Bioenergetics
بائیو انرجیٹکس بائیو کیمسٹری اور سیل بائیولوجی کا ایک شعبہ ہے جو جاندار نظاموں کے ذریعے توانائی کے بہاؤ سے متعلق ہے۔ یہ حیاتیاتی تحقیق کا ایک فعال شعبہ ہے جس میں جانداروں میں توانائی کی تبدیلی کا مطالعہ اور ہزاروں مختلف سیلولر عمل جیسے سیلولر ریسپریشن اور بہت سے دوسرے میٹابولک اور انزیمیٹک عمل کا مطالعہ شامل ہے جو توانائی کی پیداوار اور استعمال کا باعث بنتے ہیں جیسے کہ اڈینوسین ٹرائی فاسفیٹ (اے ٹی پی) مالیکیولز۔ یعنی بائیو اینرجیٹکس کا مقصد یہ بیان کرنا ہے کہ حیاتیاتی کام انجام دینے کے لیے جاندار کس طرح توانائی حاصل کرتے ہیں اور اسے تبدیل کرتے ہیں۔ اس طرح میٹابولک راستوں کا مطالعہ بائیو انرجیٹکس کے لیے ضروری ہے۔ بائیو اینرجیٹکس بائیو کیمسٹری کا وہ حصہ ہے جس کا تعلق حیاتیاتی حیاتیات میں پائے جانے والے مالیکیولز میں کیمیائی بندھن بنانے اور توڑنے میں شامل توانائی سے ہے۔ اس کی تعریف زندہ حیاتیات میں توانائی کے تعلقات اور توانائی کی تبدیلیوں اور منتقلی کے مطالعہ کے طور پر بھی کی جا سکتی ہے۔ مختلف قسم کے میٹابولک راستوں سے توانائی کو بروئے کار لانے کی صلاحیت تمام جانداروں کی خاصیت ہے۔ نشوونما، نشوونما، انابولزم اور کیٹابولزم حیاتیاتی حیاتیات کے مطالعہ میں کچھ مرکزی عمل ہیں، کیونکہ اس طرح کے حیاتیاتی عمل کے لیے توانائی کا کردار بنیادی ہے۔ زندگی توانائی کی تبدیلیوں پر منحصر ہے ؛ زندہ جاندار زندہ بافتوں/خلیوں اور بیرونی ماحول کے درمیان توانائی کے تبادلے کی وجہ سے زندہ رہتے ہیں۔ کچھ جاندار، جیسے آٹوٹروفس، غذائی اجزاء کو استعمال کرنے اور انہیں توڑنے کی ضرورت کے بغیر سورج کی روشنی (فوٹو سنتھیسز کے ذریعے) سے توانائی حاصل کر سکتے ہیں۔ دیگر حیاتیات، جیسے ہیٹروٹروفس، کو کھانے سے غذائی اجزاء کا استعمال کرنا چاہیے تاکہ وہ میٹابولک عمل جیسے گلائکولیسس اور سائٹرک ایسڈ سائیکل کے دوران غذائی اجزاء میں کیمیائی بندھن کو توڑ کر توانائی کو برقرار رکھ سکیں۔ اہم بات یہ ہے کہ تھرموڈینامکس کے پہلے قانون کے براہ راست نتیجے کے طور پر، آٹوٹروفس اور ہیٹروٹروفس ایک عالمگیر میٹابولک نیٹ ورک میں حصہ لیتے ہیں-آٹوٹروفس (پودوں) کو کھا کر، ہیٹروٹروفس ایسی توانائی کا استعمال کرتے ہیں جو ابتدائی طور پر فوٹو سنتھیسز کے دوران پودوں کے ذریعہ تبدیل ہوئی تھی۔ ایک زندہ جاندار میں، کیمیائی بندھن ٹوٹ جاتے ہیں اور توانائی کے تبادلے اور تبدیلی کے حصے کے طور پر بنائے جاتے ہیں۔ توانائی کام (جیسے مکینیکل کام) یا دیگر عملوں (جیسے کیمیائی ترکیب اور نشوونما میں انابولک عمل) کے لیے دستیاب ہوتی ہے، جب کمزور بند ٹوٹ جاتے ہیں اور مضبوط بند بن جاتے ہیں۔ مضبوط بندھنوں کی پیداوار قابل استعمال توانائی کی رہائی کی اجازت دیتی ہے۔ اڈینوسین ٹرائی فاسفیٹ (اے ٹی پی) حیاتیات کے لیے اہم "توانائی کی کرنسی" ہے۔ میٹابولک اور کیٹابولک عمل کا مقصد دستیاب ابتدائی مواد (ماحول سے) سے اے ٹی پی کی ترکیب کرنا، اور حیاتیاتی عمل میں اس کا استعمال کرکے اے ٹی پی (اڈینوسین ڈائی فاسفیٹ (اے ڈی پی) اور غیر نامیاتی فاسفیٹ میں) کو توڑنا ہے۔ خلیے میں اے ٹی پی اور اے ڈی پی کے ارتکاز کا تناسب خلیے کے "توانائی چارج" کے نام سے جانا جاتا ہے۔ ایک خلیہ سیلولر ضروریات کے بارے میں معلومات کو منتقل کرنے کے لیے اس توانائی چارج کا استعمال کر سکتا ہے۔ اگر اے ڈی پی سے زیادہ اے ٹی پی دستیاب ہے، تو خلیہ کام کرنے کے لیے اے ٹی پی کا استعمال کر سکتا ہے، لیکن اگر اے ٹی پی سے زیادہ اے ڈی پی دستیاب ہے، تو خلیے کو آکسیڈیٹیو فاسفوریلیشن کے ذریعے اے ٹی پی کی ترکیب کرنی چاہیے۔ زندہ جاندار آکسیڈیٹیو فاسفوریلیشن کے ذریعے توانائی کے ذرائع سے اے ٹی پی تیار کرتے ہیں۔ اے ٹی پی کے ٹرمینل فاسفیٹ بانڈز ان مضبوط بانڈز کے مقابلے میں نسبتا کمزور ہوتے ہیں جو اس وقت بنتے ہیں جب اے ٹی پی کو ہائیڈرولائز کیا جاتا ہے (پانی سے ٹوٹ جاتا ہے) اڈینوسین ڈائیفاسفیٹ اور غیر نامیاتی فاسفیٹ میں۔ یہاں یہ ہائیڈرولائسیس کی تھرموڈینامک طور پر سازگار آزاد توانائی ہے جس کے نتیجے میں توانائی خارج ہوتی ہے۔ ٹرمینل فاسفیٹ گروپ اور باقی اے ٹی پی مالیکیول کے درمیان فاسفون ہائیڈرائڈ بانڈ خود اس توانائی پر مشتمل نہیں ہوتا ہے۔ کسی جاندار کے اے ٹی پی کے ذخیرے کو خلیوں میں توانائی کو ذخیرہ کرنے کے لیے بیٹری کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ اس طرح کے مالیکیولر بانڈ کی دوبارہ ترتیب سے کیمیائی توانائی کا استعمال ہر حیاتیاتی جاندار میں حیاتیاتی عمل کو طاقت دیتا ہے۔ زندہ جاندار نامیاتی اور غیر نامیاتی مادوں سے توانائی حاصل کرتے ہیں۔ اے ٹی پی کو مختلف قسم کے بائیو کیمیکل پریکسرز سے ترکیب کیا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر، لیتھوٹروفس اے ٹی پی تیار کرنے کے لیے معدنیات جیسے نائٹریٹ یا سلفر کی شکلوں، جیسے عنصر سلفر، سلفایٹس، اور ہائیڈروجن سلفایڈ کو آکسائڈائز کر سکتے ہیں۔ فوٹو سنتھیسز میں، آٹوٹروفس ہلکی توانائی کا استعمال کرتے ہوئے اے ٹی پی تیار کرتے ہیں، جبکہ ہیٹروٹروفس کو نامیاتی مرکبات کا استعمال کرنا چاہیے، جن میں زیادہ تر کاربوہائیڈریٹ، چربی اور پروٹین شامل ہیں۔ اصل میں جاندار کے ذریعہ حاصل کردہ توانائی کی مقدار کھانے میں موجود مقدار سے کم ہوتی ہے ؛ ہاضمہ، میٹابولزم اور تھرموجینیسیس میں نقصان ہوتا ہے۔ ماحولیاتی مواد جو ایک جاندار لیتا ہے عام طور پر توانائی جاری کرنے کے لیے آکسیجن کے ساتھ ملایا جاتا ہے، حالانکہ کچھ غذائی اجزاء کو مختلف حیاتیات کے ذریعے انیروبک طور پر آکسائڈائز بھی کیا جا سکتا ہے۔ ان مادوں کا استعمال سست دہن کی ایک شکل ہے کیونکہ غذائی اجزاء کا ردعمل آکسیجن کے ساتھ ہوتا ہے (مادے اتنے آہستہ آکسائڈائز ہوتے ہیں کہ جاندار آگ پیدا نہیں کرتے)۔ آکسیکرن سے توانائی خارج ہوتی ہے، جو حرارت کے طور پر تیار ہو سکتی ہے یا جاندار دوسرے مقاصد کے لیے استعمال کر سکتا ہے، جیسے کیمیائی بندھن توڑنا۔ رد عمل کی اقسام ایکسرگونک رد عمل ایک بے ساختہ کیمیائی رد عمل ہے جو توانائی کو خارج کرتا ہے۔ یہ تھرموڈینامک طور پر پسند کیا جاتا ہے، جس کی اشاریہ بندی δG (گبز فری انرجی) کی منفی قدر سے کی جاتی ہے۔ رد عمل کے دوران، توانائی کو اندر ڈالنے کی ضرورت ہوتی ہے، اور یہ چالو کرنے والی توانائی رد عمل کو ایک مستحکم حالت سے انتہائی توانائی سے غیر مستحکم منتقلی کی حالت میں زیادہ مستحکم حالت میں لے جاتی ہے جو توانائی میں کم ہوتی ہے (دیکھیں: رد عمل کوآرڈینیٹ)۔ رد عمل عام طور پر پیچیدہ مالیکیول ہوتے ہیں جو آسان مصنوعات میں ٹوٹ جاتے ہیں۔ پورا رد عمل عام طور پر کیٹابولک ہوتا ہے۔ توانائی کا اخراج (جسے گبز فری انرجی کہا جاتا ہے) منفی ہے (یعنی۔ − ΔG) کیونکہ توانائی ری ایکٹینٹس سے مصنوعات میں خارج ہوتی ہے۔ اینڈرگونک رد عمل ایک انابولک کیمیائی رد عمل ہے جو توانائی کا استعمال کرتا ہے۔ یہ ایکسرگونک رد عمل کے برعکس ہے۔ اس میں مثبت δG ہوتا ہے کیونکہ یہ رد عمل کے بندھن کو توڑنے کے لیے مصنوعات کی پیش کردہ توانائی سے زیادہ توانائی لیتا ہے، یعنی۔ مصنوعات میں ری ایکٹینٹس کے مقابلے میں کمزور بانڈز ہوتے ہیں۔ اس طرح، اینڈرگونک رد عمل تھرموڈینامک طور پر ناموافق ہوتے ہیں۔ مزید برآں، اینڈرگونک رد عمل عام طور پر انابولک ہوتے ہیں۔ کسی تعامل میں حاصل یا ضائع ہونے والی آزاد توانایٔی کا حساب درج ذیل طریقے سے لگایا جا سکتا ہے: δG = δH − TδS جہاں δG = گبز آزاد توانایٔی، δH = اینتھالپی، T = درجہ حرارت (کیلون میں)، اور δS = اینٹروپی۔ بڑے حیاتیاتی توانائی کے عمل کی مثالیں گلائکولیسس گلوکوز کو پائروویٹ میں توڑنے کا عمل ہے، اس عمل میں اے ٹی پی کے دو مالیکیول (گلوکوز کے فی 1 مالیکیول) پیدا ہوتے ہیں۔ جب کسی خلیے میں اے ڈی پی سے زیادہ اے ٹی پی کا ارتکاز ہوتا ہے (یعنی۔ زیادہ توانائی چارج ہے)، خلیہ گلائکولیسس سے نہیں گزر سکتا، حیاتیاتی کام انجام دینے کے لیے دستیاب گلوکوز سے توانائی جاری کرتا ہے۔ پائروویٹ گلائکولیسس کی ایک پیداوار ہے، اور اسے دیگر میٹابولک راستوں (گلوکونیوجینیسیس وغیرہ) میں منتقل کیا جا سکتا ہے۔ سیل کی ضرورت کے مطابق۔ مزید برآں، گلائکولیسس این اے ڈی ایچ (نیکوٹینامائڈ اڈینائن ڈینیوکلیوٹائڈ) کی شکل میں کم کرنے والے مساوی پیدا کرتا ہے، جو بالآخر الیکٹران ٹرانسپورٹ چین میں الیکٹرانوں کا عطیہ کرنے کے لیے استعمال ہوگا۔ گلوکونیوجینیسیس گلائکولیسس کے برعکس ہے ؛ جب خلیے کا توانائی چارج کم ہوتا ہے (اے ڈی پی کا ارتکاز اے ٹی پی سے زیادہ ہوتا ہے)، تو خلیے کو کاربن پر مشتمل حیاتیاتی سالمات جیسے پروٹین، امینو ایسڈ، چربی، پائروویٹ وغیرہ سے گلوکوز کی ترکیب کرنی چاہیے۔ مثال کے طور پر، پروٹین کو امینو ایسڈ میں توڑا جا سکتا ہے، اور یہ آسان کاربن کنکال گلوکوز کی تعمیر/ترکیب کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ سائٹرک ایسڈ سائیکل سیلولر ریسپریشن کا ایک عمل ہے جس میں پائروویٹ ڈی ہائیڈروجنیز سے ترکیب شدہ ایسیٹیل کوینزیم اے، سب سے پہلے سائٹریٹ حاصل کرنے کے لیے آکسیلوسیٹیٹ کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتا ہے۔ باقی آٹھ تعاملات کاربن پر مشتمل دیگر میٹابولائٹس پیدا کرتے ہیں۔ یہ میٹابولائٹس یکے بعد دیگرے آکسائڈائز ہوتے ہیں، اور آکسیڈیشن کی آزاد توانائی کو کم شدہ کوینزیم FADH2 اور NADH کی شکل میں محفوظ کیا جاتا ہے۔ ان کم شدہ الیکٹران کیریئرز کو پھر دوبارہ آکسائڈائز کیا جا سکتا ہے جب وہ الیکٹرانوں کو الیکٹران ٹرانسپورٹ چین میں منتقل کرتے ہیں۔ کیٹوسس ایک میٹابولک عمل ہے جس کے تحت کیٹون اجسام کو خلیے کے ذریعے توانائی کے لیے استعمال کیا جاتا ہے (گلوکوز کے استعمال کے بجائے)۔ جب گلوکوز کی سطح کم ہوتی ہے تو خلیے اکثر توانائی کے ذریعہ کے طور پر کیٹوسس کی طرف مائل ہو جاتے ہیں۔ بھوک کے دوران۔ آکسیڈیٹیو فاسفوریلیشن اور الیکٹران ٹرانسپورٹ چین وہ عمل ہے جہاں کم کرنے والے مساوی جیسے این اے ڈی پی ایچ، ایف اے ڈی ایچ 2 اور این اے ڈی ایچ کو الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کمپلیکس میں ہونے والے ریڈوکس رد عمل کے سلسلے میں الیکٹرانوں کا عطیہ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ یہ ریڈوکس رد عمل مائٹوکونڈریل جھلی کے اندر واقع انزائم کمپلیکس میں ہوتے ہیں۔ یہ ریڈوکس تعاملات الیکٹرانوں کو الیکٹران ٹرانسپورٹ چین میں "نیچے" منتقل کرتے ہیں، جو پروٹون موٹیو فورس سے جڑے ہوتے ہیں۔ مائٹوکونڈریل میٹرکس اور اندرونی جھلی کی جگہ کے درمیان پروٹون کے ارتکاز میں یہ فرق اے ٹی پی سنتھس کے ذریعے اے ٹی پی کی ترکیب کو چلانے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ فوٹو سنتھیسز، ایک اور بڑا بائیو انرجیٹک عمل، پودوں کے ذریعہ استعمال ہونے والا میٹابولک راستہ ہے جس میں شمسی توانائی کو کاربن ڈائی آکسائیڈ اور پانی سے گلوکوز کی ترکیب کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ تعامل کلوروپلاسٹ میں ہوتا ہے۔ گلوکوز کی ترکیب کے بعد، پودے کا خلیہ اے ٹی پی پیدا کرنے کے لیے فوٹو فاسفوریلیشن سے گزر سکتا ہے۔ کوٹرانسپورٹ اگست 1960 میں، رابرٹ کے کرین نے پہلی بار سوڈیم گلوکوز کوٹرانسپورٹ کی اپنی دریافت کو آنتوں میں گلوکوز کے جذب کے طریقہ کار کے طور پر پیش کیا۔ کرین کی کوٹرانسپورٹ کی دریافت حیاتیات میں فلکس جوڑے کی پہلی تجویز تھی اور 20 ویں صدی میں کاربوہائیڈریٹ کے جذب سے متعلق سب سے اہم واقعہ تھا۔ کیمیوسموٹک تھیوری بائیو اینرجیٹکس کی بڑی کامیابیوں میں سے ایک پیٹر ڈی مچل کا کیمیوسموٹک تھیوری ہے کہ مائٹوکونڈریا جیسے سیل آرگنیلز میں اے ٹی پی کی پیداوار میں آبی محلول میں پروٹون کس طرح کام کرتے ہیں۔ اس کام نے مچل کو کیمسٹری کے لیے 1978 کا نوبل انعام دلایا۔ اے ٹی پی کے دیگر سیلولر ذرائع جیسے گلائکولیسس کو پہلے سمجھا گیا تھا، لیکن انزائم کی سرگرمی کو اے ٹی پی کی پیداوار سے براہ راست جوڑنے کے لیے اس طرح کے عمل زیادہ تر خلیوں میں مفید کیمیائی توانائی کا بڑا ذریعہ نہیں ہیں۔ کیمیوسموٹک جوڑا زیادہ تر خلیوں میں توانائی پیدا کرنے والا بڑا عمل ہے، جو مائٹوکونڈریا کے علاوہ کلوروپلاسٹ اور کئی واحد خلیے والے حیاتیات میں استعمال ہوتا ہے۔ توانائی کا توازن توانائی ہومیوسٹاسس توانائی کے توازن کا ہومیوسٹیٹک کنٹرول ہے-زندہ نظاموں میں خوراک کی کھپت اور توانائی کے اخراجات کے ذریعے حاصل ہونے والی توانائی کے درمیان فرق۔ بائیو اینرجیٹک سسٹمز سیلولر ریسپریشن فوٹو سنتھیسز اے ٹی پی سنتھس ایکٹو ٹرانسپورٹ میوسن ایکسرسائز فزیولوجی ٹیبل آف اسٹینڈرڈ گبز فری انرجیز حوالہ جات مزید پڑھنا جوریٹک، ڈی۔، 2021 دیکھیں۔ بائیو انرجیٹکس: زندگی اور کائنات میں ایک پل۔ سی آر سی پریس۔ بیرونی روابط مالیکیولر اینڈ سیلولر بائیو انرجیٹکس گورڈن ریسرچ کانفرنس (دیکھیں)۔ امریکن سوسائٹی آف ایکسرسائز فزیولوجسٹس بائیو کیمسٹری بائیو فزکس سیل بائیولوجی انرجی (فزکس)