Stable isotope composition of amino acids
امینو ایسڈ کی مستحکم آاسوٹوپ ساخت سے مراد کاربن (13C اور 12C)، نائٹروجن (15N اور 14N)، اور ان مالیکیولز کے اندر موجود دیگر عناصر کے بھاری اور ہلکے غیر تابکار آاسوٹوپس کی کثرت ہے۔ امینو ایسڈ پروٹین کے بلڈنگ بلاکس ہیں۔ انہیں الفا-کیٹو ایسڈ کے پیشروؤں سے ترکیب کیا جاتا ہے جو بدلے میں مرکزی میٹابولزم میں کئی مختلف راستوں کے انٹرمیڈیٹس ہوتے ہیں۔ ان متنوع ذرائع سے کاربن کنکالوں کو ٹرانسمینیشن سے پہلے مزید ترمیم کیا جاتا ہے، ایک امینو گروپ کا اضافہ جو امینو ایسڈ بائیو سنتھیسز کو مکمل کرتا ہے۔ بھاری آاسوٹوپس کے بانڈ ہلکے آاسوٹوپس کے بانڈ سے زیادہ مضبوط ہوتے ہیں، جس سے بھاری آاسوٹوپس پر مشتمل رد عمل زیادہ تر معاملات میں قدرے سست ہوتے ہیں۔ یہ رجحان، جسے حرکی آاسوٹوپ اثر کے نام سے جانا جاتا ہے، رد عمل اور مصنوعات کے درمیان آاسوٹوپک فرق کو جنم دیتا ہے جس کا پتہ آاسوٹوپ تناسب ماس سپیکٹرومیٹری کا استعمال کرتے ہوئے لگایا جا سکتا ہے۔ امینو ایسڈ مختلف، نامعلوم آاسوٹوپ اثرات پر مشتمل رد عمل کے ساتھ مختلف راستوں کے ذریعے ترکیب کیے جاتے ہیں۔ اس کی وجہ سے، امینو ایسڈ کاربن کنکالوں کا 13C مواد امینو ایسڈ کے درمیان کافی مختلف ہوتا ہے۔ ٹرانسامینشن سے وابستہ ایک آاسوٹوپ اثر بھی ہے، جو کچھ امینو ایسڈ میں 15N کی کثرت سے ظاہر ہوتا ہے۔ ان خصوصیات کی وجہ سے، امینو ایسڈ کے آاسوٹوپ ان حیاتیات کے بارے میں مفید معلومات ریکارڈ کرتے ہیں جو انہیں پیدا کرتے ہیں۔ مختلف درجہ بندی گروپوں کے درمیان میٹابولزم میں تغیرات ان کے امینو ایسڈ میں 13C افزودگی کے خصوصیت کے نمونوں کو جنم دیتے ہیں۔ اس سے کھانے کے جالوں میں کاربن کے ذرائع کی شناخت کی جا سکتی ہے۔ ٹرانسامینشن سے وابستہ آاسوٹوپ اثر بھی امینو ایسڈ نائٹروجن آاسوٹوپس کو کھانے کے جالوں کی ساخت کا مطالعہ کرنے کے لیے ایک مفید ذریعہ بناتا ہے۔ صارفین کی طرف سے بار بار ٹرانسمینیشن کے نتیجے میں 15N کی کثرت میں متوقع اضافہ ہوتا ہے کیونکہ امینو ایسڈ کو فوڈ چینز میں منتقل کیا جاتا ہے۔ یکجا، یہ ایپلی کیشنز، ماحولیات میں دوسروں کے درمیان، مستحکم آاسوٹوپس کی افادیت کو ماحولیاتی عمل کے ٹریسروں کے طور پر ظاہر کرتی ہیں جن کی براہ راست پیمائش کرنا مشکل ہے۔ رد عمل کے نیٹ ورک میں آئسوٹوپک فریکشن امینو ایسڈ کے درمیان مشاہدہ کردہ آئسوٹوپک کمپوزیشن کی وسیع رینج کی وضاحت کرنے کے لیے، اس بات پر غور کرنا ضروری ہے کہ رد عمل کے نیٹ ورک میں ابتدائی مواد، انٹرمیڈیٹس اور مصنوعات کے درمیان آئسوٹوپس کو کس طرح ترتیب دیا جاتا ہے۔ امینو ایسڈ بائیو سنتھیسز کے راستوں میں ریورسیبل اور ناقابل واپسی دونوں رد عمل ہوتے ہیں، نیز برانچ پوائنٹس بھی ہوتے ہیں جہاں ایک انٹرمیڈیٹ دو مختلف مصنوعات بنانے کے لیے رد عمل ظاہر کر سکتا ہے۔ Hayes (2001) سے اخذ کردہ درج ذیل مثالیں ان نیٹ ورک ڈھانچوں کے آاسوٹوپک نتائج کی وضاحت کرتی ہیں۔ لکیری ناقابل واپسی نیٹ ورک مندرجہ ذیل رد عمل نیٹ ورک میں، A کو ناقابل واپسی طور پر انٹرمیڈیٹ B میں تبدیل کیا جاتا ہے، جو ناقابل واپسی طور پر C کی شکل میں رد عمل ظاہر کرتا ہے۔ یہ اقدار ہر تالاب میں بھاری اور ہلکے آاسوٹوپ کے تناسب سے متعلق ہیں، اور وہ روایتی ذرائع ہیں جن کے ذریعے سائنس دان مادے کی آاسوٹوپک ساخت کا اظہار کرتے ہیں۔ اہم بات یہ ہے کہ δB خاکہ پر درج δb سے الگ ہے، کیونکہ δb B کے تالاب کے ساتھ ملنے سے پہلے A سے پیدا ہونے والی B کی آاسوٹوپک ترکیب ہے۔ تالابوں اور مصنوعات کی آاسوٹوپک ترکیبیں فریکشنشن عوامل کے ذریعے منسلک ہوتی ہیں جو ہر رد عمل سے وابستہ حرکی آاسوٹوپ اثرات (کے آئی ای) کی عکاسی کرتے ہیں۔ A → B کے لیے، δb کے لیے دوبارہ ترتیب دینے سے پتہ چلتا ہے کہ کونسا ہے۔ بہت سے معاملات میں، اور. یہ ایک عام حرکی آاسوٹوپ اثر کے مطابق ہے جس میں پروڈکٹ ری ایکٹینٹ کے مقابلے میں بھاری آاسوٹوپ میں قدرے ختم ہو جاتا ہے۔ اگر آاسوٹوپ اثر چھوٹا ہے، جیسا کہ C اور N کے لیے عام ہے، اور۔ اس سے، ہم دیکھ سکتے ہیں کہ اے سے پیدا ہونے والا پروڈکٹ ابتدائی مواد کے مقابلے میں تقریبا Â سے ختم ہو جائے گا۔ مستحکم حالت میں، پول B میں داخل ہونے والے مواد کا بڑے پیمانے پر بہاؤ پول B کو چھوڑنے والے بہاؤ کے برابر ہونا چاہیے۔ دوسرے لفظوں میں، پول میں داخل ہونے اور باہر نکلنے والے بھاری اور ہلکے آاسوٹوپس کی مقدار یکساں ہونی چاہیے۔ چونکہ پول سی سے مواد کا کوئی بہاؤ نہیں ہے، اس لیے اس کی ڈیلٹا ویلیو بھی برابر ہے۔ اس تجزیے سے پتہ چلتا ہے کہ لکیری، ناقابل واپسی رد عمل نیٹ ورک کے اختتامی پروڈکٹ میں ایک آئسوٹوپک ساخت ہوتی ہے جس کا تعین صرف ابتدائی مواد کی ساخت اور نیٹ ورک میں پہلے رد عمل کے کے آئی ای سے ہوتا ہے۔ برانچ پوائنٹس کے ساتھ نیٹ ورک برانچ پوائنٹس پر، دو یا زیادہ الگ الگ رد عمل ایک ہی رد عمل کے لیے مقابلہ کرتے ہیں۔ یہ برانچ پوائنٹ کے نیچے کی طرف تمام مصنوعات کی آئسوٹوپک ساخت کو متاثر کرتا ہے۔ اس کی وضاحت کے لیے، نیچے دیے گئے نیٹ ورک پر غور کریں: یہاں، پول B (φAB) میں مواد کا بہاؤ دو بہاؤ کے ذریعے متوازن ہوتا ہے، ایک پول C میں اور دوسرا پول D (بالترتیب φBC اور φBD) میں۔ اس نظام میں بھاری آاسوٹوپ کے لیے بڑے پیمانے پر توازن کی نمائندگی C کی فریکشنل پیداوار کے طور پر متعین fC = φBC/(φBC + φBD) = φBC/φAB سے کی جاتی ہے۔ مزید، δc ≈ δB + εc/B اور δd ≈ δB + εd/B۔ ان رلیشنز کو ماس بیلنس میں تبدیل کرنے اور δB کے لیے حل کرنے سے پتہ چلتا ہے کہ پول B کی آاسوٹوپک ساخت واضح طور پر C کی فریکشنل پیداوار پر منحصر ہے۔ چونکہ پول C یا D سے باہر کوئی بہاؤ نہیں ہوتے ہیں، δC = δc، δD = δd۔ اس طرح، ان تالابوں کی آاسوٹوپک ترکیبیں δB سے بالترتیب εc/B اور εd/B سے آفسیٹ ہوتی ہیں۔ دائیں طرف کا اعداد و شمار ان نتائج کا خلاصہ پیش کرتا ہے۔ مثال ایک ہی جاندار کے اندر امینو ایسڈ کی کاربن آاسوٹوپ ساخت میں بہت فرق ہے۔ سائانوبیکٹیریا میں، میکو اور دیگر۔ امینو ایسڈ کے درمیان δ13C اقدار میں ~ 30 کی حد کا مشاہدہ کیا۔ ایک ہی پیش رو سے پیدا ہونے والے امینو ایسڈ کی ساخت بھی وسیع پیمانے پر مختلف ہوتی تھی۔ امینو ایسڈ کاربن کنکالوں کی ترکیب کرنے والے رد عمل سے وابستہ حرکی آاسوٹوپ اثرات کے بارے میں محدود اعداد و شمار کی وجہ سے ان رجحانات کی وضاحت کرنا مشکل ہے۔ اس کے باوجود، امینو ایسڈ بائیوسنتھیس کے ذمہ دار ری ایکشن نیٹ ورکس پر اوپر کی منطق کو لاگو کرکے کچھ بصیرت حاصل کی جا سکتی ہے۔ پائروویٹ سے ترکیب شدہ امینو ایسڈ پر غور کریں۔ پائروویٹ گلائکولیسس کے دوران پیدا ہوتا ہے اور اسے ایسٹیل گروپس پیدا کرنے کے لیے پائروویٹ ڈی ہائیڈروجنیز کے ذریعے ڈیکاربکسائلیٹ کیا جا سکتا ہے۔ یہ ایسیٹیل گروپ سائٹرک ایسڈ سائیکل میں ایسیٹیل-سی او اے کے طور پر داخل ہوتے ہیں یا لپڈ کی ترکیب کے لیے استعمال کیے جا سکتے ہیں۔ اس رد عمل سے وابستہ ایک بڑا حرکی آاسوٹوپ اثر ہوتا ہے، لہذا باقی پائروویٹ پول ایسیٹیل گروپوں کے مقابلے میں 13C میں افزودہ ہو جاتا ہے۔ اس افزودہ پائروویٹ کو ایلانائن پیدا کرنے کے لیے ٹرانسامینٹ کیا جا سکتا ہے۔ میکو اور دیگر کے تجربات میں، ایلینائن کی قدر درحقیقت سائانوبیکٹیریل فوٹو سنتھیٹ سے قدرے زیادہ δ13C تھی۔ ویلائن کو پیروویٹ میں 13 سی ختم شدہ ایسیٹیل گروپ کے اضافے سے ترکیب کیا جاتا ہے۔ اس طریقہ کار کے مطابق، تکانو اور دیگر۔ اینیروبک میتھانوٹروفک آرکیا میں ایلینائن کے مقابلے میں ویلائن کو 13C میں ختم پایا گیا۔ تاہم، سائانوبیکٹیریا میں، میکو اور دیگر۔ ویلائن کے لیے ایلینائن سے زیادہ δ13C قدر کا مشاہدہ کیا۔ یہ انٹرمیڈیٹ α-ketoisovalerate پر برانچ پوائنٹ کی وجہ سے ہو سکتا ہے، جسے ویلائن پیدا کرنے کے لیے ٹرانسامینٹ کیا جا سکتا ہے یا لیوسین پیدا کرنے کے لیے مزید ایسیٹیلیٹ کیا جا سکتا ہے۔ α-ketoisovalerate میں C-2 پوزیشن پر امینو یا ایسیٹیل گروپ کے اضافے سے وابستہ مختلف آاسوٹوپ اثرات ہو سکتے ہیں۔ جیسا کہ اوپر بحث کی گئی ہے، اس برانچ پوائنٹ کے آاسوٹوپک نتائج کا انحصار لیوسین بمقابلہ ویلائن کی پیداوار کی متعلقہ شرحوں پر ہوگا۔ کوئی بھی لیوسین میں 13C کی نسبتا کمی کی بھی توقع کرے گا کیونکہ اس کی ترکیب کے لیے دوسرے آئسوٹوپک طور پر ہلکے ایسیٹیل گروپ کے اضافے کی ضرورت ہوتی ہے۔ Escherichia coli میں، لیوسین میں کاربوکسیل کاربن (ایسیٹیل-CoA سے ماخوذ) کی δ13C قدر پورے مالیکیول کے مقابلے میں تقریبا 13 ≤ کم ہوتی ہے۔ دلچسپ بات یہ ہے کہ یہی کمی فوٹو آٹوٹروفس میں نہیں دیکھی جاتی ہے۔ مزید برآں، سائانوبیکٹیریا اور یوکیریوٹک فوٹو آٹوٹروفس کے درمیان زیادہ تر امینو ایسڈ کے δ13C میں بہت کم مستقل مزاجی ہوتی ہے۔ یہ تضادات امینو ایسڈ آئسوٹوپک کمپوزیشنز کو ترتیب دینے والے میکانزم کے بارے میں ہماری سمجھ کی حدود کو ظاہر کرتے ہیں۔ قطع نظر، مختلف ٹیکسوں کے درمیان آاسوٹوپک تغیرات ماحولیات میں بڑے اثر کے لیے استعمال کیے گئے ہیں۔ ایپلی کیشنز فوڈ ویب میں غذائیت کے ذرائع کا سراغ لگانا امینو ایسڈ ماحولیاتی نظام میں ایک اہم غذائیت ہیں۔ کچھ جانوروں کے لیے ضروری ہیں، مطلب یہ ہے کہ یہ جاندار انہیں نئے سرے سے ترکیب نہیں کر سکتے۔ اس کے بجائے، جانور ان مالیکیولز کو حاصل کرنے کے لیے اپنی خوراک پر انحصار کرتے ہیں، جس سے جانوروں اور حیاتیات کے درمیان مکمل امینو ایسڈ کی ترکیب کی صلاحیتوں کے ساتھ مضبوط باہمی انحصار پیدا ہوتا ہے۔ انٹارکٹیکا کی میک مرڈو ڈرائی ویلیز میں بیکٹیریا اور آرکیا کے مطالعے میں، ان کے امینو ایسڈ کے درمیان 13C کی تقسیم ان حیاتیات کے ذریعہ استعمال ہونے والے بائیو سنتھیٹک راستوں کی عکاسی کرتی ہے۔ آٹوٹروفس اور ہیٹروٹروفس کے الگ الگ آئسوٹوپک فنگر پرنٹس تھے، جیسا کہ ایسے حیاتیات نے کیا جنہوں نے سائٹرک ایسڈ سائیکل کے متبادل کو خمیر کرنے یا ایسیٹیٹ تیار کرنے کے لیے استعمال کیا۔ پودوں، پھپھوندی اور بیکٹیریا کو ان کے امینو ایسڈ کاربن آاسوٹوپس سے بھی ممتاز کیا جا سکتا ہے۔ ضروری امینو ایسڈ کی ترکیبیں، جن میں زیادہ پیچیدہ حیاتیاتی راستے ہوتے ہیں، خاص طور پر معلوماتی ہوتے ہیں۔ ان میں سے کم از کم دو گروپوں کے درمیان لائسین، آئسولیسین، لیوسین، تھریونین، اور ویلائن سبھی میں نمایاں طور پر مختلف δ13C اقدار تھیں۔ یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ اس مطالعے میں فنگی اور بیکٹیریا امینو ایسڈ سے پاک میڈیا پر اگائے گئے تھے تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ تمام امینو ایسڈ دلچسپی کے حامل حیاتیات کے ذریعے ترکیب کیے گئے تھے۔ بیکٹیریا اور فنگی ماحول سے امینو ایسڈ کو بھی ختم کر سکتے ہیں، جس سے فیلڈ کے نمونوں سے ڈیٹا کی تشریح پیچیدہ ہو جاتی ہے۔ اس کے باوجود، محققین نے کھانے کے جالوں میں امینو ایسڈ کے ذرائع کی شناخت کے لیے ان اختلافات کو کامیابی کے ساتھ استعمال کیا ہے۔ مینگروو جنگل میں زمینی اور سمندری پروڈیوسروں کے امینو ایسڈ میں 13C افزودگی کے مختلف نمونے تھے۔ مختلف کاربن ذرائع پر مشتمل غذا کے ساتھ مرجان کی چٹان سے مچھلیوں میں بھی متغیر امینو ایسڈ δ13C اقدار تھیں۔ مزید برآں، ایک تحقیق میں صحرا کے سی 3، سی 4، اور سی اے ایم پودوں کے لیے الگ الگ امینو ایسڈ آئسوٹوپک مرکبات کا مشاہدہ کیا گیا۔ متنوع ماحولیاتی نظام میں یہ ایپلی کیشنز مرکب مخصوص امینو ایسڈ آاسوٹوپ تجزیہ کی استعداد کو اجاگر کرتی ہیں۔ فوڈ ویب میں حیاتیات کو رکھنا بایوسفیئر پر انسانی تسلط نے عالمی حیاتیاتی تنوع کو خطرے میں ڈال دیا ہے، جس کے ماحولیاتی نظام کے لیے غیر یقینی نتائج ہیں جو خوراک، صاف ہوا اور پانی، اور دیگر قیمتی ماحولیاتی نظام کی خدمات فراہم کرتے ہیں۔ ماحولیاتی نظام کے افعال پر حیاتیاتی تنوع کے نقصان کے اثرات کو سمجھنے کے لیے فوڈ ویب میں ایک ہی اور مختلف دونوں پوزیشنوں میں موجود حیاتیات کے درمیان تعاملات کے بارے میں علم کی ضرورت ہوتی ہے (یعنی۔ ٹرافک سطحیں)۔ کھانے کے جالوں میں بہت پیچیدہ ڈھانچے ہو سکتے ہیں۔ بہت سے ماحولیاتی نظاموں میں، سبزی خوروں سے زیادہ ٹرافک سطح پر موجود جاندار شکار اور پروڈیوسروں کے متغیر امتزاج کو کھاتے ہیں، جو ہر قسم کی غذا کی مختلف شکلوں کی نمائش کرتے ہیں۔ شکاری پرجاتیوں کا نقصان نچلے ٹرافک سطحوں پر تمام حیاتیات پر جھرنوں کا اثر ڈال سکتا ہے۔ زیادہ گوشت خوروں والے نیٹ ورک جو متعدد ٹرافک سطحوں پر پرجاتیوں کو استعمال کرتے ہیں ان اوپر سے نیچے کے اثرات کے لیے زیادہ لچکدار ہو سکتے ہیں۔ یہ عوامل مل کر یہ ظاہر کرتے ہیں کہ فوڈ ویب کا ڈھانچہ حیاتیاتی تنوع میں کمی کے لیے اس کی حساسیت کو متاثر کرتا ہے، جس سے فوڈ ویب اسٹڈیز کی اہمیت کو اجاگر کیا جاتا ہے۔ امینو ایسڈ آاسوٹوپ اس میدان میں استعمال ہونے والا ایک اہم آلہ ہے۔ کچھ امینو ایسڈ میں 15N کی کثرت فوڈ ویب میں کسی جاندار کی پوزیشن کی عکاسی کرتی ہے۔ یہ ان طریقوں کی وجہ سے ہے جن سے جاندار مختلف امینو ایسڈ کو میٹابولائز کرتے ہیں جب ان کا استعمال کیا جاتا ہے۔ ٹرافک امینو ایسڈ (ٹی آر اے اے) کو پہلے ڈیمینیٹ کیا جاتا ہے، جس کا مطلب ہے کہ امینو گروپ کو ہٹا کر الفا-کیٹو ایسڈ کاربن کنکال تیار کیا جاتا ہے۔ یہ تعامل سی-این بانڈ کو توڑ دیتا ہے، جس کی وجہ سے امینو ایسڈ متحرک آاسوٹوپ اثر کی وجہ سے 15 این میں زیادہ افزودہ ہو جاتا ہے۔ مثال کے طور پر، گلوٹامیٹ، ایک نمائندہ ٹر اے اے، کی δ15N قدر ہوتی ہے جو ہر ٹرافک سطح کے ساتھ 8 سے بڑھ جاتی ہے۔ اس کے برعکس، ماخذ امینو ایسڈ (ایس آر سی اے اے) کے میٹابولزم میں پہلا رد عمل ڈیمینیشن نہیں ہے۔ ایک مثال فینائلالینائن ہے، جو پہلے ٹائروسین میں تبدیل ہوتا ہے جس کے رد عمل میں کوئی سی این بانڈ نہیں ٹوٹتا ہے۔ اس طرح، ٹرافک سطحوں کے درمیان ایس آر سی اے اے کی δ15 این اقدار میں بہت کم تغیر ہے۔ اس کے بجائے ان کی آاسوٹوپک ساخت فوڈ ویب کی بنیاد پر موجود انواع سے ملتی جلتی ہے۔ اگرچہ یہ رجحانات کچھ ماحولیاتی اثرات سے متصادم ہیں، لیکن ان کا استعمال کسی جاندار کی ٹرافک پوزیشن کا اندازہ لگانے کے لیے کیا گیا ہے۔ حوالہ جات امینو ایسڈ آاسوٹوپس