adrenal Medulla)।
- उत्तेजना: तनाव, भय, या व्यायाम (“लड़ो या भागो” प्रतिक्रिया)।
- कार्य: यह भी एक हाइपरग्लाइसेमिक हार्मोन है।
- यकृत और मांसपेशियों दोनों में ग्लाइकोजेनोलाइसिस को दृढ़ता से उत्तेजित करता है ताकि तत्काल ऊर्जा के लिए ग्लूकोज उपलब्ध हो सके।
- यकृत में ग्लूकोनियोजेनेसिस को बढ़ावा देता है।
- इंसुलिन स्राव को रोकता है।
नैदानिक महत्व: इस हार्मोनल संतुलन का विघटन गंभीर बीमारियों का कारण बन सकता है।
- मधुमेह मेलेटस (Diabetes Mellitus): यह सबसे आम विकार है।
- टाइप 1 मधुमेह: इंसुलिन उत्पादन की पूर्ण कमी के कारण होता है (β-कोशिकाओं का ऑटोइम्यून विनाश)। इससे लगातार उच्च रक्त शर्करा (हाइपरग्लाइसेमिया) होता है।
- टाइप 2 मधुमेह: इंसुलिन प्रतिरोध (कोशिकाएं इंसुलिन के प्रति ठीक से प्रतिक्रिया नहीं करतीं) और सापेक्ष इंसुलिन की कमी के कारण होता है। यह भी हाइपरग्लाइसेमिया का कारण बनता है।
अनियंत्रित मधुमेह से अंधापन, गुर्दे की विफलता और हृदय रोग जैसी दीर्घकालिक जटिलताएँ हो सकती हैं।
- हाइपोग्लाइसीमिया (Hypoglycemia): असामान्य रूप से निम्न रक्त शर्करा। यह अत्यधिक इंसुलिन प्रशासन या कुछ ट्यूमर के कारण हो सकता है जो इंसुलिन का स्राव करते हैं। लक्षण चक्कर आना, भ्रम और कोमा हो सकते हैं।
(ख) कैल्विन चक्र की रूपरेखा और विनियमन:
कैल्विन चक्र (जिसे C3 चक्र भी कहा जाता है) प्रकाश संश्लेषण की प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रियाओं का एक सेट है, जो पौधों और अन्य प्रकाश संश्लेषक जीवों के क्लोरोप्लास्ट के स्ट्रोमा में होता है। इसका मुख्य कार्य वायुमंडलीय CO₂ को कार्बोहाइड्रेट में स्थिर करना है, जिसके लिए प्रकाश प्रतिक्रियाओं से एटीपी और एनएडीपीएच का उपयोग होता है। कैल्विन चक्र की रूपरेखा: चक्र को तीन मुख्य चरणों में विभाजित किया गया है:
- कार्बोक्सिलेशन (Carboxylation):
- एक CO₂ अणु 5-कार्बन शर्करा, राइबुलोज-1,5-बिस्फॉस्फेट (RuBP) के साथ जुड़ता है।
- यह प्रतिक्रिया RuBisCO (राइबुलोज-1,5-बिस्फॉस्फेट कार्बोक्सिलेज/ऑक्सीजनेज) एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित होती है।
- परिणामस्वरूप एक अस्थायी 6-कार्बन मध्यवर्ती बनता है जो तुरंत 3-फॉस्फोग्लिसरेट (3-PGA) के दो अणुओं में टूट जाता है।
- अपचयन (Reduction):
- 3-PGA के प्रत्येक अणु को पहले एटीपी का उपयोग करके 1,3-बिस्फॉस्फोग्लिसरेट में फॉस्फोराइलेट किया जाता है।
- फिर, एनएडीपीएच का उपयोग करके 1,3-बिस्फॉस्फोग्लिसरेट को ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट (G3P) में अपचित किया जाता है।
- G3P एक तीन-कार्बन शर्करा है। कुछ G3P अणु चक्र से बाहर निकलकर ग्लूकोज और अन्य कार्बोहाइड्रेट बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं।
- पुनर्जनन (Regeneration):
- चक्र को जारी रखने के लिए अधिकांश G3P अणु RuBP को पुन: उत्पन्न करने के लिए उपयोग किए जाते हैं।
- यह एक जटिल प्रतिक्रिया श्रृंखला है जिसमें एटीपी की खपत होती है।
- उदाहरण के लिए, 5 G3P अणु (15 कार्बन) 3 RuBP अणु (15 कार्बन) को पुन: उत्पन्न करते हैं।
एक CO₂ अणु को स्थिर करने के लिए कुल 3 एटीपी और 2 एनएडीपीएच की आवश्यकता होती है। कैल्विन चक्र का विनियमन: कैल्विन चक्र को सख्ती से नियंत्रित किया जाता है ताकि यह केवल तब सक्रिय हो जब प्रकाश संश्लेषण की प्रकाश प्रतिक्रियाएं एटीपी और एनएडीपीएच प्रदान कर रही हों।
- प्रकाश सक्रियण: प्रकाश कई प्रमुख कैल्विन चक्र एंजाइमों (जैसे, RuBisCO, ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज) को सक्रिय करता है। यह फेरेडॉक्सिन-थियोरेडॉक्सिन प्रणाली के माध्यम से होता है। प्रकाश में, फेरेडॉक्सिन अपचित होता है, जो फिर थियोरेडॉक्सिन को अपचित करता है, और थियोरेडॉक्सिन एंजाइमों पर डाइसल्फाइड बांड को तोड़कर उन्हें सक्रिय करता है।
- स्ट्रोमल pH और Mg²⁺ सांद्रता: प्रकाश प्रतिक्रियाएं प्रोटॉन को थाइलाकोइड ल्यूमेन में पंप करती हैं, जिससे स्ट्रोमा का pH क्षारीय (लगभग 8.0) हो जाता है। इसके साथ ही, Mg²⁺ आयन संतुलन बनाए रखने के लिए स्ट्रोमा में चले जाते हैं। उच्च pH और उच्च Mg²⁺ सांद्रता दोनों RuBisCO और अन्य कैल्विन चक्र एंजाइमों की गतिविधि के लिए इष्टतम हैं।
Q5. (क) आहारीय वसा के पाचन, अवशोषण और अभिगमन को विस्तार से बताइए। (8) (ख) कीटोन काय/पिंड क्या होते हैं? इनका संश्लेषण समझाइए। (6)
Ans.
(क) आहारीय वसा का पाचन, अवशोषण और अभिगमन:
आहारीय वसा, मुख्य रूप से ट्राइग्लिसराइड्स (TAGs) के रूप में, जल में अघुलनशील होती है, इसलिए उनके पाचन और अवशोषण के लिए एक विशेष प्रक्रिया की आवश्यकता होती है।
1. पाचन (Digestion):
- मुख और आमाशय: पाचन की शुरुआत मुख में लिंगुअल लाइपेज और आमाशय में गैस्ट्रिक लाइपेज से होती है। ये एंजाइम अम्लीय वातावरण में स्थिर होते हैं और TAGs से छोटी और मध्यम श्रृंखला वाले फैटी एसिड को तोड़ते हैं, जो विशेष रूप से शिशुओं में दूध की वसा के पाचन के लिए महत्वपूर्ण है।
- छोटी आंत (प्रमुख स्थल):
- पायसीकरण (Emulsification): जब काइम (आमाशय से अम्लीय भोजन) छोटी आंत में प्रवेश करता है, तो यह हार्मोन कोलेसिस्टोकिनिन (CCK) के स्राव को उत्तेजित करता है। CCK पित्ताशय को पित्त (bile) स्रावित करने का संकेत देता है। पित्त लवण (Bile salts), जो यकृत में कोलेस्ट्रॉल से बनते हैं, एम्फीपैथिक अणु होते हैं। वे बड़ी वसा की बूंदों को छोटी-छोटी बूंदों में तोड़ देते हैं, जिसे पायसीकरण कहते हैं। यह वसा का सतह क्षेत्र बढ़ाता है, जिससे लाइपेज एंजाइम प्रभावी ढंग से कार्य कर सकते हैं।
- एंजाइमेटिक पाचन: CCK अग्न्याशय को अग्नाशयी लाइपेज (pancreatic lipase) सहित पाचन एंजाइमों को स्रावित करने के लिए भी उत्तेजित करता है। अग्नाशयी लाइपेज, जिसे कोलियोपेज नामक प्रोटीन की सहायता से, पायसीकृत TAGs को 2-मोनोएसिलग्लिसरॉल (2-monoacylglycerol) और दो मुक्त फैटी एसिड (free fatty acids) में तोड़ता है।
2. अवशोषण (Absorption):
- मिसेल निर्माण (Micelle formation): पाचन के उत्पाद (2-मोनोएसिलग्लिसरॉल, मुक्त फैटी एसिड), कोलेस्ट्रॉल और वसा में घुलनशील विटामिन पित्त लवणों के साथ मिलकर छोटी, गोलाकार संरचनाएं बनाते हैं जिन्हें मिसेल (micelles) कहा जाता है।
- आंत्र कोशिकाओं में प्रवेश: मिसेल पाचन उत्पादों को आंतों की उपकला कोशिकाओं (एंटेरोसाइट्स) की सतह तक ले जाते हैं। इन कोशिकाओं की झिल्ली से, लिपिड घटक निष्क्रिय प्रसार द्वारा कोशिका के अंदर चले जाते हैं, जबकि पित्त लवण आंत में रह जाते हैं और बाद में पुन: अवशोषित हो जाते हैं (एंटरोहेपेटिक परिसंचरण)।
3. अभिगमन (Transport):
- पुनः-एस्ट्रीकरण (Re-esterification): एंटेरोसाइट के अंदर, चिकनी एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम में, फैटी एसिड और 2-मोनोएसिलग्लिसरॉल को फिर से ट्राइग्लिसराइड्स (TAGs) में संश्लेषित किया जाता है।
- काइलोमाइक्रोन निर्माण (Chylomicron formation): ये नव संश्लेषित TAGs, कोलेस्ट्रॉल, फॉस्फोलिपिड्स और विशिष्ट प्रोटीन (एपोप्रोटीन B-48) के साथ मिलकर एक बड़े लिपोप्रोटीन कण में पैक किए जाते हैं जिसे काइलोमाइक्रोन (chylomicron) कहा जाता है।
- स्राव और अभिगमन: काइलोमाइक्रोन एक्सोसाइटोसिस द्वारा एंटेरोसाइट से लसीका प्रणाली (लिम्फैटिक्स) में स्रावित होते हैं, क्योंकि वे रक्त केशिकाओं में प्रवेश करने के लिए बहुत बड़े होते हैं। लसीका वाहिकाएं अंततः वक्षीय वाहिनी (thoracic duct) के माध्यम से रक्तप्रवाह में काइलोमाइक्रोन को पहुंचाती हैं। रक्त में, काइलोमाइक्रोन वसा ऊतक और मांसपेशियों जैसे परिधीय ऊतकों तक TAGs पहुंचाते हैं।
(ख) कीटोन काय और उनका संश्लेषण:
कीटोन काय (Ketone Bodies): कीटोन काय तीन जल में घुलनशील यौगिकों का एक समूह है: एसीटोएसीटेट (acetoacetate) , β-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट (β-hydroxybutyrate) , और एसीटोन (acetone) । ये यकृत के माइटोकॉन्ड्रिया में एसिटाइल-सीओए (Acetyl-CoA) से उत्पन्न होते हैं। कीटोन काय लंबे समय तक उपवास, भुखमरी, कम कार्बोहाइड्रेट वाले आहार या अनियंत्रित मधुमेह जैसी स्थितियों के दौरान उत्पन्न होते हैं, जब ग्लूकोज की उपलब्धता कम होती है और फैटी एसिड का ऑक्सीकरण बढ़ जाता है। ये मस्तिष्क सहित कई ऊतकों के लिए एक महत्वपूर्ण ऊर्जा स्रोत के रूप में काम करते हैं। कीटोन काय का संश्लेषण (Ketogenesis): कीटोजेनेसिस की प्रक्रिया यकृत के माइटोकॉन्ड्रिया में होती है।
- थायोलेज प्रतिक्रिया (Thiolase Reaction): प्रक्रिया तब शुरू होती है जब β-ऑक्सीकरण से एसिटाइल-सीओए का स्तर उच्च हो जाता है। थायोलेज एंजाइम एसिटाइल-सीओए के दो अणुओं को संघनित करके एसीटोएसिटाइल-सीओए (Acetoacetyl-CoA) बनाता है। 2 Acetyl-CoA ↔ Acetoacetyl-CoA + CoA-SH
- HMG-CoA का निर्माण: HMG-CoA सिंथेज एंजाइम एक और एसिटाइल-सीओए अणु को एसीटोएसिटाइल-सीओए के साथ संघनित करके β-हाइड्रॉक्सी-β-मिथाइलग्लूटारिल-सीओए (HMG-CoA) बनाता है। यह कीटोजेनेसिस का दर-सीमक चरण है। Acetoacetyl-CoA + Acetyl-CoA → HMG-CoA + CoA-SH
- एसीटोएसीटेट का निर्माण: HMG-CoA लाइएज एंजाइम HMG-CoA को तोड़कर एसिटाइल-सीओए और पहले कीटोन काय, एसीटोएसीटेट (Acetoacetate) का उत्पादन करता है। HMG-CoA → Acetoacetate + Acetyl-CoA
- अन्य कीटोन काय का निर्माण:
- β-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट (β-hydroxybutyrate): एसीटोएसीटेट का अधिकांश भाग D-β-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट डिहाइड्रोजनेज द्वारा NADH का उपयोग करके β-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट में अपचित हो जाता है। यह प्रतिक्रिया प्रतिवर्ती है और इसका संतुलन माइटोकॉन्ड्रियल NADH/NAD+ अनुपात पर निर्भर करता है। Acetoacetate + NADH + H⁺ ↔ β-Hydroxybutyrate + NAD⁺
- एसीटोन (Acetone): एसीटोएसीटेट की एक छोटी मात्रा अनायास (गैर-एंजाइमेटिक) या एसीटोएसीटेट डीकार्बोक्सिलेज द्वारा डीकार्बोक्सिलेट होकर एसीटोन बनाती है। एसीटोन एक वाष्पशील यौगिक है जो सांस द्वारा उत्सर्जित होता है (मधुमेह केटोएसिडोसिस में “फलों की गंध” का कारण) और इसे चयापचय ईंधन के रूप में उपयोग नहीं किया जा सकता है।
यकृत एसीटोएसीटेट और β-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट को रक्तप्रवाह में छोड़ता है, जहां से वे परिधीय ऊतकों द्वारा ऊर्जा के लिए ग्रहण किए जाते हैं।
Q6. (क) फैटी एसिड सिंथेज-I कॉम्प्लेक्स द्वारा उत्प्रेरित अभिक्रियाओं को स्पष्ट कीजिए। (8) (ख) फैटी एसिड के सक्रियण और माइटोकॉन्ड्रिया में इनके अभिगमन की चर्चा कीजिए। (6)
Ans.
(क) फैटी एसिड सिंथेज-I (FAS-I) कॉम्प्लेक्स की अभिक्रियाएँ:
फैटी एसिड सिंथेज-I (FAS-I) एक बड़ा, मल्टी-एंजाइम कॉम्प्लेक्स है जो स्तनधारियों और खमीर में पाया जाता है और de novo फैटी एसिड संश्लेषण के लिए जिम्मेदार है। यह एक डाइमर के रूप में मौजूद होता है, जिसमें प्रत्येक मोनोमर में सात अलग-अलग एंजाइमेटिक गतिविधियाँ और एक एसिल कैरियर प्रोटीन (ACP) डोमेन होता है। इसका मुख्य उत्पाद पामिटेट (Palmitate) , एक 16-कार्बन संतृप्त फैटी एसिड है।
प्रक्रिया में एसिटाइल-सीओए और मैलोनिल-सीओए से पामिटेट बनाने के लिए एक चक्रीय, चार-चरणीय अनुक्रम शामिल है। चरण 1: लोडिंग (Loading)
- एसिटाइल ट्रांससाइलेज (AT): एक एसिटाइल-सीओए (Acetyl-CoA) का एसिटाइल समूह कॉम्प्लेक्स के एक एंजाइम, β-कीटोएसिल सिंथेज (KS) के एक सिस्टीन अवशेष पर स्थानांतरित किया जाता है।
- मैलोनिल ट्रांससाइलेज (MT): मैलोनिल-सीओए (Malonyl-CoA) (जो एसिटाइल-सीओए कार्बोक्सिलेज द्वारा एसिटाइल-सीओए से बनता है) का मैलोनिल समूह एसिल कैरियर प्रोटीन (ACP) के फॉस्फोपेंटेथीन प्रोस्थेटिक समूह पर स्थानांतरित किया जाता है।
अब कॉम्प्लेक्स पहले चक्र के लिए तैयार है। चरण 2: संश्लेषण चक्र (चार-चरणीय अनुक्रम) यह चक्र तब तक दोहराया जाता है जब तक कि 16-कार्बन श्रृंखला नहीं बन जाती। प्रत्येक चक्र में श्रृंखला में दो कार्बन जुड़ते हैं।
- संघनन (Condensation):
- β-कीटोएसिल सिंथेज (KS) द्वारा उत्प्रेरित।
- KS पर लगा एसिटाइल समूह (पहले चक्र में) ACP पर लगे मैलोनिल समूह के साथ संघनित होता है। मैलोनिल समूह का कार्बोक्सिल समूह CO₂ के रूप में निकलता है, जो प्रतिक्रिया को आगे बढ़ाता है।
- उत्पाद एसिटोएसिटाइल-एसीपी (Acetoacetyl-ACP) है, जो एक 4-कार्बन अणु है और ACP से जुड़ा रहता है।
- अपचयन (Reduction):
- β-कीटोएसिल रिडक्टेज (KR) द्वारा उत्प्रेरित।
- एसिटोएसिटाइल-एसीपी का कीटो समूह NADPH से प्राप्त इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके एक हाइड्रॉक्सिल समूह में अपचित हो जाता है।
- उत्पाद D-β-हाइड्रॉक्सीब्यूटिरिल-एसीपी (D-β-Hydroxybutyryl-ACP) है।
- निर्जलीकरण (Dehydration):
- β-हाइड्रॉक्सीएसिल डिहाइड्रेटेज (DH) द्वारा उत्प्रेरित।
- D-β-हाइड्रॉक्सीब्यूटिरिल-एसीपी से पानी का एक अणु निकाला जाता है, जिससे कार्बन 2 और 3 के बीच एक दोहरा बंधन बनता है।
- उत्पाद क्रोटोनिल-एसीपी (Crotonyl-ACP) या trans -Δ²-Butenoyl-ACP है।
- अपचयन (Reduction):
- एनोयल रिडक्टेज (ER) द्वारा उत्प्रेरित।
- दूसरे NADPH अणु का उपयोग करके दोहरे बंधन को संतृप्त किया जाता है।
- उत्पाद ब्यूटिरिल-एसीपी (Butyryl-ACP) है, जो एक 4-कार्बन संतृप्त एसिल-एसीपी है।
चक्र की पुनरावृत्ति: ब्यूटिरिल समूह को ACP से KS के सिस्टीन अवशेष पर स्थानांतरित किया जाता है। एक नया मैलोनिल-सीओए ACP पर लोड होता है, और संघनन से शुरू होकर चक्र फिर से शुरू होता है। प्रत्येक चक्र के बाद, फैटी एसिड श्रृंखला दो कार्बन से लंबी हो जाती है। समाप्ति (Termination): जब श्रृंखला 16 कार्बन (पामिटॉयल-एसीपी) तक पहुंच जाती है, तो एक थायोएस्टेरेज (TE) गतिविधि पामिटेट को FAS कॉम्प्लेक्स से मुक्त करने के लिए एसिल-एसीपी बॉन्ड को हाइड्रोलाइज करती है। कुल मिलाकर, पामिटेट के संश्लेषण के लिए 1 एसिटाइल-सीओए , 7 मैलोनिल-सीओए , और 14 एनएडीपीएच (NADPH) की आवश्यकता होती है। (ख) फैटी एसिड का सक्रियण और माइटोकॉन्ड्रिया में अभिगमन:
फैटी एसिड का β-ऑक्सीकरण माइटोकॉन्ड्रिया के मैट्रिक्स में होता है। हालांकि, लंबी-श्रृंखला वाले फैटी एसिड (12 से अधिक कार्बन) माइटोकॉन्ड्रियल झिल्लियों को पार नहीं कर सकते हैं। इसलिए, उन्हें ऑक्सीकरण के लिए माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश करने से पहले सक्रिय और परिवहित करने की आवश्यकता होती है।
1. फैटी एसिड का सक्रियण (Activation): यह प्रक्रिया साइटोसोल में होती है, जो बाहरी माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली पर होती है।
- एंजाइम: एसिल-सीओए सिंथेटेज (Acyl-CoA Synthetase) या फैटी एसिड थायोकिनेज।
- प्रक्रिया: यह दो-चरणीय प्रतिक्रिया है जिसमें एटीपी की ऊर्जा का उपयोग होता है।
- फैटी एसिड एटीपी के साथ प्रतिक्रिया करके एक एसिल-एडेनिललेट (acyl-adenylate) मध्यवर्ती और पाइरोफॉस्फेट (PPi) बनाता है।
- अकार्बनिक पाइरोफॉस्फेटेज द्वारा PPi का तत्काल हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया को आगे बढ़ाता है।
- फिर कोएंजाइम A (CoA-SH) का थायोल समूह एसिल-एडेनिललेट पर हमला करता है, जिससे फैटी एसिल-सीओए (Fatty Acyl-CoA) और AMP बनता है।
- कुल प्रतिक्रिया: फैटी एसिड + CoA + ATP → फैटी एसिल-CoA + AMP + PPi
- यह प्रक्रिया दो उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बॉन्ड (ATP से AMP + PPi) की खपत करती है।
2. माइटोकॉन्ड्रिया में अभिगमन (Transport into Mitochondria) – कार्निटाइन शटल (Carnitine Shuttle): सक्रिय फैटी एसिल-सीओए को आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली के पार ले जाने के लिए कार्निटाइन शटल का उपयोग किया जाता है।
- चरण 1: बाहरी माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली पर, कार्निटाइन पामिटॉयलट्रांसफरेज I (CPT-I) फैटी एसिल समूह को फैटी एसिल-सीओए से कार्निटाइन (carnitine) के हाइड्रॉक्सिल समूह में स्थानांतरित करता है। इससे एसिल-कार्निटाइन (acyl-carnitine) बनता है और CoA मुक्त हो जाता है। CPT-I β-ऑक्सीकरण का मुख्य नियामक एंजाइम है।
- चरण 2: एसिल-कार्निटाइन को एक विशिष्ट ट्रांसपोर्टर, कार्निटाइन-एसिलकार्निटाइन ट्रांसलोकेज (translocase) द्वारा आंतरिक माइटोकॉन्ड्रियल झिल्ली के पार मैट्रिक्स में ले जाया जाता है। यह ट्रांसपोर्टर एक एंटीपोर्टर के रूप में कार्य करता है, जो एक एसिल-कार्निटाइन को अंदर और एक मुक्त कार्निटाइन को बाहर ले जाता है।
- चरण 3: माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स में, कार्निटाइन पामिटॉयलट्रांसफरेज II (CPT-II) , जो आंतरिक झिल्ली की मैट्रिक्स सतह पर स्थित है, एसिल समूह को एसिल-कार्निटाइन से वापस एक माइटोकॉन्ड्रियल CoA अणु में स्थानांतरित करता है। यह फैटी एसिल-सीओए को पुनः उत्पन्न करता है और कार्निटाइन को मुक्त करता है।
मुक्त कार्निटाइन को ट्रांसलोकेज द्वारा साइटोसोल में वापस ले जाया जाता है ताकि एक और फैटी एसिल-सीओए को ले जाया जा सके। अब, माइटोकॉन्ड्रियल मैट्रिक्स के अंदर का फैटी एसिल-सीओए β-ऑक्सीकरण से गुजरने के लिए तैयार है। छोटी और मध्यम-श्रृंखला वाले फैटी एसिड को इस शटल की आवश्यकता नहीं होती है और वे सीधे माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश कर सकते हैं।
Q7. (क) कोलेस्ट्रॉल जैवसंश्लेषण के विनियमन के बारे में चर्चा कीजिए। (7) (ख) सेरामाइड संश्लेषण के बारे में विस्तार से बताइए। (7)
Ans.
(क) कोलेस्ट्रॉल जैवसंश्लेषण का विनियमन:
कोलेस्ट्रॉल जैवसंश्लेषण एक जटिल और ऊर्जा-गहन प्रक्रिया है, जिसे शरीर की जरूरतों को पूरा करने के लिए सख्ती से नियंत्रित किया जाता है। विनियमन का मुख्य केंद्र बिंदु दर-सीमक एंजाइम, HMG-CoA रिडक्टेज है, जो HMG-CoA को मेवलोनेट में परिवर्तित करता है। इस एंजाइम को कई स्तरों पर नियंत्रित किया जाता है:
1. प्रतिलेखीय विनियमन (Transcriptional Regulation):
- यह विनियमन का सबसे महत्वपूर्ण स्तर है। HMG-CoA रिडक्टेज जीन की अभिव्यक्ति को स्टेरॉल रेगुलेटरी एलिमेंट-बाइंडिंग प्रोटीन (SREBPs) द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
- जब कोशिका में स्टेरॉल (कोलेस्ट्रॉल) का स्तर कम होता है, तो SREBP-2 एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम (ER) से गोल्गी में जाता है, जहां इसे प्रोटीएज द्वारा तोड़ा जाता है। इसका सक्रिय N-टर्मिनल डोमेन केंद्रक में जाता है।
- केंद्रक में, यह HMG-CoA रिडक्टेज और अन्य कोलेस्ट्रॉल संश्लेषण जीन के प्रमोटर क्षेत्र में स्टेरॉल रेगुलेटरी एलिमेंट (SRE) से जुड़ता है, जिससे इन जीनों का प्रतिलेखन बढ़ जाता है और अधिक कोलेस्ट्रॉल का उत्पादन होता है।
- जब स्टेरॉल का स्तर अधिक होता है, तो SREBP ER में निष्क्रिय रहता है, और जीन का प्रतिलेखन कम हो जाता है।
2. एंजाइम का सहसंयोजक संशोधन (Covalent Modification):
- HMG-CoA रिडक्टेज की गतिविधि को फॉस्फोराइलेशन और डिफॉस्फोराइलेशन द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
- AMP-सक्रिय प्रोटीन किनेज (AMPK) एंजाइम को फॉस्फोराइलेट करता है, जिससे यह निष्क्रिय हो जाता है। AMPK तब सक्रिय होता है जब कोशिका में ऊर्जा का स्तर कम होता है (उच्च AMP/ATP अनुपात), इस प्रकार ऊर्जा-खपत करने वाले कोलेस्ट्रॉल संश्लेषण को रोका जाता है।
- एक फॉस्फोप्रोटीन फॉस्फेटेज एंजाइम को डिफॉस्फोराइलेट करता है, जिससे यह सक्रिय हो जाता है। इस प्रक्रिया को इंसुलिन द्वारा बढ़ावा दिया जाता है, जो भोजन के बाद की स्थिति का संकेत देता है जब ऊर्जा और पूर्ववर्ती उपलब्ध होते हैं। ग्लूकागन और एपिनेफ्रीन विपरीत प्रभाव डालते हैं (निष्क्रियण को बढ़ावा देते हैं)।
3. एंजाइम का क्षरण (Enzyme Degradation):
- उच्च कोलेस्ट्रॉल स्तर HMG-CoA रिडक्टेज के क्षरण को बढ़ावा देते हैं।
- कोलेस्ट्रॉल के उच्च स्तर एंजाइम की संरचना में परिवर्तन का कारण बनते हैं, जिससे यह यूबिक्विटिनेशन और प्रोटीसोम द्वारा क्षरण के लिए लक्षित हो जाता है। यह एंजाइम की मात्रा को कम करता है।
4. प्रतिक्रिया अवरोध (Feedback Inhibition):
- कोलेस्ट्रॉल और उसके चयापचयी उत्पाद (जैसे, पित्त अम्ल) स्वयं HMG-CoA रिडक्टेज की गतिविधि को एलोस्टेरिक रूप से रोक सकते हैं, हालांकि यह विनियमन का एक कम महत्वपूर्ण तंत्र है।
नैदानिक प्रासंगिकता:
स्टैटिन (Statins) दवाएं (जैसे, एटोरवास्टेटिन, सिमवास्टेटिन) HMG-CoA रिडक्टेज की प्रतिस्पर्धी अवरोधक हैं। वे HMG-CoA के समान दिखती हैं और एंजाइम की सक्रिय साइट से जुड़ती हैं, जिससे मेवलोनेट का उत्पादन रुक जाता है। यह यकृत में कोलेस्ट्रॉल संश्लेषण को कम करता है, जिससे रक्त में LDL (“खराब”) कोलेस्ट्रॉल का स्तर कम हो जाता है। (ख) सेरामाइड संश्लेषण का विस्तार से वर्णन:
सेरामाइड सभी स्फिंगोलिपिड्स (sphingolipids) का मूल संरचनात्मक अग्रदूत है, जो कोशिका झिल्ली का एक महत्वपूर्ण वर्ग है। यह सिग्नलिंग अणुओं के रूप में भी कार्य करता है जो कोशिका वृद्धि, विभेदन और एपोप्टोसिस (क्रमादेशित कोशिका मृत्यु) को नियंत्रित करता है। सेरामाइड का संश्लेषण मुख्य रूप से एंडोप्लाज्मिक रेटिकुलम (ER) में होता है। संश्लेषण मार्ग ( De Novo Synthesis) निम्नलिखित चरणों में होता है: चरण 1: 3-कीटोस्फिंगानिन का संश्लेषण (Synthesis of 3-Ketosphinganine)
- यह मार्ग का पहला और दर-सीमक चरण है।
- एंजाइम: सेरीन पामिटॉयलट्रांसफरेज (Serine Palmitoyltransferase, SPT) ।
- प्रतिक्रिया: यह एंजाइम एक अणु पामिटॉयल-सीओए (Palmitoyl-CoA) (एक 16-कार्बन फैटी एसिड) और एक अणु अमीनो एसिड सेरीन (Serine) के संघनन को उत्प्रेरित करता है।
- इस प्रतिक्रिया में सेरीन का डीकार्बोक्सिलेशन शामिल है और इसके लिए पाइरिडोक्सल फॉस्फेट (PLP) एक सहकारक के रूप में आवश्यक है।
- उत्पाद 3-कीटोस्फिंगानिन (3-Ketosphinganine) है।
पामिटॉयल-CoA + सेरीन → 3-कीटोस्फिंगानिन + CO₂ + CoA-SH चरण 2: स्फिंगानिन का संश्लेषण (Synthesis of Sphinganine)
- एंजाइम: 3-कीटोस्फिंगानिन रिडक्टेज (3-Ketosphinganine Reductase) ।
- प्रतिक्रिया: 3-कीटोस्फिंगानिन के कीटो समूह को NADPH से प्राप्त इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके एक हाइड्रॉक्सिल समूह में अपचित किया जाता है।
- उत्पाद स्फिंगानिन (Sphinganine) है, जिसे डाइहाइड्रोस्फिंगोसिन भी कहा जाता है।
3-कीटोस्फिंगानिन + NADPH + H⁺ → स्फिंगानिन + NADP⁺ चरण 3: डाइहाइड्रोसेरामाइड का संश्लेषण (Synthesis of Dihydroceramide)
- एंजाइम: (डाइहाइड्रो)सेरामाइड सिंथेज ((Dihydro)ceramide Synthase, CerS) ।
- प्रतिक्रिया: स्फिंगानिन के अमीनो समूह में एक फैटी एसिड श्रृंखला जोड़ी जाती है। यह फैटी एसिड एक फैटी एसिल-सीओए (Fatty Acyl-CoA) द्वारा प्रदान किया जाता है।
- यह एक N-एसाइलेशन प्रतिक्रिया है, जो एक एमाइड बॉन्ड बनाती है।
- विभिन्न सेरामाइड सिंथेज एंजाइम विभिन्न लंबाई की फैटी एसिड श्रृंखलाओं को प्राथमिकता देते हैं, जिससे विभिन्न प्रकार के सेरामाइड बनते हैं।
- उत्पाद डाइहाइड्रोसेरामाइड (Dihydroceramide) है।
स्फिंगानिन + फैटी एसिल-CoA → डाइहाइड्रोसेरामाइड + CoA-SH चरण 4: सेरामाइड का संश्लेषण (Synthesis of Ceramide)
- एंजाइम: डाइहाइड्रोसेरामाइड डेसचुरेज (Dihydroceramide Desaturase) ।
- प्रतिक्रिया: डाइहाइड्रोसेरामाइड की स्फिंगोइड बेस बैकबोन में कार्बन 4 और 5 के बीच एक दोहरा बंधन ( trans double bond) डाला जाता है।
- यह एक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया है जिसके लिए आणविक ऑक्सीजन (O₂) और एक इलेक्ट्रॉन दाता (जैसे NADH) की आवश्यकता होती है।
- अंतिम उत्पाद सेरामाइड (Ceramide) है।
डाइहाइड्रोसेरामाइड + O₂ + इलेक्ट्रॉन दाता → सेरामाइड + 2H₂O ER में बनने के बाद, सेरामाइड को गोल्गी उपकरण में ले जाया जाता है, जहां इसे और संशोधित करके स्फिंगोमायेलिन या विभिन्न ग्लाइकोस्फिंगोलिपिड्स (जैसे, सेरेब्रोसाइड्स, गैंग्लियोसाइड्स) में परिवर्तित किया जा सकता है।
Q8. (क) प्रारंभिक उपवास और उपवास अवस्था में होने वाली उपापचयी प्रक्रियाओं के बारे में व्याख्या कीजिए। (7) (ख) फैटी अम्लों के β-ऑक्सीकरण से जुड़े विकारों के बारे में चर्चा कीजिए। (7)
Ans.
(क) प्रारंभिक उपवास और उपवास अवस्था में उपापचयी प्रक्रियाएँ:
शरीर भोजन की अनुपस्थिति में ऊर्जा की जरूरतों को पूरा करने के लिए विभिन्न उपापचयी अवस्थाओं से गुजरता है। इन्हें भोजन के बाद की अवस्था, प्रारंभिक उपवास और उपवास अवस्था में विभाजित किया जा सकता है।
1. प्रारंभिक उपवास अवस्था (Early Fasting State / Post-absorptive State): यह अवस्था भोजन के लगभग 4-6 घंटे बाद शुरू होती है और लगभग 24 घंटे तक चलती है।
- हार्मोनल परिवर्तन: रक्त में ग्लूकोज का स्तर गिरना शुरू हो जाता है, जिससे इंसुलिन का स्राव कम हो जाता है और ग्लूकागन का स्राव बढ़ जाता है।
- मुख्य प्रक्रिया: यकृत ग्लाइकोजेनोलाइसिस (Hepatic Glycogenolysis) । इस अवस्था में रक्त शर्करा को बनाए रखने का मुख्य स्रोत यकृत में संग्रहीत ग्लाइकोजन का टूटना है। यकृत ग्लाइकोजन को ग्लूकोज-6-फॉस्फेट और फिर मुक्त ग्लूकोज में तोड़ता है, जिसे रक्तप्रवाह में छोड़ा जाता है ताकि मस्तिष्क और लाल रक्त कोशिकाओं जैसे ग्लूकोज-निर्भर ऊतकों को ऊर्जा मिल सके।
- ग्लूकोनियोजेनेसिस की शुरुआत: जैसे-जैसे समय बढ़ता है, यकृत ग्लूकोनियोजेनेसिस (गैर-कार्बोहाइड्रेट स्रोतों से ग्लूकोज का निर्माण) भी शुरू कर देता है। इसके लिए लैक्टेट (मांसपेशियों से), एलेनिन (मांसपेशियों से) और ग्लिसरॉल (वसा ऊतक से) का उपयोग किया जाता है।
- लिपोलिसिस: वसा ऊतक में, कम इंसुलिन और बढ़े हुए ग्लूकागन/एपिनेफ्रीन के कारण लिपोलिसिस (ट्राइग्लिसराइड्स का टूटना) शुरू हो जाता है, जिससे फैटी एसिड और ग्लिसरॉल रक्त में छोड़े जाते हैं।
2. उपवास अवस्था (Fasting State / Starvation): यह अवस्था लगभग 24 घंटे के उपवास के बाद शुरू होती है और हफ्तों तक चल सकती है।
- हार्मोनल स्थिति: इंसुलिन का स्तर बहुत कम होता है और ग्लूकागन का स्तर उच्च होता है।
- ग्लाइकोजन की कमी: यकृत का ग्लाइकोजन भंडार लगभग समाप्त हो जाता है।
- प्रमुख प्रक्रिया: ग्लूकोनियोजेनेसिस (Gluconeogenesis) । अब रक्त शर्करा को बनाए रखने का एकमात्र स्रोत यकृत (और बाद में गुर्दे) में ग्लूकोनियोजेनेसिस है। इसके लिए सब्सट्रेट मुख्य रूप से मांसपेशियों के प्रोटीन के टूटने से प्राप्त अमीनो एसिड और लिपोलिसिस से प्राप्त ग्लिसरॉल होते हैं।
- उच्च लिपोलिसिस और फैटी एसिड ऑक्सीकरण: वसा ऊतक में लिपोलिसिस की दर बहुत अधिक होती है। अधिकांश ऊतक (मस्तिष्क को छोड़कर) ऊर्जा के लिए फैटी एसिड के β-ऑक्सीकरण पर निर्भर करते हैं।
- कीटोजेनेसिस (Ketogenesis): यकृत में β-ऑक्सीकरण से बड़ी मात्रा में एसिटाइल-सीओए उत्पन्न होता है, जो टीसीए चक्र की क्षमता से अधिक होता है। अतिरिक्त एसिटाइल-सीओए को कीटोन काय (एसीटोएसीटेट और β-हाइड्रॉक्सीब्यूटाइरेट) में परिवर्तित कर दिया जाता है।
- मस्तिष्क का अनुकूलन: लंबे समय तक उपवास करने पर, मस्तिष्क कीटोन काय को अपने मुख्य ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करने के लिए अनुकूलित हो जाता है। यह ग्लूकोज की आवश्यकता को कम करता है, जिससे कीमती मांसपेशियों के प्रोटीन को संरक्षित करने में मदद मिलती है, क्योंकि ग्लूकोनियोजेनेसिस के लिए अमीनो एसिड की आवश्यकता कम हो जाती है। यह जीवित रहने के लिए एक महत्वपूर्ण अनुकूलन है।
(ख) फैटी अम्लों के β-ऑक्सीकरण से जुड़े विकार:
फैटी एसिड ऑक्सीकरण (FAO) विकार वंशानुगत चयापचय रोगों का एक समूह है जिसमें शरीर ऊर्जा के लिए वसा का उपयोग ठीक से नहीं कर पाता है। ये विकार आमतौर पर ऑटोसोमल रिसेसिव तरीके से विरासत में मिलते हैं और अक्सर उपवास या बीमारी के दौरान चयापचय संकट का कारण बनते हैं।
1. मध्यम-श्रृंखला एसिल-सीओए डिहाइड्रोजनेज की कमी (MCAD Deficiency):
- विवरण: यह सबसे आम FAO विकार है। यह मध्यम-श्रृंखला एसिल-सीओए डिहाइड्रोजनेज (MCAD) एंजाइम की कमी के कारण होता है, जो 6 से 12 कार्बन वाले फैटी एसिड के β-ऑक्सीकरण के पहले चरण के लिए आवश्यक है।
- जैव रासायनिक परिणाम: मध्यम-श्रृंखला फैटी एसिड और उनके एसाइलकार्निटाइन डेरिवेटिव का संचय होता है। शरीर ऊर्जा के लिए ग्लूकोज पर बहुत अधिक निर्भर हो जाता है।
- नैदानिक लक्षण: उपवास या बीमारी की अवधि के दौरान, रोगियों में हाइपोग्लाइसीमिया (क्योंकि ग्लूकोज की खपत बढ़ जाती है), हाइपोकेटोसिस (क्योंकि फैटी एसिड ऑक्सीकरण से एसिटाइल-सीओए नहीं बनता है), सुस्ती, उल्टी और यकृत की शिथिलता विकसित होती है। यदि इलाज न किया जाए तो यह कोमा या अचानक मृत्यु का कारण बन सकता है। निदान अक्सर नवजात स्क्रीनिंग द्वारा किया जाता है।
2. कार्निटाइन पामिटॉयलट्रांसफरेज (CPT) की कमी:
- CPT-I की कमी: यह एक दुर्लभ यकृत रूप है जो लंबी-श्रृंखला फैटी एसिड को माइटोकॉन्ड्रिया में प्रवेश करने से रोकता है। यह MCAD कमी के समान लक्षणों का कारण बनता है, जिसमें हाइपोकेटोटिक हाइपोग्लाइसीमिया और यकृत विफलता शामिल है।
- CPT-II की कमी: यह अधिक आम है और इसके तीन रूप हैं। सबसे आम वयस्क रूप है, जो व्यायाम या उपवास के बाद मांसपेशियों में दर्द , मायोग्लोबिन्यूरिया (मूत्र में मायोग्लोबिन) और रबडोमायोलिसिस (मांसपेशी टूटना) का कारण बनता है। शिशु और नवजात रूप अधिक गंभीर होते हैं और यकृत विफलता और हृदय की समस्याओं का कारण बन सकते हैं।
3. जमैकन वोमिटिंग सिकनेस (Jamaican Vomiting Sickness):
- विवरण: यह एक अर्जित (आनुवंशिक नहीं) FAO विकार है जो अधपके एकी (ackee) फल खाने के कारण होता है।
- तंत्र: एकी फल में हाइपोग्लाइसिन ए (hypoglycin A) नामक एक विष होता है। शरीर में, यह विष MCPA-CoA में परिवर्तित हो जाता है, जो कई एसिल-सीओए डिहाइड्रोजनेज एंजाइमों (MCAD सहित) को अपरिवर्तनीय रूप से रोकता है।
- लक्षण: यह β-ऑक्सीकरण और ग्लूकोनियोजेनेसिस दोनों को रोकता है, जिससे गंभीर हाइपोग्लाइसीमिया , उल्टी, ऐंठन, कोमा और अक्सर मृत्यु हो जाती है।
इन विकारों का प्रबंधन मुख्य रूप से उपवास से बचने, लगातार, कम वसा वाले, उच्च कार्बोहाइड्रेट वाले भोजन करने और गंभीर मामलों में, मध्यम-श्रृंखला ट्राइग्लिसराइड (MCT) तेल (CPT कमी में) या कार्निटाइन पूरकता पर केंद्रित होता है।
IGNOU BBCCT-109 Previous Year Solved Question Paper in English
Q1. (a) Describe the preparatory and energy generation phases of glycolysis. (10) (b) Differentiate between linear and branched pathways of metabolism. (4)
Ans. (a) Phases of Glycolysis: Glycolysis is a ten-step metabolic pathway that breaks down glucose into pyruvate. It occurs in the cytosol of the cell and can be divided into two main phases:
1. Preparatory Phase (Energy Investment Phase): In this phase, glucose is activated and cleaved into two three-carbon molecules. The process involves the investment of energy (ATP). The key steps are:
- Step 1: Glucose is phosphorylated by the enzyme hexokinase to form glucose-6-phosphate (G6P) . This step consumes one molecule of ATP.
- Step 2: G6P is isomerized to fructose-6-phosphate (F6P) by phosphoglucose isomerase .
- Step 3: F6P is phosphorylated by phosphofructokinase-1 (PFK-1) to form fructose-1,6-bisphosphate (F1,6BP) . This consumes another ATP molecule and is a major regulatory step of glycolysis.
- Step 4: The enzyme aldolase cleaves F1,6BP into two three-carbon molecules: glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) and dihydroxyacetone phosphate (DHAP) .
- Step 5: DHAP is converted to G3P by triose phosphate isomerase . Thus, one molecule of glucose yields two molecules of G3P.
At the end of this phase,
2 ATP
molecules are consumed per molecule of glucose.
2. Energy Generation Phase (Payoff Phase): In this phase, the two molecules of G3P are converted to pyruvate, generating energy in the form of ATP and NADH.
- Step 6: Each molecule of G3P is oxidized by glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase to form 1,3-bisphosphoglycerate . In this process, NAD+ is reduced to NADH .
- Step 7: Phosphoglycerate kinase transfers a phosphate group from 1,3-bisphosphoglycerate to ADP, forming ATP and 3-phosphoglycerate . This is an example of substrate-level phosphorylation .
- Step 8: Phosphoglycerate mutase converts 3-phosphoglycerate to 2-phosphoglycerate .
- Step 9: Enolase removes a molecule of water from 2-phosphoglycerate to form the high-energy molecule phosphoenolpyruvate (PEP) .
- Step 10: Pyruvate kinase transfers a phosphate group from PEP to ADP, forming ATP and pyruvate . This is also a substrate-level phosphorylation.
Since two molecules of G3P are formed from one glucose, this phase occurs twice per glucose molecule. The total output of this phase is
4 ATP
and
2 NADH
.
Net Gain:
The net gain of glycolysis per molecule of glucose is
2 ATP
(4 generated – 2 consumed) and
2 NADH
.
(b) Differentiation between Linear and Branched Metabolic Pathways: Linear Pathway:
- In a linear pathway, a starting substrate passes through a series of reactions to form a final product.
- Each intermediate of the pathway is a substrate for the next step.
- Example: Glycolysis , in which glucose is converted to pyruvate.
- There are no branch points; the pathway proceeds in a single direction.
Branched Pathway:
- In a branched pathway, an intermediate can enter different reaction routes to form several distinct products.
- It has one or more branch points where the pathway diverges.
- This allows the cell to synthesize different essential compounds from a common precursor.
- Regulation is often complex, involving feedback inhibition by the end products of each branch.
- Example: The synthesis of aromatic amino acids (tyrosine, phenylalanine, tryptophan) , which branches off from a common intermediate called chorismate.
The key difference is that linear pathways lead to a single product, whereas branched pathways generate multiple products from a common intermediate, requiring more complex regulatory mechanisms.
Q2. (a) Mention the major features of metabolic design. (4) (b) Explain the regulation of TCA cycle with the help of a suitable diagram. (10)
Ans. (a) Major Features of Metabolic Design: Metabolic design refers to the principles governing the organization and regulation of chemical reactions within cells. Its major features are:
- Maximum Economy: Cells strive to achieve maximum efficiency using minimal resources. They synthesize only the metabolites that are needed.
- Efficiency: Metabolic pathways are designed to capture and utilize energy efficiently. For example, the production of ATP through oxidative phosphorylation.
- Specific Enzymes: Each metabolic reaction is catalyzed by a specific enzyme. This ensures high specificity and reaction rates.
- Strict Regulation: Metabolic pathways are tightly regulated to meet the cell’s needs. Regulation occurs through allosteric control, covalent modification, hormonal signaling, and control of enzyme synthesis.
- Compartmentalization: Different metabolic pathways occur in specific cellular compartments (e.g., mitochondria, cytosol). This separates competing reactions and increases efficiency (e.g., fatty acid synthesis in cytosol, β-oxidation in mitochondria).
- Use of Common Intermediates: Many pathways share common intermediates, such as Acetyl-CoA , which links carbohydrate, lipid, and amino acid metabolism.
(b) Regulation of the TCA Cycle: The Tricarboxylic Acid (TCA) cycle, also known as the Krebs cycle, is a central pathway of cellular respiration. Its regulation is primarily dependent on the energy status of the cell. The cycle is controlled at the level of three key enzymes whose reactions are highly exergonic and irreversible.
Regulatory Enzymes and their Effectors:
- Citrate Synthase: Catalyzes the formation of citrate from acetyl-CoA and oxaloacetate.
- Inhibitors: ATP , NADH , succinyl-CoA , and citrate (product inhibition). High energy levels inhibit this enzyme.
- Isocitrate Dehydrogenase: Converts isocitrate to α-ketoglutarate, generating NADH. This is the most important regulatory point of the TCA cycle.
- Activators: ADP and Ca²⁺ . ADP signals a low energy state, increasing the cycle’s pace.
- Inhibitors: ATP and NADH . These signal a high energy state.
- α-Ketoglutarate Dehydrogenase Complex: Converts α-ketoglutarate to succinyl-CoA, generating NADH.
- Activator: Ca²⁺ (especially indicates energy demand during muscle contraction).
- Inhibitors: NADH and succinyl-CoA (its own products). High energy and product accumulation inhibit this step.
In summary, when the cell has a high energy level (high ATP/ADP and high NADH/NAD+ ratios), the TCA cycle is slowed down. When the energy demand is high (high ADP and NAD+), the cycle is sped up to produce more reducing equivalents (NADH, FADH₂) and ATP.
(A diagram should be included here showing the pathway of the TCA cycle, with intermediates from Acetyl-CoA to Oxaloacetate. Regulatory molecules (activators and inhibitors) should be marked with arrows at Citrate Synthase, Isocitrate Dehydrogenase, and α-Ketoglutarate Dehydrogenase.) Figure: Regulation of the TCA Cycle [A diagram showing Acetyl-CoA and Oxaloacetate condensing to form Citrate. Steps are shown through the cycle to Isocitrate, α-Ketoglutarate, Succinyl-CoA, Succinate, Fumarate, Malate, and back to Oxaloacetate. Regulatory points are marked:
- (-) arrows from ATP, NADH, Succinyl-CoA to Citrate Synthase.
- (+) arrows from ADP, Ca²⁺ and (-) arrows from ATP, NADH to Isocitrate Dehydrogenase.
- (+) arrow from Ca²⁺ and (-) arrows from Succinyl-CoA, NADH to α-Ketoglutarate Dehydrogenase.]
Q3. (a) Discuss the compounds other than pyruvate which can serve as gluconeogenic precursors. (6) (b) Write short notes on the following: (4+4) (i) Glycogenesis (ii) Glycogenolysis
Ans. (a) Gluconeogenic Precursors (Other than Pyruvate): Gluconeogenesis is the synthesis of glucose from non-carbohydrate sources, occurring mainly in the liver. While pyruvate is a key starting point, several other molecules can also enter this pathway:
1. Lactate:
- Lactate is produced during anaerobic glycolysis, particularly in exercising muscles and red blood cells.
- Through the Cori Cycle , lactate is transported by the bloodstream to the liver.
- In the liver, the enzyme lactate dehydrogenase oxidizes lactate back to pyruvate , which then enters gluconeogenesis.
2. Glucogenic Amino Acids:
- During fasting or starvation, muscle proteins are degraded, releasing amino acids.
- Most amino acids (except leucine and lysine) are glucogenic.
- These amino acids can be converted either directly into pyruvate (e.g., alanine) or into intermediates of the TCA cycle (e.g., oxaloacetate , α-ketoglutarate ).
- For instance, alanine is converted directly to pyruvate by transamination (Glucose-Alanine Cycle). Aspartate can be converted to oxaloacetate, and glutamate to α-ketoglutarate. These intermediates can then be channeled into the gluconeogenic pathway to form glucose.
3. Glycerol:
- Breakdown (lipolysis) of triglycerides (TAGs) stored in adipose tissue releases glycerol and fatty acids.
- Glycerol travels through the blood to the liver.
- In the liver, the enzyme glycerol kinase phosphorylates glycerol to glycerol-3-phosphate .
- Then, glycerol-3-phosphate dehydrogenase oxidizes it to dihydroxyacetone phosphate (DHAP) , which is an intermediate of glycolysis/gluconeogenesis.
Fatty acids cannot be directly converted to glucose because the reaction of the pyruvate dehydrogenase complex (pyruvate to acetyl-CoA) is irreversible.
(b) Short Notes:
(i) Glycogenesis: Glycogenesis is the process of storing excess glucose in the form of glycogen . It occurs primarily in the cells of the liver and muscle, especially after a meal (postprandial state) when blood glucose levels are high.
- Key Enzyme: Glycogen Synthase .
- Process: 1. Glucose enters the cell and is converted to glucose-6-phosphate (G6P) . 2. G6P is converted to glucose-1-phosphate (G1P) . 3. G1P reacts with UTP to form UDP-glucose , the activated form of glucose. 4. Glycogen synthase transfers the glucose unit from UDP-glucose to the non-reducing end of a growing glycogen chain (forming an α-1,4 glycosidic bond). 5. A branching enzyme (Amylo-(1,4→1,6)-transglycosylase) creates branches, which increases glycogen’s solubility and the rate of synthesis/breakdown.
- Regulation: The hormone insulin promotes glycogenesis by activating glycogen synthase.
(ii) Glycogenolysis: Glycogenolysis is the process of breaking down stored glycogen into glucose. It occurs during fasting or exercise when the body needs glucose for energy.
- Key Enzyme: Glycogen Phosphorylase .
- Process: 1. Glycogen phosphorylase cleaves glucose units from the non-reducing ends of the glycogen chain as glucose-1-phosphate (G1P) . It acts on α-1,4 linkages. 2. This process continues until it nears a branch point. 3. A debranching enzyme has two activities: it transfers a block of glucose residues from the branch to the main chain and then cleaves the remaining glucose at the α-1,6 linkage, releasing free glucose. 4. G1P is converted to glucose-6-phosphate (G6P) . In the liver, G6P can be converted to free glucose and released into the bloodstream. In muscle, G6P enters glycolysis directly.
- Regulation: The hormones glucagon (in the liver) and epinephrine (in liver and muscle) stimulate glycogenolysis by activating glycogen phosphorylase.
Q4. (a) Describe the hormonal regulation of carbohydrate metabolism and its clinical significance. (7) (b) Give an outline of Calvin’s cycle and discuss its regulation. (7)
Ans. (a) Hormonal Regulation of Carbohydrate Metabolism and Clinical Significance: The precise hormonal regulation of carbohydrate metabolism is crucial for maintaining blood glucose levels within a narrow range. The main regulatory hormones are insulin, glucagon, and epinephrine.
1. Insulin:
- Source: β-cells of the pancreas.
- Stimulus: High blood glucose (e.g., after a meal).
- Function: It is a hypoglycemic (blood glucose-lowering) hormone.
- Increases glucose uptake in muscle and adipose tissue by promoting the translocation of glucose transporter GLUT4.
- Promotes glycolysis (for energy production).
- Stimulates glycogenesis (glucose storage) in the liver and muscle.
- Inhibits gluconeogenesis (glucose production) and glycogenolysis in the liver.
2. Glucagon:
- Source: α-cells of the pancreas.
- Stimulus: Low blood glucose (e.g., during fasting).
- Function: It is a hyperglycemic (blood glucose-raising) hormone.
- Acts primarily on the liver.
- Stimulates glycogenolysis (breakdown of glycogen).
- Promotes gluconeogenesis (production of glucose from non-carbohydrate sources).
- Inhibits glycolysis and glycogenesis.
3. Epinephrine (Adrenaline):
- Source: Adrenal medulla.
- Stimulus: Stress, fear, or exercise (“fight-or-flight” response).
- Function: It is also a hyperglycemic hormone.
- Strongly stimulates glycogenolysis in both liver and muscle to provide glucose for immediate energy.
- Promotes gluconeogenesis in the liver.
- Inhibits insulin secretion.
Clinical Significance: Disruption of this hormonal balance can lead to serious diseases.
- Diabetes Mellitus: This is the most common disorder.
- Type 1 Diabetes: Caused by an absolute deficiency of insulin production (autoimmune destruction of β-cells). This leads to persistent high blood glucose (hyperglycemia).
- Type 2 Diabetes: Caused by insulin resistance (cells do not respond properly to insulin) and a relative insulin deficiency. This also results in hyperglycemia.
Uncontrolled diabetes can lead to long-term complications such as blindness, kidney failure, and cardiovascular disease.
- Hypoglycemia: Abnormally low blood sugar. This can be caused by excessive insulin administration or certain tumors that secrete insulin. Symptoms can include dizziness, confusion, and coma.
(b) Outline of Calvin’s Cycle and its Regulation: The Calvin cycle (also known as the C3 cycle) is the set of light-independent reactions of photosynthesis that occurs in the stroma of chloroplasts in plants and other photosynthetic organisms. Its main function is to fix atmospheric CO₂ into carbohydrates, using the ATP and NADPH from the light reactions.
Outline of the Calvin Cycle: The cycle is divided into three main stages:
- Carboxylation:
- A molecule of CO₂ is combined with a 5-carbon sugar, ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) .
- This reaction is catalyzed by the enzyme RuBisCO (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase).
- The result is a transient 6-carbon intermediate that immediately breaks down into two molecules of 3-phosphoglycerate (3-PGA) .
- Reduction:
- Each molecule of 3-PGA is first phosphorylated using ATP to form 1,3-bisphosphoglycerate .
- Then, 1,3-bisphosphoglycerate is reduced to glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) using NADPH.
- G3P is a three-carbon sugar. Some of the G3P molecules exit the cycle to be used for making glucose and other carbohydrates.
- Regeneration:
- Most of the G3P molecules are used to regenerate RuBP to continue the cycle.
- This is a complex series of reactions that consumes ATP.
- For example, 5 molecules of G3P (15 carbons) regenerate 3 molecules of RuBP (15 carbons).
In total, fixing one molecule of CO₂ requires
3 ATP
and
2 NADPH
.
Regulation of the Calvin Cycle: The Calvin cycle is strictly regulated to ensure it is active only when the light reactions of photosynthesis are providing ATP and NADPH.
- Light Activation: Light activates several key Calvin cycle enzymes (e.g., RuBisCO, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase). This occurs via the ferredoxin-thioredoxin system . In the light, ferredoxin is reduced, which then reduces thioredoxin, and thioredoxin in turn activates enzymes by breaking disulfide bonds on them.
- Stromal pH and Mg²⁺ Concentration: The light reactions pump protons into the thylakoid lumen, causing the stroma’s pH to become alkaline (around 8.0). Concurrently, Mg²⁺ ions move into the stroma to balance the charge. Both high pH and high Mg²⁺ concentration are optimal for the activity of RuBisCO and other Calvin cycle enzymes.
Q5. (a) Explain in detail the digestion, absorption and transport of dietary fat. (8) (b) What are ketone bodies? Discuss their synthesis. (6)
Ans. (a) Digestion, Absorption, and Transport of Dietary Fat: Dietary fats, primarily in the form of triglycerides (TAGs) , are hydrophobic, so their digestion and absorption require a specialized process.
1. Digestion:
- Mouth and Stomach: Digestion begins with lingual lipase in the mouth and gastric lipase in the stomach. These enzymes are stable in acidic environments and hydrolyze short- and medium-chain fatty acids from TAGs, which is particularly important for the digestion of milk fat in infants.
- Small Intestine (Major Site):
- Emulsification: When chyme (acidic food from the stomach) enters the small intestine, it stimulates the secretion of the hormone cholecystokinin (CCK). CCK signals the gallbladder to release bile . Bile salts, which are made from cholesterol in the liver, are amphipathic molecules. They break down large fat globules into smaller droplets, a process called emulsification. This increases the surface area of the fat, allowing lipase enzymes to act effectively.
- Enzymatic Digestion: CCK also stimulates the pancreas to secrete digestive enzymes, including pancreatic lipase . Pancreatic lipase, aided by a protein called colipase, hydrolyzes the emulsified TAGs into 2-monoacylglycerol and two free fatty acids .
2. Absorption:
- Micelle Formation: The products of digestion (2-monoacylglycerol, free fatty acids), along with cholesterol and fat-soluble vitamins, aggregate with bile salts to form small, spherical structures called micelles .
- Entry into Enterocytes: Micelles transport the digestion products to the surface of the intestinal epithelial cells (enterocytes). From the membrane of these cells, the lipid components move into the cell by passive diffusion, while the bile salts remain in the intestine and are reabsorbed later (enterohepatic circulation).
3. Transport:
- Re-esterification: Inside the enterocyte, in the smooth endoplasmic reticulum, the fatty acids and 2-monoacylglycerol are re-synthesized back into triglycerides (TAGs) .
- Chylomicron Formation: These newly synthesized TAGs, along with cholesterol, phospholipids, and specific proteins (Apoprotein B-48), are packaged into a large lipoprotein particle called a chylomicron .
- Secretion and Transport: Chylomicrons are secreted by exocytosis from the enterocyte into the lymphatic system (lymphatics), as they are too large to enter the blood capillaries. The lymphatic vessels eventually deliver the chylomicrons into the bloodstream via the thoracic duct. In the blood, chylomicrons transport the TAGs to peripheral tissues like adipose tissue and muscle.
(b) Ketone Bodies and their Synthesis: Ketone Bodies: Ketone bodies are a group of three water-soluble compounds: acetoacetate , β-hydroxybutyrate , and acetone . They are produced from acetyl-CoA in the mitochondria of the liver. Ketone bodies are generated during conditions such as prolonged fasting, starvation, low-carbohydrate diets, or uncontrolled diabetes, when glucose availability is low and fatty acid oxidation is high. They serve as a crucial energy source for many tissues, including the brain.
Synthesis of Ketone Bodies (Ketogenesis): The process of ketogenesis occurs in the mitochondria of the liver.
- Thiolase Reaction: The process begins when levels of acetyl-CoA from β-oxidation are high. The enzyme thiolase condenses two molecules of acetyl-CoA to form acetoacetyl-CoA . 2 Acetyl-CoA ↔ Acetoacetyl-CoA + CoA-SH
- Formation of HMG-CoA: The enzyme HMG-CoA synthase condenses another acetyl-CoA molecule with acetoacetyl-CoA to form β-hydroxy-β-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) . This is the rate-limiting step of ketogenesis. Acetoacetyl-CoA + Acetyl-CoA → HMG-CoA + CoA-SH
- Formation of Acetoacetate: The enzyme HMG-CoA lyase cleaves HMG-CoA to produce acetyl-CoA and the first ketone body, acetoacetate . HMG-CoA → Acetoacetate + Acetyl-CoA
- Formation of the other Ketone Bodies:
- β-Hydroxybutyrate: Most of the acetoacetate is reduced by D-β-hydroxybutyrate dehydrogenase to β-hydroxybutyrate , using NADH. This reaction is reversible and its equilibrium depends on the mitochondrial NADH/NAD+ ratio. Acetoacetate + NADH + H⁺ ↔ β-Hydroxybutyrate + NAD⁺
- Acetone: A small amount of acetoacetate spontaneously (non-enzymatically) or by acetoacetate decarboxylase , is decarboxylated to form acetone . Acetone is a volatile compound exhaled via the breath (causing the “fruity odor” in diabetic ketoacidosis) and cannot be used as a metabolic fuel.
The liver releases acetoacetate and β-hydroxybutyrate into the bloodstream, from where they are taken up by peripheral tissues for energy.
Q6. (a) Elaborate the reactions catalysed by fatty acid synthase-I complex. (8) (b) Describe the activation and transport of fatty acids to mitochondria. (6)
Ans. (a) Reactions of the Fatty Acid Synthase-I (FAS-I) Complex: Fatty acid synthase-I (FAS-I) is a large, multi-enzyme complex found in mammals and yeast, responsible for de novo fatty acid synthesis. It exists as a dimer, with each monomer containing seven different enzymatic activities and an Acyl Carrier Protein (ACP) domain. Its primary product is Palmitate , a 16-carbon saturated fatty acid.
The process involves a cyclical, four-step sequence to build up palmitate from acetyl-CoA and malonyl-CoA.
Step 1: Loading
- Acetyl Transacylase (AT): The acetyl group of one acetyl-CoA is transferred to a cysteine residue of one of the complex’s enzymes, β-ketoacyl synthase (KS) .
- Malonyl Transacylase (MT): The malonyl group from malonyl-CoA (which is formed from acetyl-CoA by acetyl-CoA carboxylase) is transferred to the phosphopantetheine prosthetic group of the Acyl Carrier Protein (ACP) .
The complex is now primed for the first cycle.
Step 2: The Synthesis Cycle (Four-Step Sequence) This cycle is repeated until a 16-carbon chain is formed. Each cycle adds two carbons to the chain.
- Condensation:
- Catalyzed by β-ketoacyl synthase (KS) .
- The acetyl group (in the first cycle) on KS condenses with the malonyl group on ACP. The carboxyl group of the malonyl group is released as CO₂, which drives the reaction forward.
- The product is acetoacetyl-ACP , a 4-carbon molecule, attached to ACP.
- Reduction:
- Catalyzed by β-ketoacyl reductase (KR) .
- The keto group of acetoacetyl-ACP is reduced to a hydroxyl group using electrons from NADPH.
- The product is D-β-hydroxybutyryl-ACP .
- Dehydration:
- Catalyzed by β-hydroxyacyl dehydratase (DH) .
- A molecule of water is removed from D-β-hydroxybutyryl-ACP, creating a double bond between carbons 2 and 3.
- The product is crotonyl-ACP or trans -Δ²-Butenoyl-ACP.
- Reduction:
- Catalyzed by enoyl reductase (ER) .
- The double bond is saturated using a second NADPH molecule.
- The product is butyryl-ACP , a 4-carbon saturated acyl-ACP.
Repetition of the Cycle: The butyryl group is transferred from ACP to the cysteine residue of KS. A new malonyl-CoA is loaded onto ACP, and the cycle begins again, starting with condensation. After each cycle, the fatty acid chain is elongated by two carbons.
Termination: When the chain reaches 16 carbons (palmitoyl-ACP), a thioesterase (TE) activity hydrolyzes the acyl-ACP bond to release free palmitate from the FAS complex. Overall, the synthesis of palmitate requires 1 acetyl-CoA , 7 malonyl-CoA , and 14 NADPH .
(b) Activation and Transport of Fatty Acids to Mitochondria: The β-oxidation of fatty acids occurs in the mitochondrial matrix. However, long-chain fatty acids (more than 12 carbons) cannot cross the mitochondrial membranes. Therefore, they need to be activated and transported into the mitochondria before they can be oxidized.
1. Activation of Fatty Acids: This process takes place in the cytosol, on the outer mitochondrial membrane.
- Enzyme: Acyl-CoA Synthetase or fatty acid thiokinase.
- Process: It is a two-step reaction that uses the energy of ATP.
- The fatty acid reacts with ATP to form an acyl-adenylate intermediate and pyrophosphate (PPi).
- The immediate hydrolysis of PPi by inorganic pyrophosphatase drives the reaction forward.
- The thiol group of coenzyme A (CoA-SH) then attacks the acyl-adenylate, forming fatty acyl-CoA and AMP.
- Overall Reaction: Fatty Acid + CoA + ATP → Fatty Acyl-CoA + AMP + PPi
- This process consumes the equivalent of two high-energy phosphate bonds (ATP to AMP + PPi).
2. Transport into Mitochondria – The Carnitine Shuttle: The carnitine shuttle is used to carry the activated fatty acyl-CoA across the inner mitochondrial membrane.
- Step 1: On the outer mitochondrial membrane, carnitine palmitoyltransferase I (CPT-I) transfers the fatty acyl group from fatty acyl-CoA to the hydroxyl group of carnitine . This forms acyl-carnitine and releases CoA. CPT-I is the main regulatory enzyme of β-oxidation.
- Step 2: The acyl-carnitine is moved across the inner mitochondrial membrane into the matrix by a specific transporter, the carnitine-acylcarnitine translocase . This transporter acts as an antiporter, moving one acyl-carnitine in and one free carnitine out.
- Step 3: In the mitochondrial matrix, carnitine palmitoyltransferase II (CPT-II) , located on the matrix side of the inner membrane, transfers the acyl group from acyl-carnitine back to a mitochondrial CoA molecule. This regenerates fatty acyl-CoA and frees carnitine .
The free carnitine is transported back to the cytosol by the translocase to carry another fatty acyl-CoA. Now, the fatty acyl-CoA inside the mitochondrial matrix is ready to undergo β-oxidation. Short- and medium-chain fatty acids do not require this shuttle and can enter the mitochondria directly.
Q7. (a) Discuss the regulation of cholesterol biosynthesis. (7) (b) Explain in detail the synthesis of ceramide. (7)
Ans. (a) Regulation of Cholesterol Biosynthesis: Cholesterol biosynthesis is a complex and energy-intensive process, which is tightly regulated to meet the body’s needs. The main point of regulation is the rate-limiting enzyme, HMG-CoA reductase , which converts HMG-CoA to mevalonate. This enzyme is controlled at multiple levels:
1. Transcriptional Regulation:
- This is the most important level of regulation. The expression of the HMG-CoA reductase gene is controlled by Sterol Regulatory Element-Binding Proteins (SREBPs) .
- When cellular sterol (cholesterol) levels are low, SREBP-2 moves from the endoplasmic reticulum (ER) to the Golgi, where it is cleaved by proteases. Its active N-terminal domain translocates to the nucleus.
- In the nucleus, it binds to the Sterol Regulatory Element (SRE) in the promoter region of the HMG-CoA reductase and other cholesterol synthesis genes, increasing their transcription and leading to more cholesterol production.
- When sterol levels are high, SREBP remains inactive in the ER, and gene transcription is reduced.
2. Covalent Modification of the Enzyme:
- The activity of HMG-CoA reductase is controlled by phosphorylation and dephosphorylation.
- AMP-activated protein kinase (AMPK) phosphorylates the enzyme, making it inactive . AMPK is activated when cellular energy levels are low (high AMP/ATP ratio), thus shutting down the energy-consuming cholesterol synthesis.
- A phosphoprotein phosphatase dephosphorylates the enzyme, making it active . This process is promoted by insulin , signaling a fed state when energy and precursors are available. Glucagon and epinephrine have the opposite effect (promoting inactivation).
3. Degradation of the Enzyme:
- High levels of cholesterol promote the degradation of HMG-CoA reductase.
- High cholesterol levels cause a change in the enzyme’s conformation, targeting it for ubiquitination and degradation by the proteasome. This reduces the amount of the enzyme.
4. Feedback Inhibition:
- Cholesterol and its metabolic products (e.g., bile acids) can allosterically inhibit the activity of HMG-CoA reductase itself, although this is a less significant mechanism of regulation.
Clinical Relevance: Statins (e.g., atorvastatin, simvastatin) are competitive inhibitors of HMG-CoA reductase. They mimic HMG-CoA and bind to the enzyme’s active site, blocking the production of mevalonate. This reduces cholesterol synthesis in the liver, leading to lower levels of LDL (“bad”) cholesterol in the blood.
(b) Detailed Explanation of Ceramide Synthesis: Ceramide is the core structural precursor for all sphingolipids , a critical class of cell membrane lipids. It also functions as a signaling molecule that regulates cell growth, differentiation, and apoptosis (programmed cell death). The synthesis of ceramide occurs primarily in the endoplasmic reticulum (ER) .
The synthesis pathway ( De Novo Synthesis) proceeds in the following steps:
Step 1: Synthesis of 3-Ketosphinganine
- This is the first and rate-limiting step of the pathway.
- Enzyme: Serine Palmitoyltransferase (SPT) .
- Reaction: This enzyme catalyzes the condensation of one molecule of palmitoyl-CoA (a 16-carbon fatty acid) and one molecule of the amino acid serine .
- The reaction involves the decarboxylation of serine and requires pyridoxal phosphate (PLP) as a cofactor.
- The product is 3-ketosphinganine .
Palmitoyl-CoA + Serine → 3-Ketosphinganine + CO₂ + CoA-SH
Step 2: Synthesis of Sphinganine
- Enzyme: 3-Ketosphinganine Reductase .
- Reaction: The keto group of 3-ketosphinganine is reduced to a hydroxyl group using electrons from NADPH .
- The product is sphinganine , also called dihydrosphingosine.
3-Ketosphinganine + NADPH + H⁺ → Sphinganine + NADP⁺
Step 3: Synthesis of Dihydroceramide
- Enzyme: (Dihydro)ceramide Synthase (CerS) .
- Reaction: A fatty acid chain is added to the amino group of sphinganine. This fatty acid is provided by a fatty acyl-CoA .
- This is an N-acylation reaction, forming an amide bond.
- Different ceramide synthase enzymes have preferences for fatty acid chains of different lengths, leading to a variety of ceramide species.
- The product is dihydroceramide .
Sphinganine + Fatty Acyl-CoA → Dihydroceramide + CoA-SH
Step 4: Synthesis of Ceramide
- Enzyme: Dihydroceramide Desaturase .
- Reaction: A double bond ( trans double bond) is introduced between carbons 4 and 5 of the sphingoid base backbone of dihydroceramide.
- This is an oxidation reaction that requires molecular oxygen (O₂) and an electron donor (e.g., NADH).
- The final product is Ceramide .
Dihydroceramide + O₂ + electron donor → Ceramide + 2H₂O
Once formed in the ER, ceramide is transported to the Golgi apparatus, where it can be further modified into sphingomyelin or various glycosphingolipids (e.g., cerebrosides, gangliosides).
Q8. (a) Describe the metabolic processes under early fasting and fasting state. (7) (b) Discuss the disorders associated with β-oxidation of fatty acids. (7)
Ans. (a) Metabolic Processes in Early Fasting and Fasting States: The body undergoes various metabolic transitions to meet energy demands in the absence of food. These can be divided into the post-absorptive, early fasting, and fasting states.
1. Early Fasting State (Post-absorptive State): This state begins about 4-6 hours after a meal and lasts for up to ~24 hours.
- Hormonal Changes: Blood glucose levels start to fall, leading to decreased insulin secretion and increased glucagon secretion.
- Key Process: Hepatic Glycogenolysis . The main source of blood glucose maintenance in this state is the breakdown of stored glycogen in the liver. The liver breaks down glycogen to glucose-6-phosphate and then to free glucose, which is released into the bloodstream to supply glucose-dependent tissues like the brain and red blood cells.
- Onset of Gluconeogenesis: As time progresses, the liver also begins gluconeogenesis (synthesis of glucose from non-carbohydrate precursors). It uses lactate (from muscle), alanine (from muscle), and glycerol (from adipose tissue).
- Lipolysis: In adipose tissue, due to low insulin and increased glucagon/epinephrine, lipolysis (breakdown of triglycerides) begins, releasing fatty acids and glycerol into the blood.
2. Fasting State (Starvation): This state begins after about 24 hours of fasting and can last for weeks.
- Hormonal Status: Insulin levels are very low and glucagon levels are high.
- Glycogen Depletion: The liver’s glycogen stores are almost completely depleted.
- Dominant Process: Gluconeogenesis . The sole source of blood glucose maintenance is now gluconeogenesis in the liver (and later, the kidney). The substrates are primarily amino acids derived from the breakdown of muscle protein, and glycerol from lipolysis.
- High Lipolysis and Fatty Acid Oxidation: The rate of lipolysis in adipose tissue is very high. Most tissues (except the brain) switch to relying on the β-oxidation of fatty acids for energy.
- Ketogenesis: The liver produces large amounts of acetyl-CoA from β-oxidation, which exceeds the capacity of the TCA cycle. The excess acetyl-CoA is converted into ketone bodies (acetoacetate and β-hydroxybutyrate).
- Brain Adaptation: After prolonged fasting, the brain adapts to use ketone bodies as its major fuel source. This reduces the need for glucose, which helps to preserve precious muscle protein, as fewer amino acids are required for gluconeogenesis. This is a critical adaptation for survival.
(b) Disorders Associated with β-Oxidation of Fatty Acids: Fatty acid oxidation (FAO) disorders are a group of inherited metabolic diseases in which the body cannot properly use fats for energy. These disorders are typically inherited in an autosomal recessive manner and often present with a metabolic crisis during fasting or illness.
1. Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase (MCAD) Deficiency:
- Description: This is the most common FAO disorder. It is caused by a deficiency of the Medium-Chain Acyl-CoA Dehydrogenase (MCAD) enzyme, which is required for the first step of β-oxidation of fatty acids with 6 to 12 carbons.
- Biochemical Consequences: There is an accumulation of medium-chain fatty acids and their acylcarnitine derivatives. The body becomes heavily reliant on glucose for energy.
- Clinical Symptoms: During periods of fasting or illness, patients develop hypoglycemia (as glucose consumption is increased), hypoketosis (because acetyl-CoA from fatty acid oxidation is not being made), lethargy, vomiting, and liver dysfunction. If untreated, it can lead to coma or sudden death. Diagnosis is often made by newborn screening.
2. Carnitine Palmitoyltransferase (CPT) Deficiencies:
- CPT-I Deficiency: This is a rare hepatic form that prevents long-chain fatty acids from entering the mitochondria. It causes symptoms similar to MCAD deficiency, including hypoketotic hypoglycemia and liver failure.
- CPT-II Deficiency: This is more common and has three forms. The most common is the adult form, which causes muscle pain , myoglobinuria (myoglobin in urine), and rhabdomyolysis (muscle breakdown) following exercise or fasting. The infantile and neonatal forms are more severe and can cause liver failure and heart problems.
3. Jamaican Vomiting Sickness:
- Description: This is an acquired (not genetic) FAO disorder caused by eating the unripe ackee fruit.
- Mechanism: The ackee fruit contains a toxin called hypoglycin A . In the body, this toxin is converted to MCPA-CoA , which irreversibly inhibits several acyl-CoA dehydrogenase enzymes (including MCAD) .
- Symptoms: It blocks both β-oxidation and gluconeogenesis, leading to severe hypoglycemia , vomiting, seizures, coma, and often death.
Management of these disorders is primarily focused on avoiding fasting, consuming frequent, low-fat, high-carbohydrate meals, and, in specific cases, supplementation with medium-chain triglyceride (MCT) oil (in CPT deficiency) or carnitine.
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