Chapter 6: Bioenergetics

Bioenergetics

Home > PunjabTest.com > FSc Part 1 > Biology — all chapters > Chapter 6: Bioenergetics

اس chapter میں topics (Topics in this chapter)

  1. Bioenergetics and ATP — energy currency, 7.3 kcal, ATP-ADP cycle
  2. 6.1 Photosynthesis — equation, compensation point, light, CO2, water, 18O experiment
  3. Photosynthetic Pigments — chlorophyll a/b, accessory pigments, absorption spectrum
  4. Photosystems and Light-Dependent Reactions — PS-I/PS-II, Z-scheme, cyclic flow, chemiosmosis
  5. Light-Independent Reactions — Calvin cycle, carbon fixation, reduction, regeneration
  6. 6.2 Cellular Respiration — anaerobic vs aerobic, alcoholic and lactic fermentation
  7. Glycolysis, Pyruvic Acid Oxidation and the Krebs Cycle
  8. Electron Transport Chain, Chemiosmosis, ATP Yield and Other Fuels
  9. 6.3 Photorespiration, C-4 Photosynthesis and CAM Metabolism
  10. 📝 Official Exercise — with Answers (55 questions)
  11. 📌 Chapter Summary & Guidance
6.1 Bioenergetics and ATP — The Energy Currencyبائیو انرجیٹکس اور اے ٹی پی — توانائی کی کرنسی

🏷 Tags: bioenergetics, ATP, energy currency, adenine, ribose, phosphate bonds, 7.3 kcal

ENGLISH

Bioenergetics is the study of how energy flows through living systems. It explores the processes through which cells store and expend energy. Every living organism, from the smallest bacterium to the largest whale, is driven by energy — it fuels growth, reproduction and daily survival. But where does this energy come from, and how is it harnessed by cells?

Nearly all the energy used by living organisms on Earth comes from photosynthesis. Plants, algae and certain bacteria capture sunlight and convert it into chemical energy, forming the base of the food chain. Photosynthesis acts as an energy-capturing process, while respiration acts as an energy-releasing process — and together they help us understand the principles of bioenergetics.

ATP: The Energy Currency of Cells

Cells use a special energy currency for their reactions. This currency is actually a nucleotide called adenosine triphosphate (ATP). When cells store energy, they make ATP. When cells need energy, they break ATP. A molecule of ATP has three subunits: adenine (a nitrogen-containing base), ribose (a five-carbon sugar) and three phosphate groups.

💡 Do you know? ATP was discovered in 1929 by Karl Lohmann. In 1941, the Nobel Prize winner Fritz Lipmann proposed that ATP is the main energy-transfer molecule in the cell.

The covalent bonds between two phosphates are high-energy bonds. When one of these bonds is broken, inorganic phosphate (Pi) separates and energy is released. The breaking of one phosphate bond releases about 7.3 kcal (7,300 calories) per mole of ATP.

ATP + H2O → ADP + Pi + energy (7.3 kcal/mole)

In common energy reactions only the outer P–P high-energy bond breaks. When this happens, ATP becomes ADP (adenosine diphosphate) and one Pi is released. In some cases, ADP is further broken down to AMP (adenosine monophosphate) and Pi, again releasing 7.3 kcal/mole.

Cells get energy from the oxidation of food. They store this energy by combining ADP with Pi to form ATP. So we can summarize: ATP is made during energy-releasing processes and broken down during energy-consuming processes. In this way ATP transfers energy between metabolic reactions.

اردو

بائیو انرجیٹکس اس علم کا نام ہے جس میں یہ پڑھا جاتا ہے کہ توانائی جانداروں کے جسم میں کیسے بہتی ہے — خلیے توانائی کو کیسے ذخیرہ کرتے ہیں اور کیسے خرچ کرتے ہیں۔ چھوٹے سے چھوٹے بیکٹیریا سے لے کر بڑی سے بڑی وہیل تک، ہر جاندار توانائی سے چلتا ہے؛ یہی توانائی نشوونما، تولید اور روزمرہ زندگی کو ممکن بناتی ہے۔

زمین پر جانداروں کی تقریباً تمام توانائی فوٹو سنتھیسز سے آتی ہے۔ پودے، الجی اور بعض بیکٹیریا سورج کی روشنی پکڑ کر اسے کیمیائی توانائی میں بدلتے ہیں، اور یہی خوراک کی زنجیر کی بنیاد ہے۔ فوٹو سنتھیسز توانائی پکڑنے کا عمل ہے جبکہ ریسپائریشن توانائی خارج کرنے کا عمل ہے — اور دونوں مل کر بائیو انرجیٹکس کے اصول سمجھاتے ہیں۔

اے ٹی پی: خلیوں کی توانائی کی کرنسی

خلیے اپنے تعاملات کے لیے ایک خاص توانائی کی کرنسی استعمال کرتے ہیں۔ یہ کرنسی دراصل ایک نیوکلیوٹائیڈ ہے جسے اڈینوسین ٹرائی فاسفیٹ (ATP) کہتے ہیں۔ جب خلیے توانائی ذخیرہ کرتے ہیں تو ATP بناتے ہیں، اور جب توانائی چاہیے ہو تو ATP توڑتے ہیں۔ ATP کے مالیکیول کے تین حصے ہیں: اڈینین (نائٹروجن والا بیس)، رائبوز (پانچ کاربن والی شوگر) اور تین فاسفیٹ گروپس۔

💡 کیا آپ جانتے ہیں؟ ATP 1929 میں کارل لوہمن نے دریافت کیا۔ 1941 میں نوبل انعام یافتہ فرٹز لپمین نے تجویز کیا کہ ATP خلیے میں توانائی منتقل کرنے والا اصل مالیکیول ہے۔

دو فاسفیٹس کے درمیان کوویلنٹ بانڈز ہائی انرجی بانڈز کہلاتے ہیں۔ جب ان میں سے ایک بانڈ ٹوٹتا ہے تو غیر نامیاتی فاسفیٹ (Pi) الگ ہوتا ہے اور توانائی خارج ہوتی ہے۔ ایک فاسفیٹ بانڈ ٹوٹنے سے تقریباً 7.3 کلو کیلوری (7300 کیلوری) فی مول ATP توانائی ملتی ہے۔

ATP + H2O → ADP + Pi + توانائی (7.3 kcal/mole)

عام توانائی کے تعاملات میں صرف باہر والا P–P ہائی انرجی بانڈ ٹوٹتا ہے، جس سے ATP، ADP (اڈینوسین ڈائی فاسفیٹ) بن جاتا ہے اور ایک Pi خارج ہوتا ہے۔ بعض صورتوں میں ADP مزید ٹوٹ کر AMP (اڈینوسین مونو فاسفیٹ) اور Pi بناتا ہے، جس سے پھر 7.3 kcal/mole توانائی ملتی ہے۔

خلیے خوراک کے آکسیڈیشن سے توانائی حاصل کرتے ہیں اور ADP کے ساتھ Pi ملا کر ATP بنا کر اسے ذخیرہ کرتے ہیں۔ خلاصہ یہ ہے کہ ATP توانائی خارج کرنے والے عمل میں بنتا ہے اور توانائی خرچ کرنے والے عمل میں ٹوٹتا ہے — اسی طرح ATP میٹابولک تعاملات کے درمیان توانائی منتقل کرتا ہے۔

ATP ⇄ ADP Cycle — Energy Currency ATP3 phosphates ADP + Pi2 phosphates Energy released (7.3 kcal) Energy from food stored
ATP ⇄ ADP Cycle samjho: جب cell کو energy چاہیے تو ATP کا باہر والا phosphate bond ٹوٹ تا ہے — ADP + Pi بنتا ہے اور 7.3 kcal energy ملتی ہے. جب کھانا oxidize ہوتا ہے تو یہ energy واپس ADP + Pi میں ڈال کر ATP بنا لی جاتی ہے. اسی cycle سے cell ہر کام کے لیے energy لیتا اور دیتا رہتا ہے.
6.1 Photosynthesis — Equation, Light, CO2 and Water6.1 فوٹو سنتھیسز — مساوات، روشنی، کاربن ڈائی آکسائیڈ اور پانی

🏷 Tags: photosynthesis equation, compensation point, action spectrum, Engelmann, Van Niel, 18O experiment, NADPH

ENGLISH

Photosynthesis involves the use of light energy that is absorbed and converted into chemical energy by photosynthetic pigments. Photosynthesis in plants can be summarized as:

6CO2 + 12H2O + Light → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Carbon dioxide, water and light are the reactants while glucose and oxygen are the products. Water appears on both sides of the equation because water is used as reactant in some reactions and released as product in others. However, there is no net yield of water.

📌 Recalling: Photosynthesis is the process in which the energy-poor inorganic compounds of carbon (i.e., CO2) are reduced to energy-rich carbohydrates.

Compensation Point

Photosynthesis uses the products of photosynthesis and respiration uses the products of photosynthesis. Photosynthesis occurs only during day time but respiration goes on day and night. During darkness, leaves and other parts respire and utilize oxygen and release carbon dioxide. At dawn and dusk, when the light intensity is low, the rate of photosynthesis and respiration may be equal — then the oxygen released from photosynthesis is just equal to the amount required for cellular respiration, and the carbon dioxide released by respiration is just equal to the amount required for photosynthesizing cells. At this moment there is no net gas exchange between leaves and atmosphere. This is termed as compensation point. At noon, when light intensity increases, the rate of photosynthesis also increases. At this time, there is more requirement of carbon dioxide. Respiration alone cannot supply this carbon dioxide. Similarly, the oxygen produced during photosynthesis is more than the need of the respiring cells. So, the result is the net release of oxygen coupled with the uptake of carbon dioxide.

Role of Light

Light plays a crucial role in photosynthesis, providing the energy required to drive the chemical reactions that transform simple molecules into complex organic compounds. Light energy is absorbed by chlorophyll. The absorbed light energy is converted into chemical energy, which is in turn stored in organic compounds in the form of C–H bond energy.

💡 Do you know? Plants convert only about 1–2% of the solar energy they receive into chemical energy during photosynthesis. Despite this seemingly low efficiency, this conversion is enough to sustain almost all life on Earth.

Action Spectrum

Photosynthetic pigments absorb different wavelengths of light at different rates. Moreover, the different wavelengths are also differently effective in photosynthesis. The effectiveness of different wavelengths of light is determined in terms of action spectrum. For getting spectrum of light, a plant is illuminated with different colours of light one by one. While providing each colour, the rate of photosynthesis is measured by measuring the amount of oxygen emitted from leaves. The data is plotted in a graph called action spectrum. The first action spectrum was made by a German biologist, T. W. Engelmann in 1883. He worked on the photosynthetic pigments of Spirogyra. When the cells of a filament of Spirogyra were illuminated with different wavelengths of light, maximum photosynthesis occurred in the cells which received blue and red spectrum of light and so maximum oxygen was emitted from these cells.

Role of Carbon Dioxide

Sugar is formed by the reduction of CO2 by using ATP and NADPH. In this way, CO2 acts as the source of carbon for making sugars. Carbon dioxide enters the leaves through stomata and gets dissolved in water absorbed by the cell walls of mesophyll cells. Stomata are found in large numbers in leaves. The entry of CO2 into the leaves is dependent upon the opening of stomata.

💡 Do you know? About 10% of total photosynthesis is carried out by terrestrial plants, the rest occurs in oceans, lakes and ponds. Aquatic photosynthetic organisms use dissolved CO2, bicarbonates and soluble carbonates as carbon source. Land plants use atmospheric CO2 as carbon source.

Role of Water

Water is the source of hydrogen, for the reduction of CO2 during photosynthesis. Oxygen released during photosynthesis comes from water, and so water is an important source of atmospheric oxygen which most organisms need for aerobic respiration and thus for obtaining energy to live.

In 1930s, Van Niel hypothesized that plant splits water as a source of hydrogen, releasing oxygen as a by-product. Neil's hypothesis was later confirmed by scientists during 1940s. An experiment was conducted in which isotopic tracer (18O) of oxygen was used. In laboratory, scientists prepared water with heavy-oxygen i.e., H218O. They also prepared carbon dioxide with heavy oxygen i.e., C18O2. Experimental green plants in one group were given water H218O and normal carbon dioxide i.e., C16O2. Plants in the second group were given C18O2 and normal water i.e., H216O. Both plants were given an environment to conduct photosynthesis. Oxygen released during photosynthesis of both plants was collected and tested. It was found that plants of first group produced 18O but the plants of second group produced normal oxygen (16O).

In photosynthesis water is split to release hydrogen. This hydrogen reduces the coenzyme nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) to NADPH. The reduced coenzyme i.e., NADPH serves as the "reducing power" for the reduction of CO2 to form sugar.

اردو

فوٹو سنتھیسز میں روشنی کی توانائی استعمال ہوتی ہے جو فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس کے ذریعے جذب ہو کر کیمیائی توانائی میں بدل جاتی ہے۔ پودوں میں فوٹو سنتھیسز کا خلاصہ یوں ہے:

6CO2 + 12H2O + روشنی → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

کاربن ڈائی آکسائیڈ، پانی اور روشنی ری ایکٹنٹس ہیں جبکہ گلوکوز اور آکسیجن پراڈکٹس ہیں۔ پانی مساوات کے دونوں طرف آتا ہے کیونکہ بعض تعاملات میں پانی ری ایکٹنٹ کے طور پر استعمال ہوتا ہے اور بعض میں پراڈکٹ کے طور پر خارج ہوتا ہے — لیکن پانی کی کوئی خالص پیداوار نہیں ہوتی۔

📌 یاد رکھیں: فوٹو سنتھیسز وہ عمل ہے جس میں کاربن کے توانائی سے خالی غیر نامیاتی مرکبات (یعنی CO2) کو توانائی سے بھرپور کاربوہائیڈریٹس میں تبدیل کیا جاتا ہے۔

کمپنسیشن پوائنٹ

فوٹو سنتھیسز صرف دن کے وقت ہوتی ہے لیکن ریسپائریشن دن رات جاری رہتی ہے۔ اندھیرے میں پتے اور دوسرے حصے ریسپائر کرتے ہیں، آکسیجن استعمال کرتے ہیں اور کاربن ڈائی آکسائیڈ خارج کرتے ہیں۔ صبح اور شام جب روشنی کم ہوتی ہے تو فوٹو سنتھیسز اور ریسپائریشن کی رفتار برابر ہو سکتی ہے — تب فوٹو سنتھیسز سے خارج ہونے والی آکسیجن بالکل اتنی ہوتی ہے جتنی سیلولر ریسپائریشن کو چاہیے، اور ریسپائریشن سے خارج ہونے والی کاربن ڈائی آکسائیڈ بالکل اتنی ہوتی ہے جتنی فوٹو سنتھیسز کرنے والے خلیوں کو چاہیے۔ اس وقت پتوں اور ہوا کے درمیان گیسوں کا کوئی خالص تبادلہ نہیں ہوتا۔ اسے کمپنسیشن پوائنٹ کہتے ہیں۔ دوپہر کو جب روشنی زیادہ ہوتی ہے تو فوٹو سنتھیسز کی رفتار بھی بڑھ جاتی ہے، کاربن ڈائی آکسائیڈ کی ضرورت زیادہ ہو جاتی ہے جو ریسپائریشن اکیلی پوری نہیں کر سکتی، اور آکسیجن کی پیداوار ریسپائر کرنے والے خلیوں کی ضرورت سے زیادہ ہو جاتی ہے — نتیجہ آکسیجن کا خالص اخراج اور کاربن ڈائی آکسائیڈ کا جذب ہوتا ہے۔

روشنی کا کردار

فوٹو سنتھیسز میں روشنی بہت اہم کردار ادا کرتی ہے — یہ وہ توانائی دیتی ہے جو سادہ مالیکیولز کو پیچیدہ نامیاتی مرکبات میں بدلنے والے کیمیائی تعاملات کو چلاتی ہے۔ روشنی کی توانائی کلوروفل جذب کرتا ہے، یہ کیمیائی توانائی میں بدل جاتی ہے اور پھر نامیاتی مرکبات میں C–H بانڈ کی توانائی کی صورت میں ذخیرہ ہو جاتی ہے۔

💡 کیا آپ جانتے ہیں؟ پودے سورج کی صرف تقریباً 1–2 فیصد توانائی کو فوٹو سنتھیسز میں کیمیائی توانائی میں بدلتے ہیں۔ بظاہر کم نظر آنے والی یہ کارکردگی زمین پر تقریباً تمام زندگی کو قائم رکھنے کے لیے کافی ہے۔

ایکشن سپیکٹرم

فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس روشنی کی مختلف ویولینتھس کو مختلف رفتار سے جذب کرتے ہیں، اور مختلف ویولینتھس فوٹو سنتھیسز میں مختلف حد تک مؤثر ہوتی ہیں۔ روشنی کی ویولینتھس کی مؤثریت کو ایکشن سپیکٹرم کی صورت میں ناپا جاتا ہے۔ اس کے لیے پودے کو باری باری مختلف رنگوں کی روشنی دی جاتی ہے اور ہر رنگ کے دوران پتوں سے خارج ہونے والی آکسیجن کی مقدار سے فوٹو سنتھیسز کی رفتار ناپی جاتی ہے۔ اس ڈیٹا کو گراف میں دکھایا جاتا ہے جسے ایکشن سپیکٹرم کہتے ہیں۔ پہلا ایکشن سپیکٹرم جرمن ماہر حیاتیات ٹی۔ ڈبلیو۔ اینگل مین نے 1883 میں بنایا۔ انہوں نے اسپائروگائرا کے فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس پر کام کیا۔ جب اسپائروگائرا کے فلامنٹ کے خلیوں کو مختلف ویولینتھس کی روشنی دی گئی تو نیلی اور سرخ روشنی پانے والے خلیوں میں سب سے زیادہ فوٹو سنتھیسز ہوئی اور انہی خلیوں سے سب سے زیادہ آکسیجن خارج ہوئی۔

کاربن ڈائی آکسائیڈ کا کردار

شوگر CO2 کی ریڈکشن سے بنتی ہے جس میں ATP اور NADPH استعمال ہوتے ہیں — اس طرح CO2 شوگر بنانے کے لیے کاربن کا ذریعہ ہے۔ کاربن ڈائی آکسائیڈ پتوں میں سٹومیٹا کے ذریعے داخل ہوتی ہے اور میزوفل خلیوں کی دیواروں میں جذب شدہ پانی میں حل ہو جاتی ہے۔ پتوں میں سٹومیٹا بڑی تعداد میں ہوتے ہیں، اور CO2 کا پتوں میں داخلہ سٹومیٹا کے کھلنے پر منحصر ہے۔

💡 کیا آپ جانتے ہیں؟ کل فوٹو سنتھیسز کا تقریباً 10 فیصد زمینی پودے کرتے ہیں، باقی سمندروں، جھیلوں اور تالابوں میں ہوتی ہے۔ آبی فوٹو سنتھیٹک جاندار حل شدہ CO2، بائی کاربونیٹس اور حل پذیر کاربونیٹس کو کاربن کا ذریعہ بناتے ہیں؛ زمینی پودے ہوا کی CO2 استعمال کرتے ہیں۔

پانی کا کردار

فوٹو سنتھیسز کے دوران CO2 کی ریڈکشن کے لیے ہائیڈروجن کا ذریعہ پانی ہے۔ فوٹو سنتھیسز میں خارج ہونے والی آکسیجن پانی سے آتی ہے، اس لیے پانی ہوا کی آکسیجن کا اہم ذریعہ ہے جس کی زیادہ تر جانداروں کو ایروبک ریسپائریشن اور زندہ رہنے کے لیے توانائی حاصل کرنے میں ضرورت ہوتی ہے۔

1930 کی دہائی میں وین نیل نے مفروضہ پیش کیا کہ پودا پانی کو ہائیڈروجن کے ذریعے کے طور پر توڑتا ہے اور آکسیجن بائی پراڈکٹ کے طور پر خارج ہوتی ہے۔ 1940 کی دہائی میں سائنسدانوں نے اس مفروضے کی تصدیق کی۔ ایک تجربے میں آکسیجن کا آئسوٹوپک ٹریسر (18O) استعمال کیا گیا۔ لیبارٹری میں سائنسدانوں نے بھاری آکسیجن والا پانی یعنی H218O تیار کیا اور بھاری آکسیجن والی کاربن ڈائی آکسائیڈ یعنی C18O2 بھی تیار کی۔ ایک گروپ کے سبز پودوں کو H218O والا پانی اور عام C16O2 دی گئی، دوسرے گروپ کو C18O2 اور عام H216O والا پانی دیا گیا۔ دونوں گروپوں کو فوٹو سنتھیسز کا ماحول دیا گیا اور خارج ہونے والی آکسیجن کو جمع کر کے ٹیسٹ کیا گیا۔ پہلے گروپ نے 18O خارج کی جبکہ دوسرے گروپ نے عام آکسیجن (16O) خارج کی — اس سے ثابت ہوا کہ خارج ہونے والی آکسیجن پانی سے آتی ہے، CO2 سے نہیں۔

فوٹو سنتھیسز میں پانی ٹوٹ کر ہائیڈروجن خارج کرتا ہے۔ یہ ہائیڈروجن کو انزائم نیکوٹینامائیڈ اڈینین ڈائی نیوکلیوٹائیڈ فاسفیٹ (NADP) کو NADPH میں بدلتی ہے۔ یہ ریڈیوسڈ کو انزائم یعنی NADPH، CO2 کی ریڈکشن کر کے شوگر بنانے کے لیے "ریڈیوسنگ پاور" کا کام کرتا ہے۔

Photosynthesis at a Glance ☀ Leaf (chloroplast) 6CO₂ + 12H₂O + Light → Glucose + 6O₂ + 6H₂O CO₂ in (stomata) Sugar stored (C–H bonds) O₂ out (from water)
Photosynthesis کا خلاصہ سمجھو: پتہ سوراج کی روشنی, ہوا سے CO₂ اور جڑوں سے پانی لیتا ہے. روشنی کی energy سے CO₂ reduce ہو کر glucose (sugar) بنتی ہے جس میں energy C–H bonds میں save ہو جاتی ہے, اور پانی کے ٹوٹنے سے oxygen باہر نکلتی ہے — یہی oxygen ہم سانس میں لیتے ہیں.
Photosynthetic Pigments — Chlorophylls and Accessory Pigmentsفوٹو سنتھیٹک پگمنٹس — کلوروفلز اور معاون پگمنٹس

🏷 Tags: chlorophyll a, chlorophyll b, carotenoids, xanthophylls, phycobilins, porphyrin ring, magnesium, absorption spectrum, 430 nm, 670 nm

ENGLISH

Role of Photosynthetic Pigments

Photosynthetic pigments are present in thylakoid membranes. These pigments capture light necessary for photosynthesis. So, the pigments are chlorophyll a, chlorophyll b, xanthophylls, carotenes. Different pigments absorb light of different wavelengths (colours). Light behaves like a stream of particles called photons. Pigment molecules absorb one photon at a time. When a pigment molecule absorbs a photon, its electrons move to higher energy level. So, it becomes energy-rich or excited.

📌 Note: Short wavelength photons (blue) have a higher energy than long wavelength photons (red). More energetic photons (shorter wavelength) promote electrons to higher energy levels.

Chlorophylls

Chlorophyll is a lipid molecule. Chlorophylls are of different kinds. Chlorophyll a, b, c and d are found in plants and algae, while the others are found in photosynthetic bacteria and are known as bacteriochlorophylls.

A molecule of chlorophyll consists of two parts i.e., a hydrophilic head and a hydrophobic tail. The head is made of a porphyrin ring, which further consists of four pyrrole rings (5-sided N-containing compounds). The four pyrrole rings are held together by a magnesium atom in the centre. In chlorophyll-a, the second pyrrole ring has methyl (CH3) group while in chlorophyll-b, it has aldehyde (CHO) group at the same spot. The porphyrin ring of chlorophyll absorbs light. The tail is made of long hydrocarbon chain. It anchors the molecule in the thylakoid membrane.

Chlorophylls absorb mainly violet-blue and orange-red wavelengths of light. Green wavelengths are least absorbed by chlorophylls and are transmitted or reflected.

💡 Do you know? Carotenoids, such as beta-carotene, play dual role in photosynthesis. They capture light energy in the blue and green regions of the spectrum and protect the photosynthetic apparatus from damage by excess light.

Accessory Pigments

Accessory pigments include all the pigments, other than chlorophyll-a, which can gather light for photosynthesis. Chlorophyll b is an accessory pigment and others are carotenoids (carotenes and xanthophylls) and phycobilins. Chlorophyll b and carotenoids are found in plants while phycobilins are found in the red algae and cyanobacteria.

When accessory pigments absorb light, they pass on the energy towards chlorophyll a. It is generally believed that the order of transfer of energy in plants is:

Carotenoids → Chlorophyll b → Chlorophyll a

Absorption Spectrum

A graph showing different wavelengths absorbed by a pigment, is called absorption spectrum of the pigment. Absorption spectrum of chlorophylls indicates that absorption of blue light (430 nm) and red light (670 nm) is maximum. Absorption peaks of carotenoids are different from those of chlorophylls (Fig 6.5-a). Action spectrum of photosynthesis also shows that blue and red parts lights are the most effective. This means that the action spectrum of photosynthesis coincides with the absorption spectrum of photosynthetic pigments.

📌 Note: Some wavelengths not absorbed by chlorophyll-a are very effectively absorbed by chlorophyll-b and vice versa. Such differences increase range of light absorbed by both chlorophylls.
اردو

فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس کا کردار

فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس تھائلاکائیڈ جھلیوں میں موجود ہوتے ہیں۔ یہ پگمنٹس فوٹو سنتھیسز کے لیے ضروری روشنی پکڑتے ہیں۔ یہ پگمنٹس کلوروفل a، کلوروفل b، زینتھوفلز اور کیروٹینز ہیں۔ مختلف پگمنٹس روشنی کی مختلف ویولینتھس (رنگوں) کو جذب کرتے ہیں۔ روشنی ذرات کے دھارے کی طرح برتاؤ کرتی ہے جنہیں فوٹونز کہتے ہیں۔ پگمنٹ کا مالیکیول ایک وقت میں ایک فوٹون جذب کرتا ہے۔ جب پگمنٹ کا مالیکیول فوٹون جذب کرتا ہے تو اس کے الیکٹرانز اونچی انرجی لیول پر چلے جاتے ہیں — یعنی مالیکیول انرجی سے بھرپور یا excited ہو جاتا ہے۔

📌 نوٹ: چھوٹی ویولینتھ والے فوٹونز (نیلے) کی توانائی لمبی ویولینتھ والے فوٹونز (سرخ) سے زیادہ ہوتی ہے۔ زیادہ توانائی والے فوٹونز الیکٹرانز کو اونچی انرجی لیول پر لے جاتے ہیں۔

کلوروفلز

کلوروفل ایک لپڈ مالیکیول ہے۔ کلوروفلز کئی قسم کے ہوتے ہیں۔ کلوروفل a، b، c اور d پودوں اور الجی میں پائے جاتے ہیں، جبکہ دوسرے فوٹو سنتھیٹک بیکٹیریا میں پائے جاتے ہیں اور بیکٹیریوکلوروفلز کہلاتے ہیں۔

کلوروفل کا مالیکیول دو حصوں پر مشتمل ہوتا ہے: ہائیڈروفیلک سر (head) اور ہائیڈروفوبک دم (tail)۔ سر پورفائرن رنگ سے بنا ہوتا ہے جو چار پائرول رنگز (پانچ کونوں والے نائٹروجن والے مرکبات) پر مشتمل ہوتا ہے۔ چاروں پائرول رنگز درمیان میں ایک میگنیشیم ایٹم سے جڑے ہوتے ہیں۔ کلوروفل-a میں دوسری پائرول رنگ پر میتھائل (CH3) گروپ ہوتا ہے جبکہ کلوروفل-b میں اسی جگہ ایلڈیہائیڈ (CHO) گروپ ہوتا ہے۔ کلوروفل کا پورفائرن رنگ روشنی جذب کرتا ہے۔ دم لمبی ہائیڈروکاربن زنجیر سے بنی ہوتی ہے جو مالیکیول کو تھائلاکائیڈ جھلی میں لنگر انداز رکھتی ہے۔

کلوروفلز بنیادی طور پر وائلٹ-نیلی اور اورنج-سرخ ویولینتھس کی روشنی جذب کرتے ہیں۔ سبز ویولینتھ سب سے کم جذب ہوتی ہے اور منتقل یا منعکس ہو جاتی ہے — اسی لیے پتے سبز نظر آتے ہیں۔

💡 کیا آپ جانتے ہیں؟ کیروٹینائیڈز، جیسے بیٹا کیروٹین، فوٹو سنتھیسز میں دوہرا کردار ادا کرتے ہیں: وہ سپیکٹرم کے نیلے اور سبز حصے کی روشنی کی توانائی پکڑتے ہیں اور فوٹو سنتھیٹک نظام کو زیادہ روشنی کے نقصان سے بچاتے ہیں۔

معاون پگمنٹس

معاون پگمنٹس میں کلوروفل-a کے علاوہ وہ تمام پگمنٹس شامل ہیں جو فوٹو سنتھیسز کے لیے روشنی اکٹھی کر سکتے ہیں۔ کلوروفل b ایک معاون پگمنٹ ہے، باقی کیروٹینائیڈز (کیروٹینز اور زینتھوفلز) اور فائکوبائلنز ہیں۔ کلوروفل b اور کیروٹینائیڈز پودوں میں پائے جاتے ہیں جبکہ فائکوبائلنز سرخ الجی اور سائنوبیکٹیریا میں پائے جاتے ہیں۔

جب معاون پگمنٹس روشنی جذب کرتے ہیں تو وہ توانائی کلوروفل a کی طرف منتقل کرتے ہیں۔ عام طور پر پودوں میں توانائی کی منتقلی کی ترتیب یہ مانی جاتی ہے:

کیروٹینائیڈز → کلوروفل b → کلوروفل a

ایبزارپشن سپیکٹرم

کسی پگمنٹ کے ذریعے جذب ہونے والی مختلف ویولینتھس کو دکھانے والا گراف اس پگمنٹ کا ایبزارپشن سپیکٹرم کہلاتا ہے۔ کلوروفلز کا ایبزارپشن سپیکٹرم بتاتا ہے کہ نیلی روشنی (430 nm) اور سرخ روشنی (670 nm) کا جذب سب سے زیادہ ہوتا ہے۔ کیروٹینائیڈز کے جذب کے عروج (peaks) کلوروفلز سے مختلف ہوتے ہیں۔ فوٹو سنتھیسز کا ایکشن سپیکٹرم بھی بتاتا ہے کہ نیلا اور سرخ حصہ سب سے زیادہ مؤثر ہے — یعنی فوٹو سنتھیسز کا ایکشن سپیکٹرم فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس کے ایبزارپشن سپیکٹرم سے مطابقت رکھتا ہے۔

📌 نوٹ: بعض ویولینتھس جو کلوروفل-a جذب نہیں کرتا، کلوروفل-b انہیں بہت مؤثر طریقے سے جذب کرتا ہے اور اس کے برعکس بھی۔ یہ فرق دونوں کلوروفلز کے ذریعے جذب ہونے والی روشنی کی حد کو بڑھا دیتا ہے۔
Absorption Spectrum — Chlorophylls Blue (430 nm) — peak Red (670 nm) — peak Green — least absorbed (reflected)
Absorption spectrum samjho: Graph میں دو اونچی چوٹیاں نظر آتی ہیں — نیلی روشنی (430 nm) اور سرخ روشنی (670 nm) سب سے زیادہ absorb ہوتی ہیں. بیچ میں سبز روشنی سب سے کم absorb ہوتی ہے, اسی لیے سبز روشنی واپس reflect ہو کر پتے کو سبز دکھاتی ہے. Action spectrum بھی یہی بتاتا ہے کہ نیلی اور سرخ روشنی photosynthesis کے لیے سب سے زیادہ effective ہے.
Photosystems and Light-Dependent Reactions — Z-Scheme and Chemiosmosisفوٹو سسٹمز اور روشنی پر منحصر تعاملات — زی اسکیم اور کیمیوسموسز

🏷 Tags: photosystem I, photosystem II, P700, P680, antenna complex, reaction centre, photolysis, Z-scheme, cyclic photophosphorylation, chemiosmosis, ATP synthase

ENGLISH

Organization of Photosynthetic Pigments (Photosystems)

For efficient absorption and utilization of solar energy, photosynthetic pigments are organized into clusters, called photosystems. These photosystems are embedded in thylakoid membranes of chloroplasts.

Photosystems contain photosynthetic pigments and the carriers of electron transport chain. Each photosystem consists of a light gathering 'antenna complex' and a 'reaction centre'. Antenna complex has many pigment molecules which capture light energy and pass the excitation (in the form of high-energy electrons) to the reaction centre. The reaction centre has one or more molecules of chlorophyll-a, which pass the high-energy electrons to a primary electron acceptor. The electron acceptor passes them on to the series of electron carriers, collectively called electron transport chain.

In chloroplast, there are two photosystems, photosystem-I (PS-I) and photosystem-II (PS-II). These are named so in order of their discovery. PS-I has P700 chlorophyll-a molecule in its reaction centre and it absorbs maximum light of 700 nm. The reaction centre of PS-II has P680 chlorophyll-a, which absorbs best the light of 680 nm.

Mechanism of Photosynthesis

Photosynthesis is a redox (oxidation-reduction) process. As indicated by the photosynthesis equation below, when water molecules are split apart, they are actually oxidized (they lose electrons and hydrogen ions) and yield oxygen. Meanwhile, CO2 is reduced to sugar as electrons and hydrogen ions are added to it. In this way oxidation and reduction go hand in hand.

6CO2 + 12H2O + light → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O (Reduction on top, Oxidation below)

However, it is not a simple, single-step process. Rather, it is a complex metabolic pathway consisting of a series of reactions. The light-dependent reactions take place on the thylakoid membranes of the grana while the light-independent reactions take place in the stroma of the chloroplasts.

1- Light-Dependent Reactions

The key events in the light-dependent reactions of photosynthesis are (1) the absorption of light energy by photosynthetic pigments, (2) the excitation of electrons by that energy, and (3) the formation of ATP and NADPH.

The formation of ATP is the most important step of light-dependent reactions. It is called photophosphorylation. This process is either non-cyclic photophosphorylation or cyclic photophosphorylation.

a)- Non-Cyclic Photophosphorylation

It is the usual way of the production of ATPs during light-dependent reactions. In non-cyclic pathway, both photosystems i.e., PS-I and PS-II participate and two electron chains are involved. It happens in the following way.

1- Absorption of light by PS-II: When light falls on PS-II, the energy level of chlorophyll molecules of its antenna centre rises. Two excited electrons move from them and pass to different chlorophyll molecules. The excited electrons reach P680 chlorophyll present in the reaction centre. Due to energy boost of P680 chlorophyll, its two excited electrons pass to the primary electron acceptor of photosystem-II. Due to it, an electron "hole" is created in p680 chlorophyll, which has become a strong oxidizing agent.

2- Photolysis of water: The electron "hole" in chlorophyll molecule is filled by the electrons from water. When water molecule reacts with oxidized chlorophyll in PS-II, it breaks into two hydrogen ions, an oxygen atom (which immediately combines with another oxygen to form O2), and two electrons. These two electrons fill the "hole" in P680 chlorophyll. This water splitting step of photosynthesis is called photolysis.

💡 Do you know? The oxygen produced during photolysis is the main source of atmospheric oxygen.

3- Electron flow from PS-II to PS-I: In step 1, the photoexcited electrons of P680 chlorophyll were received by primary electron acceptor of PS-II. Now, these electrons pass to PS-I via an electron transport chain of PS-II. This chain consists of electron carriers called plastoquinone (PQ), cytochrome complex, and plastocyanin (PC). As electrons move down the chain, their energy goes on decreasing and is used by thylakoid membrane to produce ATP through the process of chemiosmosis.

4- Absorption of light by PS-I: In the next step light energy is absorbed by PS-I. The energy level of its chlorophyll molecules boosts to very high level. The excited electrons of P700 chlorophyll of the reaction centre pass to a primary electron acceptor of PS-I. The electrons coming from PS-II fill the electron "hole" of P700 chlorophyll of PS-I.

5- Electron flow from PS-I to NADP+: The primary electron acceptor of PS-I passes the photoexcited electrons to a second electron transport chain. These electrons are received by ferredoxin (FD). An enzyme NADP reductase transfers electrons from FD to NADP+. When NADP+ gets two electrons and an H+ ion, it is reduced to NADPH. This reaction stores the high-energy electrons in NADPH.

So, the light energy gets converted into chemical energy (ATP and NADPH). The zigzag path taken by electrons through PS-II and PS-I and electron transport chains, is called Z-scheme.

b)- Cyclic Photophosphorylation

Under certain conditions, photoexcited electrons of PS-I take an alternative path called cyclic electron flow. This path uses PS-I but not PS-II. These electrons cycle from primary electron acceptor of PS-I back to P700 chlorophyll of PS-I via the electron transport chain. There is no production of NADPH and no release of oxygen. Cyclic flow however generates ATP. It happens when Calvin cycle slows down and NADPH accumulates in chloroplast.

Chemiosmosis

During light-dependent reactions when electrons are transferred to the series of carriers of electron transport chain, it results in oxidation and reduction reactions. A carrier is oxidized when it loses electrons and next carrier is reduced when it gets electrons. Electrons lose energy during this carrier-to-carrier transport. Chemiosmosis is the mechanism in which thylakoid membranes couple these redox reactions with the synthesis of ATPs.

How does chemiosmosis use the energy released from electrons to synthesize ATP? Actually, this energy is spent for the active transport of H+ ions from the stroma of chloroplast to its inner compartment (lumen). In this way many H+ ions are deposited in the lumen. This H+ ion gradient in lumen has potential energy. The H+ ions diffuse back from lumen (higher concentration) to stroma (lower concentration). While diffusing, they pass through a special protein of the membrane of thylakoid cells. This protein is an enzyme called ATP synthase. This enzyme uses the energy yielded from the flow of H+ ions to make a bond between ADP and inorganic phosphate (Pi). So, ADP is converted into ATP and energy is packed in it.

📌 Note: The electron transport chains in mitochondria and chloroplasts generate ATP by the same mechanism of chemiosmosis.
اردو

فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس کی تنظیم (فوٹو سسٹمز)

سورج کی توانائی کو مؤثر طریقے سے جذب اور استعمال کرنے کے لیے، فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس جھرمٹوں کی صورت میں منظم ہوتے ہیں جنہیں فوٹو سسٹمز کہتے ہیں۔ یہ فوٹو سسٹمز کلوروپلاسٹ کی تھائلاکائیڈ جھلیوں میں پیوست ہوتے ہیں۔

فوٹو سسٹمز میں فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس اور الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کے کیریئرز ہوتے ہیں۔ ہر فوٹو سسٹم روشنی اکٹھی کرنے والے 'اینٹینا کمپلیکس' اور 'ری ایکشن سینٹر' پر مشتمل ہوتا ہے۔ اینٹینا کمپلیکس میں بہت سے پگمنٹ مالیکیولز ہوتے ہیں جو روشنی کی توانائی پکڑتے ہیں اور اس جوش (ہائی انرجی الیکٹرانز کی صورت میں) کو ری ایکشن سینٹر تک پہنچاتے ہیں۔ ری ایکشن سینٹر میں کلوروفل-a کا ایک یا زیادہ مالیکیول ہوتا ہے جو ہائی انرجی الیکٹرانز کو پرائمری الیکٹران ایکسیپٹر تک پہنچاتا ہے۔ یہ ایکسیپٹر انہیں الیکٹران کیریئرز کی سیریز تک پہنچاتا ہے جسے مجموعی طور پر الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کہتے ہیں۔

کلوروپلاسٹ میں دو فوٹو سسٹمز ہوتے ہیں: فوٹو سسٹم-I (PS-I) اور فوٹو سسٹم-II (PS-II)۔ ان کے نام دریافت کی ترتیب سے رکھے گئے ہیں۔ PS-I کے ری ایکشن سینٹر میں P700 کلوروفل-a مالیکیول ہوتا ہے جو زیادہ سے زیادہ 700 nm کی روشنی جذب کرتا ہے۔ PS-II کے ری ایکشن سینٹر میں P680 کلوروفل-a ہوتا ہے جو 680 nm کی روشنی سب سے اچھی طرح جذب کرتا ہے۔

فوٹو سنتھیسز کا طریقہ کار

فوٹو سنتھیسز ایک ریڈاکس (آکسیڈیشن-ریڈکشن) عمل ہے۔ جب پانی کے مالیکیولز ٹوٹتے ہیں تو وہ دراصل آکسیڈائز ہوتے ہیں (الیکٹرانز اور ہائیڈروجن آئنز کھو دیتے ہیں) اور آکسیجن دیتے ہیں۔ اس دوران CO2 شوگر میں ریڈیوس ہو جاتی ہے کیونکہ اس میں الیکٹرانز اور ہائیڈروجن آئنز شامل ہو جاتے ہیں۔ اس طرح آکسیڈیشن اور ریڈکشن ساتھ ساتھ چلتے ہیں۔

یہ کوئی سادہ ایک مرحلے کا عمل نہیں بلکہ پیچیدہ میٹابولک راستہ ہے جو تعاملات کی سیریز پر مشتمل ہے۔ روشنی پر منحصر تعاملات گرانا کی تھائلاکائیڈ جھلیوں پر ہوتے ہیں جبکہ روشنی سے آزاد تعاملات کلوروپلاسٹ کے سٹروما میں ہوتے ہیں۔

1- روشنی پر منحصر تعاملات

فوٹو سنتھیسز کے روشنی پر منحصر تعاملات کے اہم واقعات یہ ہیں: (1) فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس کے ذریعے روشنی کی توانائی کا جذب، (2) اس توانائی سے الیکٹرانز کا excited ہونا، اور (3) ATP اور NADPH کا بننا۔

ATP کا بننا روشنی پر منحصر تعاملات کا سب سے اہم مرحلہ ہے۔ اسے فوٹوفاسفورائلیشن کہتے ہیں۔ یہ عمل نان سائکلک فوٹوفاسفورائلیشن یا سائکلک فوٹوفاسفورائلیشن ہو سکتا ہے۔

الف)- نان سائکلک فوٹوفاسفورائلیشن

روشنی پر منحصر تعاملات میں ATP بننے کا یہ عام طریقہ ہے۔ نان سائکلک راستے میں دونوں فوٹو سسٹمز یعنی PS-I اور PS-II حصہ لیتے ہیں اور دو الیکٹران چینز شامل ہوتی ہیں۔ یہ اس طرح ہوتا ہے:

1- PS-II کے ذریعے روشنی کا جذب: جب PS-II پر روشنی پڑتی ہے تو اس کے اینٹینا سینٹر کے کلوروفل مالیکیولز کی انرجی لیول بڑھ جاتی ہے۔ دو excited الیکٹرانز ان سے نکل کر مختلف کلوروفل مالیکیولز سے گزرتے ہیں اور ری ایکشن سینٹر میں موجود P680 کلوروفل تک پہنچتے ہیں۔ P680 کلوروفل کی انرجی بڑھنے سے اس کے دو excited الیکٹرانز فوٹو سسٹم-II کے پرائمری الیکٹران ایکسیپٹر تک چلے جاتے ہیں۔ اس سے P680 کلوروفل میں الیکٹران کا "خلا" (hole) بن جاتا ہے جو ایک مضبوط آکسیڈائزنگ ایجنٹ بن جاتا ہے۔

2- پانی کی فوٹولائسز: کلوروفل مالیکیول میں الیکٹران کا خلا پانی سے آنے والے الیکٹرانز سے بھرا جاتا ہے۔ جب پانی کا مالیکیول PS-II میں آکسیڈائزڈ کلوروفل سے تعامل کرتا ہے تو وہ دو ہائیڈروجن آئنز، ایک آکسیجن ایٹم (جو فوراً دوسری آکسیجن سے مل کر O2 بناتا ہے) اور دو الیکٹرانز میں ٹوٹ جاتا ہے۔ یہ دو الیکٹرانز P680 کلوروفل کا خلا بھرتے ہیں۔ فوٹو سنتھیسز کے پانی ٹوٹنے کے اس مرحلے کو فوٹولائسز کہتے ہیں۔

💡 کیا آپ جانتے ہیں؟ فوٹولائسز کے دوران پیدا ہونے والی آکسیجن ہوا کی آکسیجن کا اصل ذریعہ ہے۔

3- PS-II سے PS-I تک الیکٹرانز کا بہاؤ: پہلے مرحلے میں P680 کلوروفل کے فوٹو ایکسائٹڈ الیکٹرانز PS-II کے پرائمری ایکسیپٹر نے وصول کیے تھے۔ اب یہ الیکٹرانز PS-II کی الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کے ذریعے PS-I تک جاتے ہیں۔ اس چین میں پلاسٹوکوئنون (PQ)، سائٹوکروم کمپلیکس اور پلاسٹوسائینن (PC) نامی الیکٹران کیریئرز ہوتے ہیں۔ جیسے جیسے الیکٹرانز چین سے نیچے جاتے ہیں، ان کی توانائی کم ہوتی جاتی ہے اور یہ توانائی تھائلاکائیڈ جھلی کیمیوسموسز کے ذریعے ATP بنانے میں استعمال کرتی ہے۔

4- PS-I کے ذریعے روشنی کا جذب: اگلے مرحلے میں PS-I روشنی کی توانائی جذب کرتا ہے۔ اس کے کلوروفل مالیکیولز کی انرجی لیول بہت زیادہ بڑھ جاتی ہے۔ ری ایکشن سینٹر کے P700 کلوروفل کے excited الیکٹرانز PS-I کے پرائمری الیکٹران ایکسیپٹر تک چلے جاتے ہیں۔ PS-II سے آنے والے الیکٹرانز PS-I کے P700 کلوروفل کا الیکٹران خلا بھرتے ہیں۔

5- PS-I سے NADP+ تک الیکٹرانز کا بہاؤ: PS-I کا پرائمری الیکٹران ایکسیپٹر فوٹو ایکسائٹڈ الیکٹرانز کو دوسری الیکٹران ٹرانسپورٹ چین تک پہنچاتا ہے۔ یہ الیکٹرانز فیروڈاکسن (FD) وصول کرتا ہے۔ انزائم NADP ریڈکٹیز الیکٹرانز کو FD سے NADP+ تک منتقل کرتا ہے۔ جب NADP+ دو الیکٹرانز اور ایک H+ آئن حاصل کرتا ہے تو وہ NADPH میں ریڈیوس ہو جاتا ہے۔ یہ تعامل ہائی انرجی الیکٹرانز کو NADPH میں ذخیرہ کرتا ہے۔

اس طرح روشنی کی توانائی کیمیائی توانائی (ATP اور NADPH) میں بدل جاتی ہے۔ PS-II اور PS-I اور الیکٹران ٹرانسپورٹ چینز سے گزرنے والے الیکٹرانز کا زگ زیگ راستہ زی اسکیم کہلاتا ہے۔

ب)- سائکلک فوٹوفاسفورائلیشن

بعض حالات میں PS-I کے فوٹو ایکسائٹڈ الیکٹرانز ایک متبادل راستہ اختیار کرتے ہیں جسے سائکلک الیکٹران بہاؤ کہتے ہیں۔ یہ راستہ PS-I استعمال کرتا ہے لیکن PS-II نہیں۔ یہ الیکٹرانز PS-I کے پرائمری الیکٹران ایکسیپٹر سے الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کے ذریعے واپس P700 کلوروفل تک سائیکل کرتے ہیں۔ اس میں نہ NADPH بنتا ہے اور نہ آکسیجن خارج ہوتی ہے۔ سائکلک بہاؤ صرف ATP پیدا کرتا ہے۔ یہ تب ہوتا ہے جب کیلون سائیکل سست ہو جائے اور کلوروپلاسٹ میں NADPH جمع ہو جائے۔

کیمیوسموسز

روشنی پر منحصر تعاملات کے دوران جب الیکٹرانز الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کے کیریئرز کی سیریز سے گزرتے ہیں تو آکسیڈیشن اور ریڈکشن تعاملات ہوتے ہیں۔ کیریئر آکسیڈائز ہوتا ہے جب وہ الیکٹرانز کھوتا ہے اور اگلا کیریئر ریڈیوس ہوتا ہے جب وہ الیکٹرانز حاصل کرتا ہے۔ الیکٹرانز کی اس کیریئر سے کیریئر منتقلی میں توانائی ضائع ہوتی ہے۔ کیمیوسموسز وہ طریقہ کار ہے جس میں تھائلاکائیڈ جھلیاں ان ریڈاکس تعاملات کو ATP کی ترکیب سے جوڑتی ہیں۔

کیمیوسموسز الیکٹرانز سے خارج ہونے والی توانائی کو ATP بنانے میں کیسے استعمال کرتا ہے؟ دراصل یہ توانائی کلوروپلاسٹ کے سٹروما سے اس کے اندرونی حصے (لومین) تک H+ آئنز کی ایکٹو ٹرانسپورٹ میں خرچ ہوتی ہے۔ اس طرح لومین میں بہت سے H+ آئنز جمع ہو جاتے ہیں۔ لومین میں H+ آئنز کا یہ گریڈینٹ پوٹینشل انرجی رکھتا ہے۔ H+ آئنز لومین (زیادہ ارتکاز) سے سٹروما (کم ارتکاز) کی طرف واپس پھیلتے ہیں۔ پھیلتے ہوئے وہ تھائلاکائیڈ خلیوں کی جھلی کے ایک خاص پروٹین سے گزرتے ہیں۔ یہ پروٹین ایک انزائم ہے جسے ATP سنتھیز کہتے ہیں۔ یہ انزائم H+ آئنز کے بہاؤ سے حاصل ہونے والی توانائی کو ADP اور غیر نامیاتی فاسفیٹ (Pi) کے درمیان بانڈ بنانے میں استعمال کرتا ہے — اس طرح ADP، ATP میں بدل جاتا ہے اور توانائی اس میں پیک ہو جاتی ہے۔

📌 نوٹ: مائٹوکونڈریا اور کلوروپلاسٹ کی الیکٹران ٹرانسپورٹ چینز ایک ہی کیمیوسموسز کے طریقہ کار سے ATP پیدا کرتی ہیں۔
Light-dependent reactions: sunlight on two photosystems, zigzag electron path from water splitting to ATP and NADPH formation
Z-Scheme samjho: سورج کی روشنی پہلے PS-II (P680) کو excite کرتی ہے — پانی ٹوٹ تا ہے (photolysis) اور oxygen نکلتی ہے. Electrons zigzag راستے سے PS-I (P700) تک جاتے ہیں, راستے میں ATP بنتا ہے, اور آخر میں NADPH بن جاتا ہے. یہ zigzag راستہ ہی Z-scheme کہلاتا ہے — اسی سے light energy, chemical energy (ATP + NADPH) میں بدل جاتی ہے.
Light-Independent Reactions — The Calvin Cycleروشنی سے آزاد تعاملات — کیلون سائیکل

🏷 Tags: Calvin cycle, dark reactions, stroma, carbon fixation, Rubisco, 3-PGA, G3P, RuBP, C-3 pathway, Melvin Calvin

ENGLISH

Light-independent reactions are a series of reactions which happen in the stroma of chloroplast. These reactions use carbon from CO2, energy from ATP, and hydrogen ions from NADPH to construct energy-rich sugar molecules. These are also called dark reactions. These reactions can occur in the absence as well as in the presence of light, as long as ATP and NADPH are available. The Calvin cycle is divided into the following phases.

The details of dark reactions were discovered by Melvin Calvin and his colleagues at the University of California. That is why, the dark reactions are also called the Calvin cycle. Calvin was awarded Nobel Prize in 1961 for this work.

Phase I: Carbon Fixation

Carbon fixation refers to the initial incorporation of CO2 into organic material. An enzyme known as ribulose biphosphate carboxylase (or Rubisco; probably the most abundant protein on Earth) combines three molecules of CO2 with three molecules of a five-carbon sugar named ribulose biphosphate (RuBP). It results in the formation of six molecules of a three-carbon compound called 3-phosphoglyceric acid (3-PGA) or 3-phosphoglycerate.

📌 Note: Since the product of initial carbon fixation is a three-carbon compound, the Calvin cycle is also known as C-3 pathway.

Phase II: Reduction

In this phase, six phosphate groups are taken from six ATPs and added to molecules of 3-PGA. In this way, each 3-PGA changes into 1,3-biphosphoglyceric acid. Each 1,3-biphosphoglyceric acid is then reduced to Glyceraldehyde 3-phosphate (G3P). NADPH provides hydrogen for this reduction. During this step, phosphate groups are also detached from 1,3-biphosphoglyceric acid.

In this way, six molecules of G3P are produced, out of which one molecule leaves the cycle. It combines with another G3P and makes glucose, which may be then converted to other carbohydrates.

📌 Note: G3P is the same three-carbon sugar which is formed in glycolysis (first phase of cellular respiration) by the splitting of glucose.

Phase III: Regeneration of RuBP

Through a series of reactions, five molecules of G3P are converted into five molecules of Ribulose phosphate (RuP). One phosphate group is added to each RuP to make three molecules of RuBP by using three ATPs of light reactions. These RuBP receive CO2 again, and the cycle continues.

اردو

روشنی سے آزاد تعاملات تعاملات کی ایک سیریز ہیں جو کلوروپلاسٹ کے سٹروما میں ہوتی ہیں۔ یہ تعاملات CO2 سے کاربن، ATP سے توانائی اور NADPH سے ہائیڈروجن آئنز استعمال کر کے توانائی سے بھرپور شوگر مالیکیولز بناتے ہیں۔ انہیں ڈارک ری ایکشنز بھی کہتے ہیں۔ یہ تعاملات روشنی کی موجودگی اور غیر موجودگی دونوں میں ہو سکتے ہیں، جب تک ATP اور NADPH دستیاب ہوں۔ کیلون سائیکل درج ذیل مرحلوں میں تقسیم ہے۔

ڈارک ری ایکشنز کی تفصیلات میلوین کیلون اور ان کے ساتھیوں نے یونیورسٹی آف کیلیفورنیا میں دریافت کیں۔ اسی لیے ڈارک ری ایکشنز کو کیلون سائیکل بھی کہتے ہیں۔ کیلون کو اس کام پر 1961 میں نوبل انعام ملا۔

مرحلہ اول: کاربن فکسیشن

کاربن فکسیشن سے مراد CO2 کا نامیاتی مادے میں ابتدائی شمولیت ہے۔ ایک انزائم جسے رائبولوز بائی فاسفیٹ کاربوکسیلیز (یا روبسکو؛ شاید زمین پر سب سے زیادہ پایا جانے والا پروٹین) کہتے ہیں، CO2 کے تین مالیکیولز کو پانچ کاربن والی شوگر رائبولوز بائی فاسفیٹ (RuBP) کے تین مالیکیولز سے ملاتا ہے۔ اس سے تین کاربن والے مرکب 3-فاسفوگلیسرک ایسڈ (3-PGA) یا 3-فاسفوگلیسرٹ کے چھ مالیکیولز بنتے ہیں۔

📌 نوٹ: چونکہ ابتدائی کاربن فکسیشن کی پراڈکٹ تین کاربن والا مرکب ہے، اس لیے کیلون سائیکل کو C-3 پاتھ وے بھی کہتے ہیں۔

مرحلہ دوم: ریڈکشن

اس مرحلے میں چھ ATPs سے چھ فاسفیٹ گروپس لے کر 3-PGA کے مالیکیولز میں شامل کیے جاتے ہیں۔ اس طرح ہر 3-PGA، 1,3-بائی فاسفوگلیسرک ایسڈ میں بدل جاتا ہے۔ پھر ہر 1,3-بائی فاسفوگلیسرک ایسڈ NADPH کی مدد سے ریڈیوس ہو کر گلیسرالڈیہائیڈ 3-فاسفیٹ (G3P) بن جاتا ہے — NADPH اس ریڈکشن کے لیے ہائیڈروجن فراہم کرتا ہے۔ اس مرحلے میں 1,3-بائی فاسفوگلیسرک ایسڈ سے فاسفیٹ گروپس بھی الگ ہو جاتے ہیں۔

اس طرح G3P کے چھ مالیکیولز بنتے ہیں جن میں سے ایک سائیکل چھوڑ دیتا ہے۔ وہ دوسرے G3P سے مل کر گلوکوز بناتا ہے جو پھر دوسرے کاربوہائیڈریٹس میں بدل سکتا ہے۔

📌 نوٹ: G3P وہی تین کاربن والی شوگر ہے جو گلائکولائسز (سیلولر ریسپائریشن کے پہلے مرحلے) میں گلوکوز کے ٹوٹنے سے بنتی ہے۔

مرحلہ سوم: RuBP کی دوبارہ تیاری

تعاملات کی سیریز کے ذریعے G3P کے پانچ مالیکیولز رائبولوز فاسفیٹ (RuP) کے پانچ مالیکیولز میں بدل جاتے ہیں۔ ہر RuP میں ایک فاسفیٹ گروپ شامل کر کے روشنی کے تعاملات کے تین ATPs استعمال کرتے ہوئے RuBP کے تین مالیکیولز بنائے جاتے ہیں۔ یہ RuBP دوبارہ CO2 وصول کرتے ہیں اور سائیکل جاری رہتا ہے۔

Calvin cycle: carbon dioxide entering a cycle in the chloroplast, three stages, sugar leaving
Calvin Cycle samjho: یہ cycle chloroplast کے stroma میں چلتی ہے اور اسے روشنی کی direct ضرورت نہیں — صرف ATP اور NADPH چاہیے جو light reactions سے آتے ہیں. تین stages ہیں: (1) Carbon fixation — Rubisco CO₂ کو RuBP سے ملاتا ہے, (2) Reduction — ATP اور NADPH سے G3P بنتا ہے, (3) Regeneration — RuBP دوبارہ بن جاتا ہے تاکہ cycle چلتی رہے. ایک G3P باہر نکل کر glucose بناتا ہے.
6.2 Cellular Respiration — Anaerobic and Aerobic6.2 سیلولر ریسپائریشن — این ایروبک اور ایروبک

🏷 Tags: cellular respiration, anaerobic respiration, fermentation, alcoholic fermentation, lactic acid fermentation, aerobic respiration, pyruvic acid, respiratory fuel

ENGLISH

Cellular respiration is the universal process by which organisms break down complex carbon-containing compounds (e.g., glucose) to get useable energy. Cellular respiration can be summarized as:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energy

You can see that the arrangement of atoms in glucose has more stored energy while there is much less energy in the arrangement of atoms in CO2 and H2O. The reason is that there are many C–H bonds in glucose but there are no such bonds in CO2 and H2O.

📌 Note: The exchange of CO2 and O2 between the organism and environment is called external respiration or breathing. Cellular respiration is the process by which energy is made available to cells in a step-by-step oxidation of food in the cells.

The basic events in cellular respiration in all cells are much similar. Almost all cells in all organisms use glucose as energy source. That is why, glucose is known as respiratory fuel. There are two main types of cellular respiration:

1. Anaerobic respiration (fermentation) takes place in the absence of oxygen.
2. Aerobic respiration takes place in the presence of oxygen.

In the first step of both these types, glucose is split into two molecules of pyruvic acid (C3H4O3) in a process called glycolysis. The next reactions of pyruvic acid are different in anaerobic and aerobic respiration.

💡 Do you know? Many of the reactions that occur in your cells also occur in the cells of frog, mice, planaria, mushrooms and radishes.

Mechanism of Anaerobic Respiration

Anaerobic respiration happens in many microorganisms and in some cells of higher plants. It also happens in the muscle cells of vertebrates. In anaerobic respiration, glucose is not completely oxidized. This type of respiration yields relatively small amount of energy from glucose molecule. As a result of anaerobic respiration, one glucose molecule yields only two ATPs (only about 2% of the energy present in glucose). The energy in two ATPs is equivalent to 14.6 kcal.

Anaerobic respiration consists of glycolysis followed by the reduction of pyruvic acid by NADH to either lactic acid or alcohol and CO2 i.e., it may again be classified as;

a- Alcoholic Fermentation: In primitive prokaryotic cells (bacteria) and in some eukaryotic cells such as yeast, pyruvic acid is further broken down by alcoholic fermentation into alcohol (C2H5OH) and CO2.

2[C3H4O3] → 2[C2H5OH] + 2CO2 (Pyruvic acid → Ethyl alcohol)

b- Lactic acid Fermentation: In lactic acid fermentation, each pyruvic acid molecule is converted into lactic acid C3H6O3 in the absence of oxygen gas.

2[C3H4O3] → 2[C3H6O3] (Pyruvic acid → Lactic acid)

This form of anaerobic respiration occurs in muscle cells of humans and other animals. It happens during extreme physical activities, when oxygen cannot be transported to the cells as rapidly as it is needed. Many bacteria also use lactic acid fermentation to get energy.

Mechanism of Aerobic Respiration

The complete breakdown of glucose molecule occurs only in aerobic respiration. During aerobic respiration, glucose is broken down to pyruvic acid which is then completely oxidized to CO2 and water, and all the energy stored in its C–H bonds, is released.

💡 Do you know? When life evolved on planet Earth free O2 was not available. So, only anaerobic respiration was possible. But with the evolution of photosynthesis on Earth, molecular oxygen accumulated slowly in the atmosphere. The presence of free oxygen made evolution of aerobic respiration possible.

Cellular respiration is a continuous process, but for study purposes we can divide it into four main stages.

1- Glycolysis    2- Pyruvic acid oxidation    3- Krebs cycle or citric acid cycle    4- Electron transport chain and Chemiosmosis

Glycolysis occurs in the cytosol and oxygen is not essential for this stage. The other three stages occur within mitochondria where the presence of oxygen is essential.

اردو

سیلولر ریسپائریشن ایک عالمگیر عمل ہے جس میں جاندار پیچیدہ کاربن والے مرکبات (مثلاً گلوکوز) کو توڑ کر قابل استعمال توانائی حاصل کرتے ہیں۔ سیلولر ریسپائریشن کا خلاصہ یوں ہے:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + توانائی

آپ دیکھ سکتے ہیں کہ گلوکوز میں ایٹمز کی ترتیب میں زیادہ ذخیرہ شدہ توانائی ہے جبکہ CO2 اور H2O میں ایٹمز کی ترتیب میں بہت کم توانائی ہے۔ وجہ یہ ہے کہ گلوکوز میں بہت سے C–H بانڈز ہوتے ہیں لیکن CO2 اور H2O میں ایسے بانڈز نہیں ہوتے۔

📌 نوٹ: جاندار اور ماحول کے درمیان CO2 اور O2 کے تبادلے کو ایکسٹرنل ریسپائریشن یا سانس لینا کہتے ہیں۔ سیلولر ریسپائریشن وہ عمل ہے جس میں خلیوں میں خوراک کے مرحلہ وار آکسیڈیشن سے خلیوں کو توانائی مہیا کی جاتی ہے۔

تمام خلیوں میں سیلولر ریسپائریشن کے بنیادی واقعات بہت ملتے جلتے ہیں۔ تقریباً تمام جانداروں کے تقریباً تمام خلیے گلوکوز کو توانائی کے ذریعے کے طور پر استعمال کرتے ہیں۔ اسی لیے گلوکوز کو ریسپائریٹری فیول کہتے ہیں۔ سیلولر ریسپائریشن کی دو اہم اقسام ہیں:

1- این ایروبک ریسپائریشن (فرمنٹیشن) آکسیجن کی غیر موجودگی میں ہوتی ہے۔
2- ایروبک ریسپائریشن آکسیجن کی موجودگی میں ہوتی ہے۔

دونوں اقسام کے پہلے مرحلے میں گلوکوز گلائکولائسز کے عمل میں پائرووک ایسڈ (C3H4O3) کے دو مالیکیولز میں ٹوٹ جاتی ہے۔ پائرووک ایسڈ کے اگلے تعاملات این ایروبک اور ایروبک ریسپائریشن میں مختلف ہوتے ہیں۔

💡 کیا آپ جانتے ہیں؟ آپ کے خلیوں میں ہونے والے بہت سے تعاملات مینڈک، چوہوں، پلانیریا، مشرومز اور مولیوں کے خلیوں میں بھی ہوتے ہیں۔

این ایروبک ریسپائریشن کا طریقہ کار

این ایروبک ریسپائریشن بہت سے خوردبینی جانداروں اور اعلیٰ پودوں کے بعض خلیوں میں ہوتی ہے۔ یہ ورٹیبریٹس کے پٹھوں کے خلیوں میں بھی ہوتی ہے۔ این ایروبک ریسپائریشن میں گلوکوز مکمل طور پر آکسیڈائز نہیں ہوتی۔ اس قسم کی ریسپائریشن سے گلوکوز مالیکیول سے نسبتاً کم توانائی ملتی ہے۔ این ایروبک ریسپائریشن کے نتیجے میں ایک گلوکوز مالیکیول سے صرف دو ATPs ملتے ہیں (گلوکوز میں موجود توانائی کا صرف تقریباً 2 فیصد)۔ دو ATPs کی توانائی 14.6 kcal کے برابر ہے۔

این ایروبک ریسپائریشن گلائکولائسز اور پھر NADH کے ذریعے پائرووک ایسڈ کی ریڈکشن پر مشتمل ہوتی ہے جس سے لیکٹک ایسڈ یا الکحل اور CO2 بنتے ہیں — یعنی اسے دوبارہ یوں تقسیم کیا جا سکتا ہے:

الف- الکحلک فرمنٹیشن: قدیم پروکیریوٹک خلیوں (بیکٹیریا) اور بعض یوکیریوٹک خلیوں جیسے خمیر (yeast) میں پائرووک ایسڈ الکحلک فرمنٹیشن سے الکحل (C2H5OH) اور CO2 میں ٹوٹ جاتا ہے۔

2[C3H4O3] → 2[C2H5OH] + 2CO2 (پائرووک ایسڈ → ایتھائل الکحل)

ب- لیکٹک ایسڈ فرمنٹیشن: لیکٹک ایسڈ فرمنٹیشن میں ہر پائرووک ایسڈ مالیکیول آکسیجن گیس کی غیر موجودگی میں لیکٹک ایسڈ C3H6O3 میں بدل جاتا ہے۔

2[C3H4O3] → 2[C3H6O3] (پائرووک ایسڈ → لیکٹک ایسڈ)

این ایروبک ریسپائریشن کی یہ شکل انسانوں اور دوسرے جانوروں کے پٹھوں کے خلیوں میں ہوتی ہے۔ یہ شدید جسمانی سرگرمیوں کے دوران ہوتی ہے جب آکسیجن خلیوں تک اتنی تیزی سے نہیں پہنچ سکتی جتنی ضرورت ہوتی ہے۔ بہت سے بیکٹیریا بھی توانائی حاصل کرنے کے لیے لیکٹک ایسڈ فرمنٹیشن استعمال کرتے ہیں۔

ایروبک ریسپائریشن کا طریقہ کار

گلوکوز مالیکیول کا مکمل ٹوٹنا صرف ایروبک ریسپائریشن میں ہوتا ہے۔ ایروبک ریسپائریشن کے دوران گلوکوز پہلے پائرووک ایسڈ میں ٹوٹتی ہے جو پھر مکمل طور پر آکسیڈائز ہو کر CO2 اور پانی بن جاتا ہے، اور اس کے C–H بانڈز میں ذخیرہ شدہ تمام توانائی خارج ہو جاتی ہے۔

💡 کیا آپ جانتے ہیں؟ جب زمین پر زندگی نے ارتقاء شروع کیا تو آزاد O2 دستیاب نہیں تھی، اس لیے صرف این ایروبک ریسپائریشن ممکن تھی۔ لیکن زمین پر فوٹو سنتھیسز کے ارتقاء کے ساتھ مالیکیولر آکسیجن آہستہ آہستہ ہوا میں جمع ہوتی گئی۔ آزاد آکسیجن کی موجودگی نے ایروبک ریسپائریشن کے ارتقاء کو ممکن بنایا۔

سیلولر ریسپائریشن ایک مسلسل عمل ہے، لیکن پڑھنے کے لیے ہم اسے چار اہم مرحلوں میں تقسیم کر سکتے ہیں:

1- گلائکولائسز    2- پائرووک ایسڈ آکسیڈیشن    3- کربس سائیکل یا سٹرک ایسڈ سائیکل    4- الیکٹران ٹرانسپورٹ چین اور کیمیوسموسز

گلائکولائسز سائٹوسول میں ہوتی ہے اور اس مرحلے کے لیے آکسیجن ضروری نہیں۔ باقی تین مرحلے مائٹوکونڈریا میں ہوتے ہیں جہاں آکسیجن کی موجودگی ضروری ہے۔

Aerobic vs Anaerobic — Energy Yield Anaerobic (no O₂)Glucose → 2 Pyruvic acid→ Lactic acid / Alcohol + CO₂Only 2 ATP Aerobic (with O₂)Glucose → Pyruvic acid→ CO₂ + H₂O (complete)Net 36 ATP Aerobic is 18× more efficient than anaerobic
Aerobic vs Anaerobic samjho: دونوں کا پہلا step ایک ہے — glucose glycolysis سے 2 pyruvic acid میں ٹوٹ تھی ہے. Oxygen نہ ہو تو pyruvic acid lactic acid یا alcohol بن جاتا ہے اور صرف 2 ATP ملتے ہیں (glucose کی صرف ~2% energy). Oxygen ہو تو pyruvic acid پوری طرح CO₂ اور پانی میں ٹوٹ جاتا ہے اور net 36 ATP ملتے ہیں — اسی لیے aerobic, anaerobic سے 18 گنا زیادہ efficient ہے.
Glycolysis, Pyruvic Acid Oxidation and the Krebs Cycleگلائکولائسز، پائرووک ایسڈ آکسیڈیشن اور کربس سائیکل

🏷 Tags: glycolysis, preparatory phase, oxidative phase, G3P, PEP, pyruvic acid oxidation, acetyl-CoA, Krebs cycle, citric acid, oxaloacetic acid, NADH, FADH2

ENGLISH

Stage 1: Glycolysis

Glycolysis is the breakdown of glucose into two molecules of pyruvic acid. Glycolysis takes place in both types of respiration i.e., anaerobic and aerobic. The breakdown of glucose takes place in a series of steps, each catalysed by a specific enzyme. All these enzymes are found dissolved in the cytosol. In addition to the enzymes, ATP and coenzyme NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide) are also essential. Glycolysis involves following reactions.

Preparatory Phase: It involves the expenditure of energy and the breakdown of glucose. It consists of the following steps:

1. A phosphate group is transferred from ATP to glucose. As a result, glucose changes into glucose 6-phosphate.
2. Glucose 6-phosphate is converted into its isomer called fructose 6-phosphate.
3. Another ATP molecule transfers a second phosphate group to fructose 6-phosphate. So, it becomes fructose 1,6-biphosphate.
4. Fructose 1,6-biphosphate is highly reactive and breaks into two molecules of three-carbon intermediates i.e., glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) and dihydroxyacetone phosphate (DAP). These are inter-converted and result in two molecules of G3P.

Oxidative Phase: It involves the removal of hydrogen from G3P and packing of released energy in the form of ATP. It consists of the following steps:

1. Each G3P is oxidized to its acidic form. In this step, two hydrogen atoms (containing two high-energy electrons) are removed from G3P and transferred to NAD+. At the same time, an inorganic phosphate group is also added to G3P. It results in a molecule of 1,3-biphosphoglyceric acid (1,3-BPGA).
2. The phosphate group is transferred from 1,3-BPGA to ADP. So, 1,3-BPGA changes into 3-phosphoglyceric acid (3-PGA). A molecule of ATP is also formed in this step.
3. 3-PGA is converted to 2-phosphoglyceric acid (2-PGA).
4. 2-PGA is dehydrated (water removed) into phosphoenol pyruvic acid (PEP).
5. PEP gives up its high energy phosphate to convert a second molecule of ADP to ATP. As a result, PEP is changed into pyruvic acid.

Stage 2: Pyruvic acid Oxidation

Pyruvic acid does not directly participate in Krebs cycle. It has to go through the following changes before entering the Krebs cycle.

1. A molecule of carbon dioxide is removed from pyruvic acid. So, it changes into acetaldehyde.
2. Acetaldehyde is oxidized (hydrogen is removed) to make acetyl group. A molecule of NAD+ is reduced to NADH.
3. Acetyl group combines with coenzyme-A (CoA) to form acetyl-CoA.

📌 Note: Glucose enters cells from the tissue fluid by passive transport using a specific glucose carrier. This carrier can be controlled (gated) by hormones such as insulin. Pyruvic acid can also be turned back into glucose by reversing glycolysis. This is called gluconeogenesis.

Stage 3: Krebs Cycle

Acetyl-CoA now enters a cyclic series of chemical reactions during which oxidation process is completed. Much of this cycle was worked out by a British biochemist, Sir Hans Krebs so it is called the Krebs cycle. It is also called the citric acid cycle, after the six-carbon citric acid molecule formed in its first step. All steps of the citric acid cycle occur in mitochondria.

📌 Note: The release of carbon dioxide takes place before oxygen is involved. It is therefore not true to say that respiration turns oxygen into carbon dioxide. It is more correct to say that respiration turns glucose into carbon dioxide, and oxygen into water.

It involves following reactions:

1. Acetyl-CoA splits into CoA and acetyl group. The acetyl group combines with a four-carbon molecule, oxaloacetic acid. As a result, a six-carbon citric acid is formed.
2. Citric acid undergoes an oxidative decarboxylation reaction. It is decarboxylated (releasing a molecule of CO2) and then oxidized (reducing an NAD+ to NADH). So, a five-carbon molecule called alpha-ketoglutaric acid is formed.
3. Alpha-ketoglutaric acid undergoes further oxidation and decarboxylation. It results in the formation of a four-carbon molecule i.e., succinic acid. Succinic acid joins with CoA and makes succinyl CoA.
4. The bond between succinic acid and CoA is a high-energy linkage. It again splits into CoA and succinic acid. The energy released in this reaction, is used in making a molecule of ATP.
5. Succinic acid is oxidized to fumaric acid. When its two hydrogen atoms are removed, the free energy is not enough to reduce NAD+. So, a different electron acceptor i.e., the coenzyme flavin adenine dinucleotide (FAD) is used and is reduced to FADH2.
6. In order to regenerate oxaloacetic acid, a molecule of water added to fumaric acid and it is changed to malic acid.
7. Malic is oxidized to produce oxaloacetic acid. The hydrogen and electrons released from malic acid convert an NAD+ to NADH. This completes the cycle and oxaloacetic acid is now free to bind another molecule of acetyl CoA to initiate the cycle.

اردو

مرحلہ اول: گلائکولائسز

گلائکولائسز گلوکوز کا دو پائرووک ایسڈ مالیکیولز میں ٹوٹنا ہے۔ گلائکولائسز ریسپائریشن کی دونوں اقسام یعنی این ایروبک اور ایروبک میں ہوتی ہے۔ گلوکوز کا ٹوٹنا تعاملات کی سیریز میں ہوتا ہے، ہر مرحلہ ایک مخصوص انزائم سے کیٹیلائز ہوتا ہے۔ یہ تمام انزائمز سائٹوسول میں حل شدہ پائے جاتے ہیں۔ انزائمز کے علاوہ ATP اور کو انزائم NAD+ (نیکوٹینامائیڈ اڈینین ڈائی نیوکلیوٹائیڈ) بھی ضروری ہیں۔ گلائکولائسز میں درج ذیل تعاملات ہوتے ہیں۔

تیاری کا مرحلہ (Preparatory Phase): اس میں توانائی خرچ ہوتی ہے اور گلوکوز ٹوٹتی ہے:

1- ATP سے ایک فاسفیٹ گروپ گلوکوز کو منتقل ہوتا ہے، جس سے گلوکوز، گلوکوز 6-فاسفیٹ بن جاتی ہے۔
2- گلوکوز 6-فاسفیٹ اپنے آئسومر فرکٹوز 6-فاسفیٹ میں بدل جاتا ہے۔
3- ATP کا دوسرا مالیکیول دوسرا فاسفیٹ گروپ فرکٹوز 6-فاسفیٹ کو منتقل کرتا ہے، تو وہ فرکٹوز 1,6-بائی فاسفیٹ بن جاتا ہے۔
4- فرکٹوز 1,6-بائی فاسفیٹ بہت ری ایکٹو ہوتا ہے اور تین کاربن والے دو انٹرمیڈیٹس میں ٹوٹ جاتا ہے یعنی گلیسرالڈیہائیڈ 3-فاسفیٹ (G3P) اور ڈائی ہائیڈروکسی ایسیٹون فاسفیٹ (DAP)۔ یہ آپس میں بدلتے رہتے ہیں اور نتیجہ G3P کے دو مالیکیولز ہوتا ہے۔

آکسیڈیٹو مرحلہ (Oxidative Phase): اس میں G3P سے ہائیڈروجن نکالی جاتی ہے اور خارج ہونے والی توانائی ATP کی صورت میں پیک کی جاتی ہے:

1- ہر G3P اپنی ایسڈک شکل میں آکسیڈائز ہوتا ہے۔ اس مرحلے میں دو ہائیڈروجن ایٹمز (جن میں دو ہائی انرجی الیکٹرانز ہوتے ہیں) G3P سے نکال کر NAD+ کو منتقل کیے جاتے ہیں (NADH بنتا ہے) اور ساتھ ہی ایک غیر نامیاتی فاسفیٹ گروپ بھی G3P میں شامل ہو جاتا ہے، جس سے 1,3-بائی فاسفوگلیسرک ایسڈ (1,3-BPGA) بنتا ہے۔
2- 1,3-BPGA سے فاسفیٹ گروپ ADP کو منتقل ہوتا ہے، تو 1,3-BPGA، 3-فاسفوگلیسرک ایسڈ (3-PGA) بن جاتا ہے اور اس مرحلے میں ATP کا ایک مالیکیول بھی بنتا ہے۔
3- 3-PGA، 2-فاسفوگلیسرک ایسڈ (2-PGA) میں بدل جاتا ہے۔
4- 2-PGA سے پانی نکل کر (ڈی ہائیڈریشن) فاسفوانول پائرووک ایسڈ (PEP) بنتا ہے۔
5- PEP اپنا ہائی انرجی فاسفیٹ دے کر ADP کے دوسرے مالیکیول کو ATP میں بدل دیتا ہے، اور PEP خود پائرووک ایسڈ بن جاتا ہے۔

مرحلہ دوم: پائرووک ایسڈ آکسیڈیشن

پائرووک ایسڈ براہ راست کربس سائیکل میں حصہ نہیں لیتا۔ کربس سائیکل میں داخل ہونے سے پہلے اس میں درج ذیل تبدیلیاں ہوتی ہیں:

1- پائرووک ایسڈ سے کاربن ڈائی آکسائیڈ کا ایک مالیکیول نکالا جاتا ہے، تو وہ ایسیٹلڈیہائیڈ بن جاتا ہے۔
2- ایسیٹلڈیہائیڈ آکسیڈائز ہو کر (ہائیڈروجن نکل کر) ایسیٹائل گروپ بناتا ہے اور NAD+، NADH میں ریڈیوس ہو جاتا ہے۔
3- ایسیٹائل گروپ کو انزائم-A (CoA) سے مل کر ایسیٹائل-CoA بنتا ہے۔

📌 نوٹ: گلوکوز ٹشو فلوئڈ سے خلیوں میں مخصوص گلوکوز کیریئر کے ذریعے پیسو ٹرانسپورٹ سے داخل ہوتی ہے۔ یہ کیریئر انسولین جیسے ہارمونز سے کنٹرول (گیٹڈ) ہو سکتا ہے۔ پائرووک ایسڈ کو گلائکولائسز کو الٹا چلا کر دوبارہ گلوکوز میں بھی بدلا جا سکتا ہے — اسے گلوکونیوجینیسز کہتے ہیں۔

مرحلہ سوم: کربس سائیکل

ایسیٹائل-CoA اب کیمیائی تعاملات کی ایک سائکلک سیریز میں داخل ہوتا ہے جس میں آکسیڈیشن کا عمل مکمل ہوتا ہے۔ اس سائیکل کا زیادہ تر کام برطانوی بائیوکیمسٹ سر ہانس کربس نے کیا، اس لیے اسے کربس سائیکل کہتے ہیں۔ اسے سٹرک ایسڈ سائیکل بھی کہتے ہیں کیونکہ اس کے پہلے مرحلے میں چھ کاربن والا سٹرک ایسڈ بنتا ہے۔ سٹرک ایسڈ سائیکل کے تمام مرحلے مائٹوکونڈریا میں ہوتے ہیں۔

📌 نوٹ: کاربن ڈائی آکسائیڈ کا اخراج آکسیجن کے شامل ہونے سے پہلے ہوتا ہے، اس لیے یہ کہنا درست نہیں کہ ریسپائریشن آکسیجن کو کاربن ڈائی آکسائیڈ میں بدلتی ہے۔ زیادہ درست یہ ہے کہ ریسپائریشن گلوکوز کو کاربن ڈائی آکسائیڈ میں اور آکسیجن کو پانی میں بدلتی ہے۔

اس میں درج ذیل تعاملات ہوتے ہیں:

1- ایسیٹائل-CoA، CoA اور ایسیٹائل گروپ میں ٹوٹ جاتا ہے۔ ایسیٹائل گروپ چار کاربن والے مالیکیول آگزالوایسیٹک ایسڈ سے ملتا ہے، جس سے چھ کاربن والا سٹرک ایسڈ بنتا ہے۔
2- سٹرک ایسڈ آکسیڈیٹو ڈی کاربوکسیلیشن سے گزرتا ہے: CO2 کا ایک مالیکیول خارج ہوتا ہے اور پھر آکسیڈیشن ہوتی ہے (NAD+، NADH میں بدلتا ہے)، تو پانچ کاربن والا الفا-کیٹوگلوٹارک ایسڈ بنتا ہے۔
3- الفا-کیٹوگلوٹارک ایسڈ مزید آکسیڈیشن اور ڈی کاربوکسیلیشن سے گزرتا ہے، جس سے چار کاربن والا سکینک ایسڈ بنتا ہے۔ سکینک ایسڈ CoA سے مل کر سکینائل CoA بناتا ہے۔
4- سکینک ایسڈ اور CoA کے درمیان بانڈ ہائی انرجی لنکیج ہوتا ہے۔ وہ دوبارہ CoA اور سکینک ایسڈ میں ٹوٹ جاتا ہے اور اس تعامل میں خارج ہونے والی توانائی ATP کا ایک مالیکیول بنانے میں استعمال ہوتی ہے۔
5- سکینک ایسڈ آکسیڈائز ہو کر فیومارک ایسڈ بن جاتا ہے۔ جب اس کے دو ہائیڈروجن ایٹمز نکالے جاتے ہیں تو آزاد توانائی NAD+ کو ریڈیوس کرنے کے لیے کافی نہیں ہوتی، اس لیے ایک مختلف الیکٹران ایکسیپٹر یعنی کو انزائم فلیون اڈینین ڈائی نیوکلیوٹائیڈ (FAD) استعمال ہوتا ہے جو FADH2 میں ریڈیوس ہو جاتا ہے۔
6- آگزالوایسیٹک ایسڈ کو دوبارہ بنانے کے لیے فیومارک ایسڈ میں پانی کا ایک مالیکیول شامل کیا جاتا ہے اور وہ میلک ایسڈ بن جاتا ہے۔
7- میلک ایسڈ آکسیڈائز ہو کر آگزالوایسیٹک ایسڈ بناتا ہے۔ میلک ایسڈ سے خارج ہونے والے ہائیڈروجن اور الیکٹرانز NAD+ کو NADH میں بدلتے ہیں۔ اس سے سائیکل مکمل ہو جاتا ہے اور آگزالوایسیٹک ایسڈ اب ایک اور ایسیٹائل CoA مالیکیول سے مل کر سائیکل دوبارہ شروع کرنے کے لیے آزاد ہوتا ہے۔

Glucose → Pyruvic Acid → Krebs Cycle Glucose (6C) ↓ Glycolysis (cytosol) 2 Pyruvic acid (3C each) ↓ Pyruvic acid oxidation (CO₂ out) Acetyl-CoA (2C) ↓ Krebs cycle (mitochondrion) → CO₂ + NADH + FADH₂ + ATP Oxaloacetic acid (4C) regenerated
Ye flow samjho: Glucose پہلے cytosol میں glycolysis سے 2 pyruvic acid میں ٹوٹ تھی ہے. پھر ہر pyruvic acid سے CO₂ نکل کر acetyl-CoA بنتا ہے جو mitochondrion میں Krebs cycle میں جاتا ہے. Cycle میں CO₂ نکلتا ہے, NADH اور FADH₂ بنتے ہیں (جو اگلے step میں ATP بنائیں گے), ایک ATP بنتا ہے, اور oxaloacetic acid دوبارہ بن کر cycle کو چلاتا رہتا ہے.
Electron Transport Chain, Chemiosmosis, ATP Yield and Other Fuelsالیکٹران ٹرانسپورٹ چین، کیمیوسموسز، اے ٹی پی کی پیداوار اور دوسرے فیولز

🏷 Tags: electron transport chain, cytochrome, coenzyme Q, ATP synthase, chemiosmosis, substrate-level phosphorylation, 36 ATP, proteins, lipids, deamination

ENGLISH

Stage 4: Electron Transport Chain and Chemiosmosis

In electron transport chain the electrons are transferred from the reduced coenzymes i.e., NADH and FADH2 to a series of electron carriers and finally to oxygen. After getting the electrons, the oxygen attaches with hydrogen ions and forms water.

The transfer of electrons to a series of carriers of electron transport chain results in oxidation and reduction reactions i.e., a carrier is oxidized when it loses electrons and next carrier is reduced when it gets electrons. Electrons lose energy during this carrier-to-carrier transport. Chemiosmosis is the mechanism in which membranes are used to couple these redox reactions with the synthesis of ATPs.

📌 Note: You have seen that in redox reactions electrons and hydrogen ions are removed from substrates and transferred to coenzymes NAD+ and FAD.

Pathway of electrons

The electron transport chain of respiration is built in the inner membrane of the mitochondrion. At the start of electron transport chain, NADH is oxidized and the released electrons are taken up by coenzyme Q. If FADH2 is also to be oxidized, its electrons also move to coenzyme Q. The reduced CoQ transports electrons to cytochrome 'b' which in turn transports them to cytochrome 'c'. Cytochrome 'c' then transports electrons to cytochrome 'a' complex (a complex of two cytochromes). This complex transports electrons to an atom of oxygen that is present at the bottom end of the chain.

Synthesis of ATP

As redox occurs, the energy released from the electrons is used for the active transport of H+ ions from one side (the matrix of mitochondrion) of the membrane to the other (the inter-membrane space). In this way, many H+ ions are deposited in the inter-membrane space. The resulting H+ ion gradient stores potential energy. The H+ ions diffuse back along their concentration gradient from the inter-membrane space to the matrix.

On their way they pass through a special protein known as ATP synthase. As the H+ ions move through this protein, their flow drives the synthesis of ATP. Oxidation of one molecule of NADH in electron transport chain produces three ATP. While oxidation of one FADH2 produces two ATP. At the end, the two hydrogen ions are taken by the oxygen atom which has also taken two electrons to form water.

Substrate-level Phosphorylation

Cells generate ATP by phosphorylation i.e., adding a phosphate group to ADP. A cell has two ways to do this: chemiosmotic phosphorylation (chemiosmosis) and substrate-level phosphorylation. Substrate-level phosphorylation is much simpler than chemiosmosis. It does not involve any membrane or electron transport chain. In this process, an enzyme transfers a phosphate group from an organic substrate molecule to ADP. The products are a new organic molecule and a molecule of ATP. For example; during the last step of glycolysis, an enzyme transfers phosphate group from phosphoenol pyruvic (PEP) acid to ADP. As a result, ADP becomes ATP and PEP is changed into pyruvic acid. Substrate-level phosphorylation accounts for only a small percentage of the ATP that a cell generates.

Overview of the energy extracted from the Oxidation of Glucose

The NADH and FADH2 produced during glycolysis and Krebs cycle pass on their energy-rich electrons to the electron transport chain and ATPs are produced.

• The NADH molecule generated in the Krebs cycle causes the production of three ATP molecules, during chemiosmosis.
• Glycolysis takes place in cytoplasm and the NADH, produced during glycolysis, have to be transported across the mitochondrial membrane. It costs one ATP molecule per NADH. Thus, each NADH of glycolysis produces two ATP molecules in the final balance sheet instead of three.
• Each FADH2 molecule leads to the production of two ATP molecules.

In this way, aerobic oxidation of glucose yields a net profit of 36 ATP molecules. While during the glycolysis of anaerobic oxidation only 2 ATP molecules are generated. Thus, aerobic oxidation is 18 times more efficient than anaerobic.

StageDirect ATPNADH → ATPFADH2 → ATP
Glycolysis22 → 4—
Pyruvic acid oxidation—2 → 6—
Krebs cycle26 → 182 → 4
Total net yield36 ATP

Other Organic Molecules as fuel for Cellular Respiration

Free glucose molecules are not common in our diet. Rather, we consume sucrose and other disaccharides, starch, and fats and proteins. Proteins may also be used as fuel but they must be digested to their constituent amino acids. Typically, a cell uses most of the amino acids to make its own proteins. Some amino acids are deaminated (amino group detached) and then are converted to other organic compounds. These compounds are usually converted to pyruvic acid, acetyl CoA, or the organic acids in the Krebs cycle, and their energy is converted to ATP.

Lipids are excellent cellular fuel, because they contain many carbon-hydrogen bonds. They are first hydrolysed into glycerol and fatty acids. Glycerol is converted to glyceraldehyde 3-phosphate, an intermediate in glycolysis, while the fatty acids are changed into acetyl CoA. In this way both the fatty acids and the glycerol enter cellular respiration.

اردو

مرحلہ چہارم: الیکٹران ٹرانسپورٹ چین اور کیمیوسموسز

الیکٹران ٹرانسپورٹ چین میں الیکٹرانز ریڈیوسڈ کو انزائمز یعنی NADH اور FADH2 سے الیکٹران کیریئرز کی سیریز اور آخر میں آکسیجن تک منتقل ہوتے ہیں۔ الیکٹرانز حاصل کرنے کے بعد آکسیجن ہائیڈروجن آئنز سے مل کر پانی بناتی ہے۔

الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کے کیریئرز کی سیریز تک الیکٹرانز کی منتقلی سے آکسیڈیشن اور ریڈکشن تعاملات ہوتے ہیں — یعنی کیریئر آکسیڈائز ہوتا ہے جب وہ الیکٹرانز کھوتا ہے اور اگلا کیریئر ریڈیوس ہوتا ہے جب وہ الیکٹرانز حاصل کرتا ہے۔ الیکٹرانز کی اس کیریئر سے کیریئر منتقلی میں توانائی ضائع ہوتی ہے۔ کیمیوسموسز وہ طریقہ کار ہے جس میں جھلیاں ان ریڈاکس تعاملات کو ATP کی ترکیب سے جوڑتی ہیں۔

📌 نوٹ: آپ دیکھ چکے ہیں کہ ریڈاکس تعاملات میں الیکٹرانز اور ہائیڈروجن آئنز سبسٹریٹس سے نکال کر کو انزائمز NAD+ اور FAD کو منتقل کیے جاتے ہیں۔

الیکٹرانز کا راستہ

ریسپائریشن کی الیکٹران ٹرانسپورٹ چین مائٹوکونڈریا کی اندرونی جھلی میں بنی ہوتی ہے۔ الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کے شروع میں NADH آکسیڈائز ہوتا ہے اور خارج ہونے والے الیکٹرانز کو انزائم Q وصول کرتا ہے۔ اگر FADH2 بھی آکسیڈائز ہونا ہو تو اس کے الیکٹرانز بھی کو انزائم Q تک جاتے ہیں۔ ریڈیوسڈ CoQ الیکٹرانز کو سائٹوکروم 'b' تک پہنچاتا ہے جو انہیں سائٹوکروم 'c' تک پہنچاتا ہے۔ سائٹوکروم 'c' پھر الیکٹرانز کو سائٹوکروم 'a' کمپلیکس (دو سائٹوکرمز کا کمپلیکس) تک پہنچاتا ہے۔ یہ کمپلیکس الیکٹرانز کو آکسیجن کے ایٹم تک پہنچاتا ہے جو چین کے نچلے سرے پر موجود ہوتا ہے۔

ATP کی ترکیب

جیسے جیسے ریڈاکس ہوتا ہے، الیکٹرانز سے خارج ہونے والی توانائی H+ آئنز کی ایکٹو ٹرانسپورٹ میں استعمال ہوتی ہے — جھلی کے ایک طرف (مائٹوکونڈریا کے میٹرکس) سے دوسری طرف (انٹر-میمبرین سپیس) تک۔ اس طرح انٹر-میمبرین سپیس میں بہت سے H+ آئنز جمع ہو جاتے ہیں۔ اس سے بننے والا H+ آئن گریڈینٹ پوٹینشل انرجی ذخیرہ کرتا ہے۔ H+ آئنز اپنے ارتکاز گریڈینٹ کے ساتھ انٹر-میمبرین سپیس سے میٹرکس کی طرف واپس پھیلتے ہیں۔

راستے میں وہ ایک خاص پروٹین سے گزرتے ہیں جسے ATP سنتھیز کہتے ہیں۔ جب H+ آئنز اس پروٹین سے گزرتے ہیں تو ان کا بہاؤ ATP کی ترکیب کو چلاتا ہے۔ الیکٹران ٹرانسپورٹ چین میں NADH کے ایک مالیکیول کے آکسیڈیشن سے تین ATP بنتے ہیں جبکہ FADH2 کے ایک مالیکیول سے دو ATP بنتے ہیں۔ آخر میں دو ہائیڈروجن آئنز آکسیجن ایٹم لے لیتا ہے جس نے دو الیکٹرانز بھی لیے ہوتے ہیں اور پانی بن جاتا ہے۔

سبسٹریٹ لیول فاسفورائلیشن

خلیے فاسفورائلیشن یعنی ADP میں فاسفیٹ گروپ شامل کر کے ATP پیدا کرتے ہیں۔ خلیے کے پاس یہ کرنے کے دو طریقے ہیں: کیمیوسموٹک فاسفورائلیشن (کیمیوسموسز) اور سبسٹریٹ لیول فاسفورائلیشن۔ سبسٹریٹ لیول فاسفورائلیشن کیمیوسموسز سے بہت سادہ ہے۔ اس میں کوئی جھلی یا الیکٹران ٹرانسپورٹ چین شامل نہیں ہوتی۔ اس عمل میں ایک انزائم نامیاتی سبسٹریٹ مالیکیول سے فاسفیٹ گروپ ADP کو منتقل کرتا ہے۔ پراڈکٹس ایک نیا نامیاتی مالیکیول اور ATP کا ایک مالیکیول ہوتے ہیں۔ مثال کے طور پر گلائکولائسز کے آخری مرحلے میں ایک انزائم فاسفوانول پائرووک (PEP) ایسڈ سے فاسفیٹ گروپ ADP کو منتقل کرتا ہے، جس سے ADP، ATP بن جاتا ہے اور PEP پائرووک ایسڈ میں بدل جاتا ہے۔ سبسٹریٹ لیول فاسفورائلیشن خلیے کی پیدا کردہ ATP کا صرف ایک چھوٹا فیصد بنتی ہے۔

گلوکوز کے آکسیڈیشن سے حاصل ہونے والی توانائی کا جائزہ

گلائکولائسز اور کربس سائیکل کے دوران پیدا ہونے والے NADH اور FADH2 اپنے توانائی سے بھرپور الیکٹرانز الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کو دے دیتے ہیں اور ATPs بنتے ہیں۔

• کربس سائیکل میں پیدا ہونے والا NADH مالیکیول کیمیوسموسز کے دوران تین ATP مالیکیولز بناتا ہے۔
• گلائکولائسز سائٹوپلازم میں ہوتی ہے اور گلائکولائسز کے دوران پیدا ہونے والے NADH کو مائٹوکونڈریل جھلی کے پار منتقل کرنا پڑتا ہے۔ اس پر فی NADH ایک ATP خرچ ہوتا ہے، اس لیے گلائکولائسز کا ہر NADH حتمی حساب میں تین کی بجائے دو ATP دیتا ہے۔
• ہر FADH2 مالیکیول دو ATP مالیکیولز بناتا ہے۔

اس طرح گلوکوز کے ایروبک آکسیڈیشن سے خالص 36 ATP مالیکیولز ملتے ہیں۔ جبکہ این ایروبک آکسیڈیشن کی گلائکولائسز میں صرف 2 ATP مالیکیولز بنتے ہیں۔ اس طرح ایروبک آکسیڈیشن این ایروبک سے 18 گنا زیادہ مؤثر ہے۔

سیلولر ریسپائریشن کے لیے دوسرے نامیاتی مالیکیولز بطور فیول

ہماری خوراک میں آزاد گلوکوز مالیکیولز عام نہیں ہوتے۔ بلکہ ہم سکروز اور دوسرے ڈائی سیکرائیڈز، نشاستہ، چکنائی اور پروٹینز کھاتے ہیں۔ پروٹینز بھی فیول کے طور پر استعمال ہو سکتے ہیں لیکن انہیں پہلے ان کے امائنو ایسڈز میں ہضم کرنا پڑتا ہے۔ عام طور پر خلیہ زیادہ تر امائنو ایسڈز کو اپنے پروٹینز بنانے میں استعمال کرتا ہے۔ بعض امائنو ایسڈز ڈی ایمینٹڈ (امائنو گروپ الگ) ہو کر دوسرے نامیاتی مرکبات میں بدل جاتے ہیں۔ یہ مرکبات عام طور پر پائرووک ایسڈ، ایسیٹائل CoA یا کربس سائیکل کے نامیاتی ایسڈز میں بدل جاتے ہیں اور ان کی توانائی ATP میں بدل جاتی ہے۔

لپڈز بہترین سیلولر فیول ہیں کیونکہ ان میں بہت سے کاربن-ہائیڈروجن بانڈز ہوتے ہیں۔ وہ پہلے ہائیڈرولائز ہو کر گلیسرول اور فیٹی ایسڈز میں ٹوٹتے ہیں۔ گلیسرول گلیسرالڈیہائیڈ 3-فاسفیٹ میں بدل جاتا ہے جو گلائکولائسز کا ایک انٹرمیڈیٹ ہے، جبکہ فیٹی ایسڈز ایسیٹائل CoA میں بدل جاتے ہیں۔ اس طرح فیٹی ایسڈز اور گلیسرول دونوں سیلولر ریسپائریشن میں داخل ہو جاتے ہیں۔

Electron transport chain in a mitochondrion: carriers passing electrons, hydrogen ions pumped, ATP synthase making ATP, water formed
ETC aur Chemiosmosis samjho: Mitochondrion کی inner membrane میں NADH اور FADH₂ سے electrons carriers (CoQ → cytochrome b → c → a) سے گزرتے ہوئے آخر میں oxygen تک جاتے ہیں, اور oxygen hydrogen سے مل کر پانی بناتی ہے. Electrons کی energy سے H⁺ ions matrix سے inter-membrane space میں pump ہوتے ہیں; جب یہ واپس ATP synthase سے گزرتے ہیں تو ADP + Pi سے ATP بن جاتا ہے. Book کے حساب سے 1 NADH = 3 ATP اور 1 FADH₂ = 2 ATP.
6.3 Photorespiration, C-4 Photosynthesis and CAM Metabolism6.3 فوٹو ریسپائریشن، سی فور فوٹو سنتھیسز اور سی اے ایم میٹابولزم

🏷 Tags: photorespiration, Rubisco, phosphoglycolate, C-3 plants, C-4 plants, bundle-sheath cells, PEP, oxaloacetic acid, malic acid, CAM, stomata

ENGLISH

6.3- Photorespiration

The respiratory activity that occurs in green cells in the presence of light resulting in release of carbon dioxide is termed as photorespiration. It needs oxygen and produce CO2 and H2O like aerobic respiration. However, ATP is not produced during photorespiration.

📌 Recalling: During carbon fixation, rubisco combines three molecules of CO2 with three molecules of RuBP and makes six molecules of 3-phosphoglyceric acid (3-PGA).

Mechanism of Photorespiration

We know that RuBP carboxylase (rubisco) catalyses the addition of CO2 to RuBP to make phosphoglyceric acid (phosphoglycerate), which is further reduced to form glucose. However, when the relative concentration of CO2 decreases and there is more oxygen in leaf cells, rubisco adds O2 in RuBP instead of CO2. It results in the breakdown of RuBP into two molecules i.e., one phosphoglycerate and one phosphoglycolate (a two-carbon molecule).

Phosphoglycolate is converted into glycolate, which moves from chloroplast to peroxisome. Here, it is metabolized to glyoxylate by using O2. This reaction also produces toxic hydrogen peroxide (H2O2). Glyoxylate is then converted to glycine, which is transported to mitochondrion. Here, two molecules of glycine form a molecule of serine. Serine is then transported to peroxisome. Here, it is converted to glycerate. From peroxisome, glycerate moves to chloroplast, where it is changed to phosphoglycerate which can re-enter Calvin cycle.

Disadvantages of Photorespiration

Plants that use Calvin cycle to fix carbon are called C-3 plants. When photorespiration occurs in these plants, they lose between a 25% to 50% of their fixed carbon. It results in reduction in their yields. The rate of photorespiration also depends on temperature. At higher temperatures, the oxidative activity of rubisco increases than its carbon fixing activity. In tropical climates, especially those in which the temperature is often above 28 °C, the problem is a severe and it has a major negative impact on agricultural yields.

When photosynthesis first evolved, there was little oxygen in the atmosphere. So, there was little or no photorespiration. After millions of years, free O2 accumulated in the atmosphere and competition started between CO2 and O2 for the same active site of rubisco. It led to the problem that photorespiration now poses.

Adaptations to the problems of Photorespiration

Plants of warmer climates evolved the following two ways to deal with the problem of photorespiration.

I. C-4 Photosynthesis: Some plants including grasses (corn, sugarcane and sorghum) and about two dozen other plant groups run a special pathway called C-4 photosynthesis in addition to C-3 photosynthesis.

In C-4 photosynthesis, the energy cost for making a glucose molecule is almost double. However, in hot climates, in which photorespiration would otherwise remove more than half of the carbon fixed, it is best compromise available.

In their leaves, the mesophyll cells have less air spaces. The enzymes of Calvin cycle are more deposited in specialized cells called bundle-sheath cells, which are impermeable to CO2.

During C-4 photosynthesis, in mesophyll cells, CO2 is attached with a 3-carbon molecule called phosphoenol pyruvic acid. It results in the formation of a four-carbon molecule oxaloacetic acid. Due to this first 4-C product, this process is called C-4 photosynthesis and the plants are called C-4 plants. Oxaloacetic acid is then converted to malic acid, by using NADH. Malic acid is transported to an adjacent bundle-sheath cell. Here, malic acid is broken down to pyruvic acid and CO2. These cells can hold CO2 in them. So, concentration of CO2 increases in these cells and they run Calvin cycle instead of photorespiration. Pyruvic acid produced in bundle sheath cells returns to mesophyll cell and is converted again to phosphoenol pyruvic acid by using an ATP.

CAM Metabolism: In hot climates, many succulent plants such as Cacti, pineapples and some other plant groups perform Crassulacean acid metabolism or CAM (after the plant family Crassulaceae in which it was first discovered). In these plants, the stomata open during the night and close during the day. Closing stomata during the day prevents water loss and removal of CO2. So, rate of photorespiration is reduced due to high concentration of carbon dioxide. The carbon dioxide necessary for producing sugar is provided from organic molecules made the night before. Like C-4 plants, these plants use both C-4 and C-3 pathways.

اردو

6.3- فوٹو ریسپائریشن

سبز خلیوں میں روشنی کی موجودگی میں ہونے والی ریسپائریٹری سرگرمی جس سے کاربن ڈائی آکسائیڈ خارج ہوتی ہے، فوٹو ریسپائریشن کہلاتی ہے۔ اسے آکسیجن چاہیے ہوتی ہے اور یہ ایروبک ریسپائریشن کی طرح CO2 اور H2O پیدا کرتی ہے۔ تاہم فوٹو ریسپائریشن کے دوران ATP پیدا نہیں ہوتی۔

📌 یاد رکھیں: کاربن فکسیشن کے دوران روبسکو CO2 کے تین مالیکیولز کو RuBP کے تین مالیکیولز سے ملاتا ہے اور 3-فاسفوگلیسرک ایسڈ (3-PGA) کے چھ مالیکیولز بناتا ہے۔

فوٹو ریسپائریشن کا طریقہ کار

ہم جانتے ہیں کہ RuBP کاربوکسیلیز (روبسکو) CO2 کو RuBP میں شامل کر کے فاسفوگلیسرک ایسڈ (فاسفوگلیسرٹ) بناتا ہے جو مزید ریڈیوس ہو کر گلوکوز بناتا ہے۔ لیکن جب پتوں کے خلیوں میں CO2 کی نسبتاً مقدار کم ہو جائے اور آکسیجن زیادہ ہو تو روبسکو CO2 کی بجائے O2 کو RuBP میں شامل کر دیتا ہے۔ اس سے RuBP دو مالیکیولز میں ٹوٹ جاتا ہے یعنی ایک فاسفوگلیسرٹ اور ایک فاسفوگلائیکولیٹ (دو کاربن والا مالیکیول)۔

فاسفوگلائیکولیٹ گلائیکولیٹ میں بدل جاتا ہے جو کلوروپلاسٹ سے پیروکسیزوم تک جاتا ہے۔ یہاں وہ O2 استعمال کر کے گلائیکسلیٹ میں میٹابولائز ہوتا ہے۔ اس تعامل میں زہریلا ہائیڈروجن پر آکسائیڈ (H2O2) بھی پیدا ہوتا ہے۔ گلائیکسلیٹ پھر گلائسین میں بدل جاتا ہے جو مائٹوکونڈریا تک پہنچایا جاتا ہے۔ یہاں گلائسین کے دو مالیکیولز سیرین کا ایک مالیکیول بناتے ہیں۔ سیرین پھر پیروکسیزوم تک پہنچائی جاتی ہے جہاں وہ گلیسرٹ میں بدل جاتی ہے۔ پیروکسیزوم سے گلیسرٹ کلوروپلاسٹ تک جاتا ہے جہاں وہ فاسفوگلیسرٹ میں بدل جاتا ہے جو دوبارہ کیلون سائیکل میں داخل ہو سکتا ہے۔

فوٹو ریسپائریشن کے نقصانات

کاربن فکس کرنے کے لیے کیلون سائیکل استعمال کرنے والے پودے C-3 پودے کہلاتے ہیں۔ جب ان پودوں میں فوٹو ریسپائریشن ہوتی ہے تو وہ اپنے فکس شدہ کاربن کا 25 سے 50 فیصد کھو دیتے ہیں۔ اس سے ان کی پیداوار کم ہو جاتی ہے۔ فوٹو ریسپائریشن کی شرح درجہ حرارت پر بھی منحصر ہے۔ زیادہ درجہ حرارت پر روبسکو کی آکسیڈیٹو سرگرمی اس کی کاربن فکسنگ سرگرمی سے زیادہ بڑھ جاتی ہے۔ گرم آب و ہوا میں، خاص طور پر جہاں درجہ حرارت اکثر 28 °C سے زیادہ ہوتا ہے، یہ مسئلہ شدید ہوتا ہے اور زرعی پیداوار پر بڑا منفی اثر ڈالتا ہے۔

جب فوٹو سنتھیسز نے پہلی بار ارتقاء کیا تو ہوا میں آکسیجن کم تھی، اس لیے فوٹو ریسپائریشن کم یا نہ ہونے کے برابر تھی۔ لاکھوں سال بعد ہوا میں آزاد O2 جمع ہو گئی اور روبسکو کی ایک ہی ایکٹو سائٹ کے لیے CO2 اور O2 میں مقابلہ شروع ہو گیا — یہی وہ مسئلہ ہے جو فوٹو ریسپائریشن اب پیش کرتی ہے۔

فوٹو ریسپائریشن کے مسئلے کے حل (ایڈاپٹیشنز)

گرم آب و ہوا کے پودوں نے فوٹو ریسپائریشن کے مسئلے سے نمٹنے کے لیے درج ذیل دو طریقے اختیار کیے:

اول- C-4 فوٹو سنتھیسز: بعض پودے جن میں گھاس (مکئی، گنا اور جوار) اور تقریباً دو درجن دوسرے پودوں کے گروپس شامل ہیں، C-3 فوٹو سنتھیسز کے علاوہ C-4 فوٹو سنتھیسز نامی ایک خاص راستہ بھی چلاتے ہیں۔

C-4 فوٹو سنتھیسز میں گلوکوز مالیکیول بنانے کی توانائی کی لاگت تقریباً دگنی ہوتی ہے۔ لیکن گرم آب و ہوا میں جہاں فوٹو ریسپائریشن فکس شدہ کاربن کا نصف سے زیادہ ضائع کر دے، یہ بہترین سمجھوتہ ہے۔

ان کے پتوں میں میزوفل خلیوں میں ہوا کی جگہ کم ہوتی ہے۔ کیلون سائیکل کے انزائمز زیادہ تر مخصوص خلیوں میں جمع ہوتے ہیں جنہیں بنڈل-شیتھ خلیے کہتے ہیں جو CO2 کے لیے ناقابل عبور ہوتے ہیں۔

C-4 فوٹو سنتھیسز کے دوران میزوفل خلیوں میں CO2، تین کاربن والے مالیکیول فاسفوانول پائرووک ایسڈ (PEP) سے مل جاتی ہے، جس سے چار کاربن والا مالیکیول آگزالوایسیٹک ایسڈ بنتا ہے۔ اس پہلی 4-C پراڈکٹ کی وجہ سے یہ عمل C-4 فوٹو سنتھیسز کہلاتا ہے اور پودے C-4 پودے کہلاتے ہیں۔ آگزالوایسیٹک ایسڈ پھر NADH استعمال کر کے میلک ایسڈ میں بدل جاتا ہے۔ میلک ایسڈ قریبی بنڈل-شیتھ خلیے تک پہنچایا جاتا ہے جہاں وہ ٹوٹ کر پائرووک ایسڈ اور CO2 بن جاتا ہے۔ یہ خلیے CO2 کو اپنے اندر روک سکتے ہیں، اس لیے ان خلیوں میں CO2 کی مقدار بڑھ جاتی ہے اور وہ فوٹو ریسپائریشن کی بجائے کیلون سائیکل چلاتے ہیں۔ بنڈل-شیتھ خلیوں میں بننے والا پائرووک ایسڈ میزوفل خلیے میں واپس آتا ہے اور ATP استعمال کر کے دوبارہ فاسفوانول پائرووک ایسڈ میں بدل جاتا ہے۔

سی اے ایم میٹابولزم: گرم آب و ہوا میں بہت سے رس دار پودے جیسے کیکٹس، انناس اور بعض دوسرے پودوں کے گروپس کراسولیشین ایسڈ میٹابولزم یا CAM (اس پودوں کی فیملی کراسولیشی کے نام پر جس میں یہ پہلی بار دریافت ہوا) انجام دیتے ہیں۔ ان پودوں میں سٹومیٹا رات کو کھلتے ہیں اور دن کو بند رہتے ہیں۔ دن کو سٹومیٹا بند رہنے سے پانی کا ضیاع اور CO2 کا اخراج رکتا ہے، اس لیے کاربن ڈائی آکسائیڈ کی زیادہ مقدار کی وجہ سے فوٹو ریسپائریشن کی شرح کم ہو جاتی ہے۔ شوگر بنانے کے لیے ضروری کاربن ڈائی آکسائیڈ پچھلی رات بننے والے نامیاتی مالیکیولز سے مہیا ہوتی ہے۔ C-4 پودوں کی طرح یہ پودے C-4 اور C-3 دونوں راستے استعمال کرتے ہیں۔

C-3 vs C-4 Photosynthesis C-3 PhotosynthesisCO₂ → RuBP (Rubisco)→ 3-PGA → SugarHot + O₂ high → Rubiscoadds O₂ → photorespiration25–50% carbon lost C-4 PhotosynthesisMesophyll: CO₂ + PEP (3C)→ Oxaloacetic acid (4C) → Malic acidBundle-sheath: CO₂ released→ Calvin cycle (no photorespiration)Cost: almost double energy
C-3 vs C-4 samjho: C-3 پودے سیدھا CO₂ کو Rubisco سے RuBP میں fix کرتے ہیں — لیکن گرمی میں جب O₂ زیادہ ہو تو Rubisco غلطی سے O₂ جور دیتا ہے اور photorespiration میں 25–50% carbon ضائع ہو جاتا ہے. C-4 پودے پہلے mesophyll cell میں CO₂ کو PEP (3C) سے جور کر 4C oxaloacetic acid بناتے ہیں, پھر malic acid کی صورت میں bundle-sheath cell تک لے جاتے ہیں جہاں CO₂ release کر کے Calvin cycle چلاتے ہیں — photorespiration سے بچاؤ, لیکن energy لگ بھگ دگنی لگتی ہے.
📝 Official Exercise Questions — with Answers📝 کتاب کی مشق — جوابات کے ساتھ
KITAB KI EXERCISE

Chapter 6 — Bioenergetics, printed pages 164–166. نیچے کتاب کی official exercise کے تمام سوال جواب کے ساتھ دیے گئے ہیں.

Section 1 — Multiple Choice Questionsحصہ 1 — کثیر الانتخابی سوالات
MCQs + ANSWERS

1. What main process occurs during the dark reaction of photosynthesis?

  • (a) Release of oxygen
  • (b) Energy absorption by chlorophyll
  • (c) Adding of hydrogen to CO2 ✓
  • (d) Formation of ATP
Answer / جواب

Answer: (c) Adding of hydrogen to CO2 — Dark reactions (Calvin cycle) mein CO2 کو NADPH سے ملنے والے hydrogen سے reduce کر کے sugar بنائی جاتی ہے; oxygen release اور ATP formation light reactions کے کام ہیں.

2. What is TRUE about glycolysis?

  • (a) It produces no ATP
  • (b) It takes place only in aerobic respiration
  • (c) It takes place in the mitochondrion
  • (d) It reduces 2 molecules of NAD+ for every glucose molecule processed ✓
Answer / جواب

Answer: (d) It reduces 2 molecules of NAD+ for every glucose molecule processed — Glycolysis cytosol میں ہوتی ہے (mitochondrion میں نہیں), دونوں respiration types میں ہوتی ہے, ATP بھی بناتی ہے, اور ہر glucose سے oxidative phase میں 2 NAD+ → 2 NADH reduce ہوتے ہیں.

3. Which of the following are produced by the reactions that occur in the thylakoid and consumed by the reactions that occur in the stroma?

  • (a) CO2 and H2O
  • (b) Glucose and O2
  • (c) NADP+ and ADP
  • (d) ATP and NADPH ✓
Answer / جواب

Answer: (d) ATP and NADPH — Thylakoid (grana) کی light reactions ATP اور NADPH بناتی ہیں; stroma کی dark reactions (Calvin cycle) ان دونوں کو استعمال کر کے CO2 سے sugar بناتی ہیں.

4. When deprived of oxygen, yeast cells obtain energy by fermentation, producing CO2, ATP and;

  • (a) Acetyl CoA
  • (b) Ethyl alcohol ✓
  • (c) Lactic acid
  • (d) Pyruvic acid
Answer / جواب

Answer: (b) Ethyl alcohol — Yeast alcoholic fermentation karta hai: pyruvic acid → ethyl alcohol (C2H5OH) + CO2. Lactic acid جانوروں کے muscle cells میں بنتا ہے.

5. Conversion of Glucose 6-phosphate into Fructose 6-phosphate is;

  • (a) Isomerization ✓
  • (b) Polymerization
  • (c) Condensation
  • (d) Phosphorylation
Answer / جواب

Answer: (a) Isomerization — Glucose 6-phosphate اور fructose 6-phosphate ایک دوسرے کے isomers ہیں (ایک ہی formula, مختلف structure) — اس تبدیلی میں کوئی phosphate نہیں جڑا اور نہ کوئی molecule نکلا.

6. In which of the following conversions, ATP is produced?

  • (a) Alpha ketoglutaric acid into succinyl CoA
  • (b) Succinyl CoA into succinic acid ✓
  • (c) Succinic acid into fumaric acid
  • (d) Fumaric acid into malic acid
Answer / جواب

Answer: (b) Succinyl CoA into succinic acid — Krebs cycle کے step 4 میں succinyl-CoA کا high-energy bond ٹوٹ تا ہے اور اس energy سے ATP بنتا ہے. دوسرے steps میں NADH/FADH2 بنتے ہیں, direct ATP نہیں.

7. In electron transport chain, FADH2 produces how many ATPs?

  • (a) One
  • (b) Two ✓
  • (c) Three
  • (d) Four
Answer / جواب

Answer: (b) Two — Book کے حساب سے ETC میں 1 NADH → 3 ATP اور 1 FADH2 → 2 ATP (FADH2 chain میں بعد میں داخل ہوتا ہے, اس لیے کم H+ pump ہوتے ہیں).

8. Which of these is CO2 acceptor during photosynthesis?

  • (a) Malic acid
  • (b) Ribulose biphosphate ✓
  • (c) Oxaloacetic acid
  • (d) Phosphoglyceric acid
Answer / جواب

Answer: (b) Ribulose biphosphate — Calvin cycle mein Rubisco enzyme CO2 کو RuBP (5-carbon sugar) سے ملاتا ہے, جس سے 3-PGA بنتا ہے. Oxaloacetic acid C-4 pathway کا پہلا product ہے, CO2 acceptor نہیں.

9. Which of the following takes the electrons lost by Photosystem I on absorption of light energy?

  • (a) Ferredoxin ✓
  • (b) Cytochrome
  • (c) Cytochrome a-3
  • (d) Plastocyanin
Answer / جواب

Answer: (a) Ferredoxin — PS-I کے primary acceptor سے electrons دوسری ETC سے گزر کر ferredoxin (FD) تک جاتے ہیں, پھر NADP reductase انہیں NADP+ کو دے کر NADPH بناتا ہے.

10. Photosystem-II makes up the electrons lost due to light excitation by taking up the electrons released from,

  • (a) Ferredoxin
  • (b) NADPH:H+
  • (c) Plastocyanin
  • (d) Photolysis of water ✓
Answer / جواب

Answer: (d) Photolysis of water — P680 کا electron hole پانی کے photolysis سے بھرا جاتا ہے: پانی ٹوٹ کر 2H+, O2 اور 2 electrons دیتا ہے, اور یہ electrons P680 کا خلاء بھرتے ہیں.

Section 2 — Short Questionsحصہ 2 — مختصر سوالات
SHORT QUESTIONS + ANSWERS
1. Differentiate between action spectrum and absorption spectrum.

Absorption spectrum is a graph showing which wavelengths of light a pigment absorbs (e.g. chlorophyll peaks at blue 430 nm and red 670 nm). Action spectrum is a graph showing how effective different wavelengths are in driving photosynthesis, measured by the rate of photosynthesis (oxygen emitted) under each colour. The two coincide: the wavelengths most absorbed (blue and red) are also the most effective — which proves that the absorbed light is what drives photosynthesis.

2. How is photosynthesis a redox reaction?

Photosynthesis is a redox (oxidation–reduction) reaction because oxidation and reduction happen together: water molecules are split apart — they are oxidized (they lose electrons and hydrogen ions) and yield oxygen; at the same time CO2 is reduced to sugar as electrons and hydrogen ions are added to it. One substance loses electrons while the other gains them, so the whole process is redox.

3. Which molecule contributes Oxygen in glucose? Water or carbon dioxide?

Carbon dioxide. The oxygen atoms in the glucose molecule come from CO2, not from water. This was proved by the 18O tracer experiment: plants given H218O released 18O gas, while plants given C18O2 released normal 16O — showing that the oxygen gas released comes from water, while the oxygen built into glucose comes from carbon dioxide.

4. State the role of CO2 in photosynthesis.

CO2 is the source of carbon for making sugars: it is reduced (using ATP and NADPH) to form carbohydrates. It enters leaves through stomata, dissolves in the water of mesophyll cell walls, and is fixed by Rubisco into RuBP in the Calvin cycle. Without CO2 there would be no carbon skeleton to build glucose and other organic compounds.

5. Define electron transport chain.

An electron transport chain (ETC) is a series of electron carriers (proteins and small molecules) embedded in a membrane, through which electrons pass from one carrier to the next. As electrons move down the chain they lose energy; this energy is used to pump H+ ions across the membrane and, through chemiosmosis, to make ATP. ETCs occur in the thylakoid membranes of chloroplasts and the inner membrane of mitochondria.

6. What do you mean by glycolysis?

Glycolysis is the breakdown of one glucose molecule into two molecules of pyruvic acid (3C each). It takes place in the cytosol, in both aerobic and anaerobic respiration, through a series of enzyme-catalysed steps (preparatory phase using 2 ATP, then oxidative phase producing ATP and NADH). Oxygen is not needed for glycolysis.

7. What is the main structural difference between chlorophyll-a and chlorophyll-b?

Both have the same porphyrin head (four pyrrole rings around a magnesium atom) and hydrocarbon tail, but they differ on the second pyrrole ring: in chlorophyll-a it carries a methyl group (CH3), while in chlorophyll-b the same spot carries an aldehyde group (CHO). This small difference changes which wavelengths each absorbs, widening the range of light the plant can use.

8. How can a cell synthesize ATP through substrate-level phosphorylation?

In substrate-level phosphorylation, an enzyme directly transfers a phosphate group from an organic substrate molecule to ADP, making ATP — no membrane or electron transport chain is involved. Example: in the last step of glycolysis, an enzyme transfers a phosphate from phosphoenol pyruvic acid (PEP) to ADP, producing ATP and pyruvic acid. It accounts for only a small percentage of a cell's ATP.

9. Can pyruvic acid enter Krebs cycle as such? If not, what changes are made to it before Krebs cycle?

No. Pyruvic acid cannot enter the Krebs cycle directly. First it is changed in three steps (pyruvic acid oxidation): (1) a CO2 molecule is removed → acetaldehyde; (2) acetaldehyde is oxidized (hydrogen removed) → acetyl group, and NAD+ is reduced to NADH; (3) the acetyl group combines with coenzyme-A → acetyl-CoA, which then enters the Krebs cycle.

10. Differentiate between C-3 and C-4 photosynthesis.

C-3 photosynthesis: CO2 is fixed directly by Rubisco into RuBP, and the first product is the 3-carbon compound 3-PGA. In hot conditions Rubisco also binds O2, causing photorespiration and 25–50% carbon loss. C-4 photosynthesis: CO2 is first fixed in mesophyll cells by PEP into the 4-carbon oxaloacetic acid, converted to malic acid, and carried to bundle-sheath cells where CO2 is released for the Calvin cycle — so photorespiration is avoided, at almost double the energy cost. C-4 plants include corn, sugarcane and sorghum.

Section 3 — Long Questionsحصہ 3 — طویل سوالات
LONG QUESTIONS + ANSWERS
1. What are photosynthetic pigments and what role they play in the absorption and conversion of light energy?

Photosynthetic pigments are coloured molecules in thylakoid membranes that capture light energy for photosynthesis: chlorophyll a, chlorophyll b, xanthophylls and carotenes (plus phycobilins in red algae and cyanobacteria). They absorb photons — one photon at a time — and their electrons jump to a higher energy level (the pigment becomes excited). Accessory pigments (chlorophyll b, carotenoids) pass their excitation energy to chlorophyll a in the order Carotenoids → Chlorophyll b → Chlorophyll a. In the reaction centre, chlorophyll a passes the high-energy electrons to a primary electron acceptor and then to the electron transport chain. In this way the pigments convert light energy into chemical energy (ATP and NADPH), which the Calvin cycle then uses to build sugars.

2. How are the absorption spectra of chlorophyll 'a' and 'b' different?

Both chlorophylls absorb most strongly in the blue and red regions, but their peaks differ because of the different group on the second pyrrole ring (methyl in chl-a, aldehyde in chl-b). Chlorophyll-a has its main absorption peaks around blue 430 nm and red 670 nm. Chlorophyll-b absorbs at slightly different wavelengths in the blue and red regions — some wavelengths that chlorophyll-a absorbs poorly are absorbed very effectively by chlorophyll-b, and vice versa. This difference increases the total range of light the plant can harvest, which is why plants carry both pigments.

3. Describe and illustrate how photosynthetic pigments are organized in thylakoid membrane?

Pigments are organized into clusters called photosystems, embedded in the thylakoid membranes of chloroplasts. Each photosystem has two parts: (1) an antenna complex — many pigment molecules (chlorophylls and carotenoids) that capture light and funnel the excitation energy inward; and (2) a reaction centre — one or more chlorophyll-a molecules (P680 in PS-II, P700 in PS-I) that receive this energy and pass the excited electrons to a primary electron acceptor, which hands them to the electron transport chain. There are two photosystems, PS-I and PS-II, named in order of discovery. Imagine it like a satellite dish (antenna) collecting signals and feeding them to a single receiver (reaction centre) — the antenna gathers much more light than one molecule could alone, and the reaction centre does the actual chemistry. [Illustration: a thylakoid membrane with a photosystem — antenna pigments around a central P680/P700 reaction centre passing electrons to an acceptor.]

4. Describe how the role of water in photosynthesis can be explained through experiment.

Van Niel (1930s) hypothesized that plants split water as the source of hydrogen, releasing oxygen as a by-product. This was tested in the 1940s with the heavy-oxygen isotope 18O as a tracer. Scientists prepared water with heavy oxygen (H218O) and carbon dioxide with heavy oxygen (C18O2). One group of green plants received H218O + normal C16O2; a second group received C18O2 + normal H216O. Both groups photosynthesized, and the released oxygen was collected and tested. The first group released 18O, while the second released normal 16O. This proves the released oxygen comes from water, not from carbon dioxide — so water has two roles: it supplies the hydrogen that reduces NADP to NADPH (the reducing power for CO2 reduction) and it is the source of the oxygen we breathe.

5. What are the events that capture light and convert it into chemical energy during light dependent reactions?

The light-dependent reactions (on grana thylakoids) capture light and convert it into chemical energy (ATP + NADPH) in these events: (1) Absorption by PS-II: antenna pigments absorb light; excited electrons reach P680 and pass to PS-II's primary acceptor, leaving an electron hole. (2) Photolysis of water: the hole is filled by electrons from split water, releasing O2 and H+. (3) Electron flow PS-II → PS-I: electrons travel through plastoquinone, cytochrome complex and plastocyanin, losing energy used to pump H+ into the lumen (chemiosmosis → ATP). (4) Absorption by PS-I: light re-energizes electrons at P700, which pass to PS-I's primary acceptor. (5) Electron flow PS-I → NADP+: electrons go via ferredoxin and NADP reductase to NADP+, forming NADPH. The zigzag electron path is the Z-scheme. In cyclic flow (PS-I only), electrons cycle back to P700 and make ATP only, with no NADPH or O2.

6. Illustrate the cyclic photophosphorylation.

In cyclic photophosphorylation only PS-I works (PS-II is not involved). Light excites P700 chlorophyll; its electrons pass to the primary electron acceptor of PS-I, then instead of going to NADP+, they travel through an electron transport chain (including the cytochrome complex) and return to P700 — a cycle. As electrons flow, their energy pumps H+ into the thylakoid lumen, and the H+ gradient drives ATP synthase to make ATP. There is no photolysis of water, so no oxygen is released, and no NADPH is formed — only ATP. This happens when the Calvin cycle slows down and NADPH accumulates in the chloroplast, so the cell needs ATP without more NADPH. [Illustration: PS-I with an arrow looping from its primary acceptor back through carriers to P700, labelled "ATP only, no NADPH, no O2".]

7. Describe light independent reactions of photosynthesis in terms of paragraph and illustrate in terms of Calvin cycle.

Light-independent reactions (dark reactions) occur in the stroma of the chloroplast and do not need light directly — only ATP and NADPH from the light reactions. In the Calvin cycle (discovered by Melvin Calvin, Nobel Prize 1961), carbon dioxide is fixed and reduced to sugar in three phases. Phase I — Carbon fixation: the enzyme Rubisco combines 3 CO2 with 3 RuBP (5C) to form 6 molecules of 3-PGA (3C). Phase II — Reduction: 6 ATP donate phosphate groups to 3-PGA, forming 1,3-biphosphoglyceric acid, which NADPH reduces to 6 G3P; one G3P leaves the cycle and, with another G3P, forms glucose. Phase III — Regeneration: the remaining 5 G3P are converted to 5 RuP, and with 3 ATP they regenerate 3 RuBP, so the cycle can fix CO2 again. Because the first product is a 3-carbon compound, the cycle is also called the C-3 pathway. [Illustration: a circular Calvin cycle diagram — CO2 in, RuBP → 3-PGA → G3P → sugar out, with ATP and NADPH feeding the reduction step and RuBP regenerated.]

8. What happens with glucose in anaerobic respiration and how different organisms modify the end products?

In anaerobic respiration glucose is not completely oxidized. First, glycolysis splits glucose into two pyruvic acid molecules, yielding a net 2 ATP and 2 NADH. Then, because there is no oxygen to accept electrons, NADH reduces pyruvic acid so that NAD+ is regenerated and glycolysis can continue. Different organisms modify the end products differently: (a) Alcoholic fermentation (yeast and some bacteria): pyruvic acid is broken down into ethyl alcohol (C2H5OH) and CO2 — 2[C3H4O3] → 2[C2H5OH] + 2CO2. (b) Lactic acid fermentation (human and animal muscle cells during extreme activity, and many bacteria): each pyruvic acid is converted into lactic acid (C3H6O3). In both cases the total yield stays at only 2 ATP per glucose — about 2% of glucose's energy — because most energy remains locked in the alcohol or lactic acid.

9. How is glucose broken down to pyruvic acid in glycolysis?

Glycolysis (in the cytosol, no oxygen needed) breaks one glucose into two pyruvic acid molecules in two phases. Preparatory phase (energy spent): (1) ATP donates a phosphate to glucose → glucose 6-phosphate. (2) It isomerizes to fructose 6-phosphate. (3) A second ATP donates another phosphate → fructose 1,6-biphosphate. (4) This reactive molecule splits into two 3-carbon intermediates, G3P and DAP, which interconvert to give two G3P. Oxidative phase (energy harvested): (1) Each G3P is oxidized — two hydrogens go to NAD+ (→ NADH) and a phosphate is added → 1,3-biphosphoglyceric acid. (2) Its phosphate is passed to ADP → 3-PGA + ATP. (3) 3-PGA → 2-PGA. (4) 2-PGA loses water → PEP. (5) PEP donates its high-energy phosphate to ADP → ATP + pyruvic acid. Net result per glucose: 2 pyruvic acid, 2 ATP (net) and 2 NADH.

10. Describe how Krebs cycle is the completion of the oxidation of glycolytic products.

Glycolysis only partly oxidizes glucose — its products (pyruvic acid) still hold most of the energy in their C–H bonds. The Krebs cycle finishes the job. First, pyruvic acid oxidation removes CO2 (→ acetaldehyde), oxidizes it to an acetyl group (NAD+ → NADH), and joins it to CoA → acetyl-CoA. In the cycle, acetyl-CoA joins the 4-carbon oxaloacetic acid to form 6-carbon citric acid, which is then stepwise oxidized and decarboxylated: citric acid → alpha-ketoglutaric acid (CO2 out, NADH formed) → succinic acid (CO2 out, NADH formed; ATP made when succinyl-CoA splits) → fumaric acid (FADH2 formed) → malic acid → oxaloacetic acid regenerated (NADH formed). By the end, the acetyl group has been completely oxidized to CO2, its hydrogens captured as NADH and FADH2 for the electron transport chain, and oxaloacetic acid is free to accept the next acetyl-CoA. So the Krebs cycle completes the oxidation that glycolysis started.

11. Explain the passage of electron through electron transport chain.

The respiratory electron transport chain sits in the inner membrane of the mitochondrion. NADH is oxidized first and its electrons are taken up by coenzyme Q; electrons from FADH2 also enter at coenzyme Q. Reduced CoQ passes the electrons to cytochrome 'b', which passes them to cytochrome 'c', which passes them to the cytochrome 'a' complex (two cytochromes). Finally the complex delivers the electrons to an oxygen atom at the bottom of the chain, which combines with hydrogen ions to form water. At each step the carrier is oxidized (loses electrons) and the next is reduced (gains electrons), and the electrons lose energy as they move down the chain — this released energy pumps H+ ions from the matrix into the inter-membrane space, setting up the gradient that makes ATP.

12. Define chemiosmosis. How would you relate it with electron transport chain?

Chemiosmosis is the mechanism by which membranes couple redox reactions with ATP synthesis. As electrons pass down the electron transport chain, carriers are alternately oxidized and reduced, and the energy the electrons lose is used to actively transport H+ ions across the membrane — in chloroplasts from stroma to thylakoid lumen, in mitochondria from matrix to inter-membrane space. The accumulated H+ gradient stores potential energy. The H+ ions then diffuse back down their gradient through the enzyme ATP synthase, and the flow of ions drives ATP synthase to bond ADP with Pi, forming ATP. So the electron transport chain creates the gradient, and chemiosmosis cashes it in as ATP — the two are inseparable: without electron flow there is no gradient, and without the gradient (and ATP synthase) electron flow alone would make no ATP.

13. Through which ways proteins and fats enter cellular respiration?

Proteins and fats are not used directly; they are first broken down and their pieces join the main pathway. Proteins are digested to amino acids. A cell uses most amino acids to build its own proteins, but some are deaminated (their amino group is detached) and converted to other organic compounds — usually pyruvic acid, acetyl-CoA, or organic acids of the Krebs cycle — which then enter cellular respiration and yield ATP. Fats (lipids) are excellent fuel because they contain many C–H bonds. They are hydrolysed into glycerol and fatty acids: glycerol is converted to glyceraldehyde 3-phosphate (a glycolysis intermediate), while fatty acids are changed into acetyl-CoA. In this way both parts of a fat enter cellular respiration — glycerol through glycolysis and fatty acids through the Krebs cycle.

14. Define photorespiration and present it in proving that "photosynthesis is not perfect".

Photorespiration is the respiratory activity in green cells in the presence of light that releases carbon dioxide: it needs oxygen, produces CO2 and H2O like aerobic respiration, but produces no ATP. It happens because Rubisco — the enzyme that should fix CO2 — can also bind O2. When CO2 is low and O2 high in the leaf, Rubisco adds O2 to RuBP, splitting it into phosphoglycerate and the 2-carbon phosphoglycolate, which must be salvaged through peroxisome and mitochondrion at extra cost. This proves photosynthesis is not perfect: in C-3 plants photorespiration wastes 25–50% of the fixed carbon and cuts yields, especially above 28 °C where Rubisco's oxidative activity rises faster than its carbon-fixing activity. A perfect process would never undo its own product — yet photosynthesis, because it evolved when atmospheric oxygen was low, carries this built-in flaw, and plants had to evolve costly workarounds (C-4 and CAM) to limit it.

15. What are the effects of temperature on the oxidative activity of Rubisco?

Rubisco has two activities: carboxylase (fixes CO2) and oxygenase (binds O2, causing photorespiration). As temperature rises, the oxidative (oxygenase) activity of Rubisco increases more than its carbon-fixing activity. Two reasons combine: higher temperature lowers the solubility of CO2 relative to O2 in leaf cells, so O2 competes more successfully for Rubisco's active site; and the enzyme's own oxygenase activity is favoured at higher temperatures. The result is more photorespiration and more loss of fixed carbon — in tropical climates (often above 28 °C) this becomes severe and greatly reduces crop yields. This temperature effect is exactly why warm-climate plants evolved C-4 photosynthesis and CAM metabolism.

16. How is the process of C4 photosynthesis an adaptation to deal with the problem of photorespiration?

C-4 photosynthesis is an adaptation that concentrates CO2 around Rubisco so that it fixes carbon instead of oxygen. In C-4 plants (corn, sugarcane, sorghum), mesophyll cells (with fewer air spaces) first fix CO2 using PEP (a 3-carbon molecule) to form the 4-carbon oxaloacetic acid — this first 4-C product gives the pathway its name. Oxaloacetic acid is converted to malic acid (using NADH) and transported into specialized bundle-sheath cells, which are impermeable to CO2. There, malic acid breaks down into pyruvic acid and CO2, so CO2 concentration rises sharply around Rubisco, and the Calvin cycle runs instead of photorespiration. Pyruvic acid returns to the mesophyll cell and is regenerated to PEP using ATP. The cost is almost double the energy per glucose, but in hot climates — where photorespiration would otherwise remove more than half the fixed carbon — this is the best compromise available.

طویل سوالات — اردو جوابات
1۔ فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس کیا ہیں اور روشنی کی توانائی کے جذب اور تبدیلی میں ان کا کیا کردار ہے؟

فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس تھائلاکائیڈ جھلیوں میں موجود رنگین مالیکیولز ہیں جو فوٹو سنتھیسز کے لیے روشنی کی توانائی پکڑتے ہیں: کلوروفل a، کلوروفل b، زینتھوفلز اور کیروٹینز (اور سرخ الجی و سائنوبیکٹیریا میں فائکوبائلنز)۔ یہ ایک وقت میں ایک فوٹون جذب کرتے ہیں اور ان کے الیکٹرانز اونچی انرجی لیول پر چلے جاتے ہیں (پگمنٹ excited ہو جاتا ہے)۔ معاون پگمنٹس (کلوروفل b، کیروٹینائیڈز) اپنی توانائی کلوروفل a کو منتقل کرتے ہیں، ترتیب یہ ہے: کیروٹینائیڈز → کلوروفل b → کلوروفل a۔ ری ایکشن سینٹر میں کلوروفل a ہائی انرجی الیکٹرانز کو پرائمری الیکٹران ایکسیپٹر اور پھر الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کو دے دیتا ہے۔ اس طرح پگمنٹس روشنی کی توانائی کو کیمیائی توانائی (ATP اور NADPH) میں بدلتے ہیں جسے کیلون سائیکل شوگر بنانے میں استعمال کرتا ہے۔

2۔ کلوروفل 'a' اور 'b' کے ایبزارپشن سپیکٹرا میں کیا فرق ہے؟

دونوں کلوروفلز نیلی اور سرخ روشنی میں سب سے زیادہ جذب کرتے ہیں، لیکن ان کے عروج (peaks) مختلف ہیں کیونکہ دوسری پائرول رنگ پر گروپ مختلف ہے (chl-a میں میتھائل، chl-b میں ایلڈیہائیڈ)۔ کلوروفل-a کے اہم جذب کے عروج نیلے 430 nm اور سرخ 670 nm کے قریب ہیں۔ کلوروفل-b نیلے اور سرخ حصوں میں تھوڑی مختلف ویولینتھس پر جذب کرتا ہے — بعض ویولینتھس جو کلوروفل-a اچھی طرح جذب نہیں کرتا، کلوروفل-b انہیں بہت مؤثر طریقے سے جذب کرتا ہے اور اس کے برعکس بھی۔ یہ فرق پودے کی روشنی جذب کرنے کی حد کو بڑھا دیتا ہے، اسی لیے پودوں میں دونوں پگمنٹس ہوتے ہیں۔

3۔ بیان کریں اور خاکے سے سمجھائیں کہ فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس تھائلاکائیڈ جھلی میں کیسے منظم ہوتے ہیں؟

پگمنٹس جھرمٹوں کی صورت میں منظم ہوتے ہیں جنہیں فوٹو سسٹمز کہتے ہیں، جو کلوروپلاسٹ کی تھائلاکائیڈ جھلیوں میں پیوست ہوتے ہیں۔ ہر فوٹو سسٹم کے دو حصے ہیں: (1) اینٹینا کمپلیکس — بہت سے پگمنٹ مالیکیولز (کلوروفلز اور کیروٹینائیڈز) جو روشنی پکڑتے ہیں اور جوش کو اندر منتقل کرتے ہیں؛ اور (2) ری ایکشن سینٹر — کلوروفل-a کا ایک یا زیادہ مالیکیول (PS-II میں P680، PS-I میں P700) جو یہ توانائی لے کر excited الیکٹرانز کو پرائمری الیکٹران ایکسیپٹر کو دیتا ہے، جو انہیں الیکٹران ٹرانسپورٹ چین تک پہنچاتا ہے۔ دو فوٹو سسٹمز ہیں، PS-I اور PS-II، دریافت کی ترتیب سے نام رکھے گئے۔ اسے یوں سمجھیں جیسے سیٹلائٹ ڈش (اینٹینا) سگنل اکٹھے کر کے ایک ریسیور (ری ایکشن سینٹر) کو دیتی ہے — اینٹینا ایک مالیکیول سے کہیں زیادہ روشنی اکٹھی کرتا ہے اور ری ایکشن سینٹر اصل کیمسٹری کرتا ہے۔

4۔ بیان کریں کہ فوٹو سنتھیسز میں پانی کا کردار تجربے سے کیسے واضح کیا جا سکتا ہے؟

وین نیل (1930 کی دہائی) نے مفروضہ پیش کیا کہ پودا پانی کو ہائیڈروجن کے ذریعے کے طور پر توڑتا ہے اور آکسیجن بائی پراڈکٹ کے طور پر خارج ہوتی ہے۔ 1940 کی دہائی میں بھاری آکسیجن آئسوٹوپ 18O کو ٹریسر کے طور پر استعمال کر کے اس کی جانچ کی گئی۔ سائنسدانوں نے بھاری آکسیجن والا پانی (H218O) اور بھاری آکسیجن والی کاربن ڈائی آکسائیڈ (C18O2) تیار کی۔ ایک گروپ کے سبز پودوں کو H218O + عام C16O2 دی گئی، دوسرے گروپ کو C18O2 + عام H216O دیا گیا۔ دونوں گروپوں نے فوٹو سنتھیسز کی اور خارج ہونے والی آکسیجن کو جمع کر کے ٹیسٹ کیا گیا۔ پہلے گروپ نے 18O خارج کی جبکہ دوسرے نے عام 16O خارج کی۔ اس سے ثابت ہوا کہ خارج ہونے والی آکسیجن پانی سے آتی ہے، کاربن ڈائی آکسائیڈ سے نہیں — یعنی پانی کے دو کردار ہیں: یہ وہ ہائیڈروجن دیتا ہے جو NADP کو NADPH میں بدلتی ہے (CO2 کی ریڈکشن کے لیے ریڈیوسنگ پاور) اور یہ اس آکسیجن کا ذریعہ ہے جو ہم سانس میں لیتے ہیں۔

5۔ روشنی پر منحصر تعاملات کے دوران روشنی کو پکڑ کر کیمیائی توانائی میں بدلنے والے واقعات کیا ہیں؟

روشنی پر منحصر تعاملات (گرانا کی تھائلاکائیڈز پر) روشنی کو پکڑ کر کیمیائی توانائی (ATP + NADPH) میں ان واقعات سے بدلتے ہیں: (1) PS-II کے ذریعے جذب: اینٹینا پگمنٹس روشنی جذب کرتے ہیں، excited الیکٹرانز P680 تک پہنچتے ہیں اور PS-II کے پرائمری ایکسیپٹر کو چلے جاتے ہیں، الیکٹران کا خلا بن جاتا ہے۔ (2) پانی کی فوٹولائسز: خلا پانی کے ٹوٹنے سے بھرا جاتا ہے، O2 اور H+ خارج ہوتے ہیں۔ (3) PS-II سے PS-I تک الیکٹران بہاؤ: الیکٹرانز پلاسٹوکوئنون، سائٹوکروم کمپلیکس اور پلاسٹوسائینن سے گزرتے ہیں، توانائی کم ہوتی ہے اور H+ لومین میں پمپ ہوتے ہیں (کیمیوسموسز → ATP)۔ (4) PS-I کے ذریعے جذب: روشنی P700 پر الیکٹرانز کو دوبارہ توانائی دیتی ہے جو PS-I کے پرائمری ایکسیپٹر کو چلے جاتے ہیں۔ (5) PS-I سے NADP+ تک بہاؤ: الیکٹرانز فیروڈاکسن اور NADP ریڈکٹیز سے گزر کر NADP+ کو NADPH بنا دیتے ہیں۔ الیکٹرانز کا زگ زیگ راستہ زی اسکیم کہلاتا ہے۔ سائکلک بہاؤ (صرف PS-I) میں الیکٹرانز واپس P700 تک سائیکل کرتے ہیں اور صرف ATP بنتا ہے، نہ NADPH اور نہ O2۔

6۔ سائکلک فوٹوفاسفورائلیشن کا خاکہ بنائیں۔

سائکلک فوٹوفاسفورائلیشن میں صرف PS-I کام کرتا ہے (PS-II شامل نہیں)۔ روشنی P700 کلوروفل کو excite کرتی ہے؛ اس کے الیکٹرانز PS-I کے پرائمری الیکٹران ایکسیپٹر کو جاتے ہیں، پھر NADP+ کی طرف جانے کی بجائے الیکٹران ٹرانسپورٹ چین (بشمول سائٹوکروم کمپلیکس) سے گزر کر واپس P700 تک سائیکل کرتے ہیں۔ الیکٹرانز کے بہاؤ سے توانائی H+ کو تھائلاکائیڈ لومین میں پمپ کرتی ہے، اور H+ گریڈینٹ ATP سنتھیز کو چلا کر ATP بناتا ہے۔ پانی کی فوٹولائسز نہیں ہوتی، اس لیے نہ آکسیجن خارج ہوتی ہے اور نہ NADPH بنتا ہے — صرف ATP بنتا ہے۔ یہ تب ہوتا ہے جب کیلون سائیکل سست ہو جائے اور کلوروپلاسٹ میں NADPH جمع ہو جائے، تو خلیے کو مزید NADPH کے بغیر ATP چاہیے ہوتا ہے۔

7۔ فوٹو سنتھیسز کے روشنی سے آزاد تعاملات کو پیراگراف میں بیان کریں اور کیلون سائیکل کے خاکے سے سمجھائیں۔

روشنی سے آزاد تعاملات (ڈارک ری ایکشنز) کلوروپلاسٹ کے سٹروما میں ہوتے ہیں اور انہیں روشنی کی براہ راست ضرورت نہیں — صرف روشنی کے تعاملات سے آنے والے ATP اور NADPH چاہیے ہوتے ہیں۔ کیلون سائیکل (میلوین کیلون کی دریافت، نوبل انعام 1961) میں کاربن ڈائی آکسائیڈ فکس ہو کر شوگر میں بدلتی ہے، تین مرحلوں میں۔ مرحلہ اول — کاربن فکسیشن: انزائم روبسکو 3 CO2 کو 3 RuBP (5C) سے ملاتا ہے جس سے 3-PGA (3C) کے 6 مالیکیولز بنتے ہیں۔ مرحلہ دوم — ریڈکشن: 6 ATP سے فاسفیٹ گروپس 3-PGA میں شامل ہو کر 1,3-بائی فاسفوگلیسرک ایسڈ بناتے ہیں جسے NADPH ریڈیوس کر کے 6 G3P بناتا ہے؛ ایک G3P سائیکل چھوڑ کر دوسرے G3P سے مل کر گلوکوز بناتا ہے۔ مرحلہ سوم — دوبارہ تیاری: باقی 5 G3P، 5 RuP بنتے ہیں اور 3 ATP سے 3 RuBP دوبارہ بن جاتے ہیں تاکہ سائیکل دوبارہ CO2 فکس کر سکے۔ چونکہ پہلی پراڈکٹ تین کاربن والی ہے، اس لیے اسے C-3 پاتھ وے بھی کہتے ہیں۔

8۔ این ایروبک ریسپائریشن میں گلوکوز کے ساتھ کیا ہوتا ہے اور مختلف جاندار آخری پراڈکٹس میں کیسے تبدیلی کرتے ہیں؟

این ایروبک ریسپائریشن میں گلوکوز مکمل طور پر آکسیڈائز نہیں ہوتی۔ پہلے گلائکولائسز گلوکوز کو دو پائرووک ایسڈ مالیکیولز میں توڑتی ہے جس سے خالص 2 ATP اور 2 NADH ملتے ہیں۔ پھر چونکہ آکسیجن نہیں ہوتی جو الیکٹرانز قبول کرے، NADH پائرووک ایسڈ کو ریڈیوس کرتا ہے تاکہ NAD+ دوبارہ بن جائے اور گلائکولائسز جاری رہے۔ مختلف جاندار آخری پراڈکٹس میں مختلف تبدیلی کرتے ہیں: (الف) الکحلک فرمنٹیشن (خمیر اور بعض بیکٹیریا): پائرووک ایسڈ ایتھائل الکحل (C2H5OH) اور CO2 میں ٹوٹ جاتا ہے۔ (ب) لیکٹک ایسڈ فرمنٹیشن (انسانوں اور جانوروں کے پٹھوں کے خلیے شدید سرگرمی میں، اور بہت سے بیکٹیریا): ہر پائرووک ایسڈ لیکٹک ایسڈ (C3H6O3) میں بدل جاتا ہے۔ دونوں صورتوں میں کل پیداوار صرف 2 ATP فی گلوکوز رہتی ہے — گلوکوز کی توانائی کا تقریباً 2 فیصد — کیونکہ زیادہ توانائی الکحل یا لیکٹک ایسڈ میں بند رہتی ہے۔

9۔ گلائکولائسز میں گلوکوز پائرووک ایسڈ میں کیسے ٹوٹتی ہے؟

گلائکولائسز (سائٹوسول میں، آکسیجن کے بغیر) ایک گلوکوز کو دو پائرووک ایسڈ مالیکیولز میں دو مرحلوں میں توڑتی ہے۔ تیاری کا مرحلہ (توانائی خرچ): (1) ATP سے فاسفیٹ گلوکوز کو ملتا ہے → گلوکوز 6-فاسفیٹ۔ (2) وہ آئسومر فرکٹوز 6-فاسفیٹ بن جاتا ہے۔ (3) دوسرا ATP دوسرا فاسفیٹ دیتا ہے → فرکٹوز 1,6-بائی فاسفیٹ۔ (4) یہ ری ایکٹو مالیکیول دو تین کاربن والے انٹرمیڈیٹس G3P اور DAP میں ٹوٹ جاتا ہے جو آپس میں بدل کر دو G3P بناتے ہیں۔ آکسیڈیٹو مرحلہ (توانائی حاصل): (1) ہر G3P آکسیڈائز ہوتا ہے — دو ہائیڈروجن NAD+ کو جاتے ہیں (→ NADH) اور فاسفیٹ شامل ہوتا ہے → 1,3-بائی فاسفوگلیسرک ایسڈ۔ (2) اس کا فاسفیٹ ADP کو جاتا ہے → 3-PGA + ATP۔ (3) 3-PGA → 2-PGA۔ (4) 2-PGA سے پانی نکلتا ہے → PEP۔ (5) PEP اپنا ہائی انرجی فاسفیٹ ADP کو دیتا ہے → ATP + پائرووک ایسڈ۔ فی گلوکوز خالص نتیجہ: 2 پائرووک ایسڈ، 2 ATP (خالص) اور 2 NADH۔

10۔ بیان کریں کہ کربس سائیکل گلائکولائسز کی پراڈکٹس کے آکسیڈیشن کی تکمیل کیسے ہے؟

گلائکولائسز گلوکوز کو صرف جزوی طور پر آکسیڈائز کرتی ہے — اس کی پراڈکٹس (پائرووک ایسڈ) میں اب بھی زیادہ توانائی C–H بانڈز میں بند ہوتی ہے۔ کربس سائیکل یہ کام مکمل کرتا ہے۔ پہلے پائرووک ایسڈ آکسیڈیشن میں CO2 نکلتا ہے (→ ایسیٹلڈیہائیڈ)، وہ آکسیڈائز ہو کر ایسیٹائل گروپ بناتا ہے (NAD+ → NADH) اور CoA سے مل کر ایسیٹائل-CoA بناتا ہے۔ سائیکل میں ایسیٹائل-CoA چار کاربن والے آگزالوایسیٹک ایسڈ سے مل کر چھ کاربن والا سٹرک ایسڈ بناتا ہے جو مرحلہ وار آکسیڈائز اور ڈی کاربوکسیلیٹ ہوتا ہے: سٹرک ایسڈ → الفا-کیٹوگلوٹارک ایسڈ (CO2 خارج، NADH بنا) → سکینک ایسڈ (CO2 خارج، NADH بنا؛ سکینائل-CoA ٹوٹنے پر ATP بنا) → فیومارک ایسڈ (FADH2 بنا) → میلک ایسڈ → آگزالوایسیٹک ایسڈ دوبارہ بنا (NADH بنا)۔ آخر میں ایسیٹائل گروپ مکمل طور پر CO2 میں آکسیڈائز ہو جاتا ہے، اس کے ہائیڈروجن NADH اور FADH2 کی صورت میں الیکٹران ٹرانسپورٹ چین کے لیے محفوظ ہو جاتے ہیں، اور آگزالوایسیٹک ایسڈ اگلے ایسیٹائل-CoA کو قبول کرنے کے لیے آزاد ہوتا ہے۔ اس طرح کربس سائیکل گلائکولائسز سے شروع ہونے والے آکسیڈیشن کو مکمل کرتا ہے۔

11۔ الیکٹران ٹرانسپورٹ چین سے الیکٹران کے گزرنے کی وضاحت کریں۔

ریسپائریشن کی الیکٹران ٹرانسپورٹ چین مائٹوکونڈریا کی اندرونی جھلی میں بنی ہوتی ہے۔ سب سے پہلے NADH آکسیڈائز ہوتا ہے اور اس کے الیکٹرانز کو انزائم Q وصول کرتا ہے؛ FADH2 کے الیکٹرانز بھی کو انزائم Q تک آتے ہیں۔ ریڈیوسڈ CoQ الیکٹرانز کو سائٹوکروم 'b' تک پہنچاتا ہے، جو انہیں سائٹوکروم 'c' تک پہنچاتا ہے، جو انہیں سائٹوکروم 'a' کمپلیکس (دو سائٹوکرمز کا کمپلیکس) تک پہنچاتا ہے۔ آخر میں یہ کمپلیکس الیکٹرانز کو آکسیجن کے ایٹم تک پہنچاتا ہے جو چین کے نچلے سرے پر ہوتا ہے، اور وہ ہائیڈروجن آئنز سے مل کر پانی بناتا ہے۔ ہر مرحلے میں کیریئر آکسیڈائز ہوتا ہے (الیکٹرانز کھوتا ہے) اور اگلا ریڈیوس ہوتا ہے (الیکٹرانز حاصل کرتا ہے)، اور الیکٹرانز نیچے جاتے ہوئے توانائی کھوتے ہیں — یہ خارج ہونے والی توانائی H+ آئنز کو میٹرکس سے انٹر-میمبرین سپیس میں پمپ کرتی ہے، جس سے وہ گریڈینٹ بنتا ہے جو ATP بناتا ہے۔

12۔ کیمیوسموسز کی تعریف کریں۔ اس کا الیکٹران ٹرانسپورٹ چین سے کیا تعلق ہے؟

کیمیوسموسز وہ طریقہ کار ہے جس میں جھلیاں ریڈاکس تعاملات کو ATP کی ترکیب سے جوڑتی ہیں۔ جب الیکٹرانز الیکٹران ٹرانسپورٹ چین سے گزرتے ہیں تو کیریئرز باری باری آکسیڈائز اور ریڈیوس ہوتے ہیں، اور الیکٹرانز کی کھوئی ہوئی توانائی H+ آئنز کو جھلی کے پار فعال طور پر منتقل کرنے میں استعمال ہوتی ہے — کلوروپلاسٹ میں سٹروما سے تھائلاکائیڈ لومین تک، مائٹوکونڈریا میں میٹرکس سے انٹر-میمبرین سپیس تک۔ جمع ہونے والا H+ گریڈینٹ پوٹینشل انرجی ذخیرہ کرتا ہے۔ پھر H+ آئنز اپنے ارتکاز گریڈینٹ کے ساتھ انزائم ATP سنتھیز سے گزر کر واپس پھیلتے ہیں، اور آئنز کا بہاؤ ATP سنتھیز کو ADP کے ساتھ Pi جوڑ کر ATP بنانے پر مجبور کرتا ہے۔ اس طرح الیکٹران ٹرانسپورٹ چین گریڈینٹ بناتی ہے اور کیمیوسموسز اسے ATP میں بدلتا ہے — دونوں لازم و ملزوم ہیں: الیکٹران بہاؤ کے بغیر کوئی گریڈینٹ نہیں، اور گریڈینٹ (اور ATP سنتھیز) کے بغیر صرف الیکٹران بہاؤ سے کوئی ATP نہیں بنتا۔

13۔ پروٹینز اور چکنائیاں کن طریقوں سے سیلولر ریسپائریشن میں داخل ہوتی ہیں؟

پروٹینز اور چکنائیاں براہ راست استعمال نہیں ہوتیں؛ پہلے وہ ٹوٹ کر اپنے اجزاء میں بدلتی ہیں اور پھر مرکزی راستے میں شامل ہوتی ہیں۔ پروٹینز ہضم ہو کر امائنو ایسڈز بنتے ہیں۔ خلیہ زیادہ تر امائنو ایسڈز کو اپنے پروٹینز بنانے میں استعمال کرتا ہے، لیکن بعض ڈی ایمینٹڈ (ان کا امائنو گروپ الگ) ہو کر دوسرے نامیاتی مرکبات میں بدل جاتے ہیں — عام طور پر پائرووک ایسڈ، ایسیٹائل CoA یا کربس سائیکل کے نامیاتی ایسڈز — جو پھر سیلولر ریسپائریشن میں داخل ہو کر ATP دیتے ہیں۔ چکنائیاں (لپڈز) بہترین فیول ہیں کیونکہ ان میں بہت سے C–H بانڈز ہوتے ہیں۔ وہ ہائیڈرولائز ہو کر گلیسرول اور فیٹی ایسڈز میں ٹوٹتی ہیں: گلیسرول گلیسرالڈیہائیڈ 3-فاسفیٹ میں بدل جاتا ہے (گلائکولائسز کا انٹرمیڈیٹ)، جبکہ فیٹی ایسڈز ایسیٹائل CoA میں بدل جاتے ہیں۔ اس طرح چکنائی کے دونوں حصے سیلولر ریسپائریشن میں داخل ہو جاتے ہیں — گلیسرول گلائکولائسز سے اور فیٹی ایسڈز کربس سائیکل سے۔

14۔ فوٹو ریسپائریشن کی تعریف کریں اور اس سے ثابت کریں کہ "فوٹو سنتھیسز پرفیکٹ نہیں ہے"۔

فوٹو ریسپائریشن سبز خلیوں میں روشنی کی موجودگی میں ہونے والی ریسپائریٹری سرگرمی ہے جس سے کاربن ڈائی آکسائیڈ خارج ہوتی ہے: اسے آکسیجن چاہیے ہوتی ہے، یہ ایروبک ریسپائریشن کی طرح CO2 اور H2O پیدا کرتی ہے لیکن کوئی ATP پیدا نہیں کرتی۔ یہ اس لیے ہوتی ہے کہ روبسکو — وہ انزائم جو CO2 فکس کرتا ہے — O2 سے بھی جڑ سکتا ہے۔ جب پتے کے خلیوں میں CO2 کم اور O2 زیادہ ہو تو روبسکو RuBP میں O2 شامل کر دیتا ہے، جس سے RuBP فاسفوگلیسرٹ اور دو کاربن والے فاسفوگلائیکولیٹ میں ٹوٹ جاتا ہے جسے پیروکسیزوم اور مائٹوکونڈریا سے گزار کر اضافی قیمت پر بچانا پڑتا ہے۔ اس سے ثابت ہوتا ہے کہ فوٹو سنتھیسز پرفیکٹ نہیں ہے: C-3 پودوں میں فوٹو ریسپائریشن فکس شدہ کاربن کا 25–50 فیصد ضائع کر دیتی ہے اور پیداوار کم کر دیتی ہے، خاص طور پر 28 °C سے زیادہ درجہ حرارت پر جہاں روبسکو کی آکسیڈیٹو سرگرمی اس کی کاربن فکسنگ سرگرمی سے زیادہ بڑھ جاتی ہے۔ ایک پرفیکٹ عمل اپنی ہی پراڈکٹ کو کبھی ضائع نہ کرتا — لیکن فوٹو سنتھیسز، جو اس وقت ارتقاء پذیر ہوئی جب ہوا میں آکسیجن کم تھی، یہ پیدائشی خامی رکھتی ہے، اور پودوں کو اسے محدود کرنے کے لیے مہنگے حل (C-4 اور CAM) اختیار کرنے پڑے۔

15۔ درجہ حرارت کا روبسکو کی آکسیڈیٹو سرگرمی پر کیا اثر ہوتا ہے؟

روبسکو کی دو سرگرمیاں ہیں: کاربوکسیلیز (CO2 فکس کرتی ہے) اور آکسیجنیز (O2 جوڑتی ہے، فوٹو ریسپائریشن کا سبب)۔ درجہ حرارت بڑھنے سے روبسکو کی آکسیڈیٹو (آکسیجنیز) سرگرمی اس کی کاربن فکسنگ سرگرمی سے زیادہ بڑھ جاتی ہے۔ اس کی دو وجوہات ملتی ہیں: زیادہ درجہ حرارت پر پتوں کے خلیوں میں CO2 کی حل پذیری O2 کے مقابلے میں کم ہو جاتی ہے، اس لیے O2 روبسکو کی ایکٹو سائٹ کے لیے زیادہ کامیابی سے مقابلہ کرتا ہے؛ اور انزائم کی اپنی آکسیجنیز سرگرمی زیادہ درجہ حرارت پر پسند کی جاتی ہے۔ نتیجہ زیادہ فوٹو ریسپائریشن اور فکس شدہ کاربن کا زیادہ نقصان ہے — گرم آب و ہوا (اکثر 28 °C سے زیادہ) میں یہ شدید ہو جاتا ہے اور فصلوں کی پیداوار بہت کم کر دیتا ہے۔ درجہ حرارت کا یہی اثر ہے جس کی وجہ سے گرم آب و ہوا کے پودوں میں C-4 فوٹو سنتھیسز اور CAM میٹابولزم کا ارتقاء ہوا۔

16۔ C4 فوٹو سنتھیسز کا عمل فوٹو ریسپائریشن کے مسئلے سے نمٹنے کے لیے ایک ایڈاپٹیشن کیسے ہے؟

C-4 فوٹو سنتھیسز ایک ایڈاپٹیشن ہے جو روبسکو کے اردگرد CO2 کو مرتکز کرتی ہے تاکہ وہ آکسیجن کی بجائے کاربن فکس کرے۔ C-4 پودوں (مکئی، گنا، جوار) میں میزوفل خلیے (کم ہوا کی جگہ والے) پہلے CO2 کو PEP (تین کاربن والا مالیکیول) سے ملا کر چار کاربن والا آگزالوایسیٹک ایسڈ بناتے ہیں — اس پہلی 4-C پراڈکٹ سے اس راستے کا نام C-4 ہے۔ آگزالوایسیٹک ایسڈ میلک ایسڈ میں بدل کر مخصوص بنڈل-شیتھ خلیوں تک پہنچایا جاتا ہے جو CO2 کے لیے ناقابل عبور ہوتے ہیں۔ وہاں میلک ایسڈ ٹوٹ کر پائرووک ایسڈ اور CO2 بن جاتا ہے، اس لیے روبسکو کے اردگرد CO2 کی مقدار تیزی سے بڑھ جاتی ہے اور فوٹو ریسپائریشن کی بجائے کیلون سائیکل چلتا ہے۔ پائرووک ایسڈ میزوفل خلیے میں واپس آتا ہے اور ATP استعمال کر کے دوبارہ PEP بن جاتا ہے۔ فی گلوکوز توانائی کی لاگت تقریباً دگنی ہوتی ہے، لیکن گرم آب و ہوا میں — جہاں فوٹو ریسپائریشن فکس شدہ کاربن کا نصف سے زیادہ ضائع کر دے — یہ بہترین سمجھوتہ ہے۔

Section 4 — Inquisitive Questionsحصہ 4 — غور طلب سوالات
INQUISITIVE QUESTIONS + ANSWERS
1. Why does cellular respiration release energy more efficiently than fermentation?

Because cellular (aerobic) respiration completely oxidizes glucose to CO2 and water, releasing all the energy stored in its C–H bonds — a net 36 ATP per glucose. Fermentation stops early: after glycolysis, pyruvic acid is only converted to lactic acid or alcohol, which still contain most of glucose's energy locked in their bonds, so only 2 ATP are gained (about 2% of the energy). Aerobic respiration also uses the electron transport chain and chemiosmosis to harvest the energy carried by NADH and FADH2, while fermentation has no such step. That is why aerobic oxidation is 18 times more efficient than fermentation.

2. Why is the conversion of glucose into ATP during cellular respiration considered a more efficient use of energy than burning glucose directly?

Burning glucose directly releases all its energy at once as heat and light — most of it is wasted and would destroy the cell. Cellular respiration releases the same energy in small, controlled steps (glycolysis, pyruvic acid oxidation, Krebs cycle, electron transport chain), capturing it bit by bit in the energy carriers NADH and FADH2 and then in ATP. ATP is a small, usable "currency" the cell can spend exactly where and when it is needed. So instead of one uncontrolled burst, the cell banks the energy in 36 ATP molecules per glucose — efficient, safe and usable. That step-by-step capture is why respiration is a more efficient use of energy than direct burning.

3. Why might a disruption in either photosynthesis or respiration processes affect global carbon and oxygen cycles?

Photosynthesis and respiration are the two halves of the global carbon and oxygen cycles: photosynthesis takes CO2 from the air and releases O2, while respiration (and decay) takes O2 and releases CO2. They balance each other — the oxygen we breathe is almost entirely the product of photosynthesis, and the CO2 plants fix is largely returned by respiration. If photosynthesis were disrupted (for example by deforestation or ocean damage), CO2 would build up in the atmosphere and oxygen production would fall. If respiration were disrupted, the return flow of CO2 would break and the cycle would stall. Because every food chain ultimately depends on photosynthetic producers and every organism respires, a disruption in either process shifts both gases worldwide — affecting climate, ocean chemistry and all life.

📌 باب کا خلاصہ اور رہنمائی — اس باب میں کیا ہے؟
ENGLISH

This chapter, Bioenergetics, is about how living things capture, store and spend energy: it explains bioenergetics and ATP as the cell's energy currency, photosynthesis with the roles of light, carbon dioxide and water and the famous 18O experiment, photosynthetic pigments including chlorophylls and accessory pigments and their absorption spectra, photosystems and the light-dependent reactions with the Z-scheme, cyclic flow and chemiosmosis, the light-independent reactions through the Calvin cycle, cellular respiration in its anaerobic and aerobic forms, glycolysis, pyruvic acid oxidation and the Krebs cycle, the electron transport chain with chemiosmosis and the 36 ATP balance, and finally photorespiration with the C-4 and CAM adaptations — ending with the book's official exercise, solved. ہر موضوع کو اردو ترجمے کے ساتھ سمجھایا گیا ہے تاکہ طالب علم اچھی طرح سمجھ سکے۔

Revision guidance: پہلے English box پڑھو, پھر Urdu box سے concept پکا کرو, پھر ہر section کی pic کو دیکھ کر خود سے سمجھاؤ کے کیا ہو رہا ہے — پھر exercise خود حل کر کے answers سے ملاؤ.

اردو

یہ باب، بائیو انرجیٹکس، اس بارے میں ہے کہ جاندار توانائی کو کیسے پکڑتے، ذخیرہ کرتے اور خرچ کرتے ہیں: اس میں بائیو انرجیٹکس اور ATP بطور خلیے کی توانائی کی کرنسی، روشنی، کاربن ڈائی آکسائیڈ اور پانی کے کرداروں اور مشہور 18O تجربے کے ساتھ فوٹو سنتھیسز، کلوروفلز اور معاون پگمنٹس اور ان کے ایبزارپشن سپیکٹرا سمیت فوٹو سنتھیٹک پگمنٹس، زی اسکیم، سائکلک بہاؤ اور کیمیوسموسز کے ساتھ فوٹو سسٹمز اور روشنی پر منحصر تعاملات، کیلون سائیکل کے ذریعے روشنی سے آزاد تعاملات، این ایروبک اور ایروبک صورتوں میں سیلولر ریسپائریشن، گلائکولائسز، پائرووک ایسڈ آکسیڈیشن اور کربس سائیکل، کیمیوسموسز اور 36 ATP کے توازن کے ساتھ الیکٹران ٹرانسپورٹ چین، اور آخر میں C-4 اور CAM ایڈاپٹیشنز کے ساتھ فوٹو ریسپائریشن — اور آخر میں کتاب کی آفیشل مشق حل شدہ دی گئی ہے۔ ہر ٹاپک کو اردو ترجمے کے ساتھ سمجھایا گیا ہے تاکہ طالب علم اچھی طرح سمجھ سکے۔

نظر ثانی کی رہنمائی: پہلے انگلش باکس پڑھیں، پھر اردو باکس سے تصور پکا کریں، پھر ہر سیکشن کی تصویر کو دیکھ کر خود سے سمجھائیں کہ کیا ہو رہا ہے — پھر مشق خود حل کر کے جوابات سے ملائیں۔

🎯 مزید MCQs اور Tests کے لیے

Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:

PunjabTest.com — Tests →

PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 1 Biology, Chapter 6 (New Book, Session 2026–27) • English + Urdu

← Chapter 5: EnzymesChapter 7: Structural and Computational Biology →