निरर्थक चक्र

एक निरर्थक चक्र, जिसे सब्सट्रेट चक्र के रूप में भी जाना जाता है,अतः यह तब होता है जब दो चयापचय पथ एक साथ विपरीत दिशाओं में चलते हैं और गर्मी के रूप में ऊर्जा के नष्ट करने के अतिरिक्त कोई समग्र प्रभाव नहीं पड़ता है। इस प्रकार इस चक्र को "निरर्थक" चक्र इसलिए कहा गया क्योंकि ऐसा प्रतीत होता था कि यह चक्र जीव के लिए बिना किसी शुद्ध उपयोगिता के संचालित होता है। इस प्रकार, इसे चयापचय की विचित्रता माना गया और इस प्रकार इसे निरर्थक चक्र का नाम दिया गया था। अतः आगे की जांच के पश्चात यह देखा गया कि मेटाबोलाइट्स की सांद्रता को विनियमित करने के लिए व्यर्थ चक्र बहुत महत्वपूर्ण हैं। इस प्रकार उदाहरण के लिए, यदि ग्लाइकोलाइसिस और ग्लुकोनियोजेनेसिस एक ही समय में सक्रिय होते हैं, तो ग्लूकोज को ग्लाइकोलाइसिस द्वारा पाइरूवेट में परिवर्तित किया जाएगा इस प्रकार और फिर एडेनोसाइन ट्रायफ़ोस्फेट की समग्र खपत के साथ, ग्लूकोनियोजेनेसिस द्वारा ग्लूकोज में वापस परिवर्तित किया जाएगा। अतः व्यर्थ चक्रों की चयापचय विनियमन में भूमिका हो सकती है, जहां एक व्यर्थ चक्र दो राज्यों के बीच दोलन करने वाली एक प्रणाली होगी और इसमें शामिल किसी भी एंजाइम की गतिविधि में छोटे बदलावों के प्रति बहुत संवेदनशील होगी। अतः इस प्रकार चक्र गर्मी उत्पन्न करता है, और इसका उपयोग थर्मल समस्थिति को बनाए रखने के लिए किया जा सकता है, उदाहरण के लिए युवा स्तनधारियों के भूरे वसा ऊतकों में, या तेजी से गर्मी उत्पन्न करने के लिए, इस प्रकार उदाहरण के लिए कीड़ों की उड़ान की मांसपेशियों में और निष्क्रियता से आवधिक उत्तेजना के दौरान हाइबरनेटिंग जानवरों में होती है। इस प्रकार यह बताया गया है कि ग्लूकोज चयापचय सब्सट्रेट चक्र एक व्यर्थ चक्र नहीं बल्कि एक नियामक प्रक्रिया है। अतः उदाहरण के लिए, जब अचानक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, तो एटीपी को एएमपी, एक अधिक प्रतिक्रियाशील एडेनिन द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है।

उदाहरण
ग्लाइकोलाइसिस और ग्लूकोनियोजेनेसिस का एक साथ होना एक निरर्थक चक्र का एक उदाहरण है, जिसे निम्नलिखित समीकरण द्वारा इस प्रकार दर्शाया गया है:

ATP + H2O $\rightleftharpoons$ ADP + Pi + H

उदाहरण के लिए, ग्लाइकोलाइसिस के दौरान, एंजाइम फॉस्फोफ्रक्टोकिनेज 1 (पीएफके-1) द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया में फ्रुक्टोज-6-फॉस्फेट को फ्रुक्टोज-1,6-बिस्फोस्फेट में इस प्रकार परिवर्तित किया जाता है।

ATP + fructose-6-phosphate → Fructose-1,6-bisphosphate + ADP

परंतु ग्लूकोनोजेनेसिस (अर्थात पाइरूवेट और अन्य यौगिकों से ग्लूकोज का संश्लेषण) के दौरान विपरीत प्रतिक्रिया होती है, जो इस प्रकार फ्रुक्टोज-1,6-बिस्फोस्फेटेज (FBPase-1) द्वारा उत्प्रेरित होती है।

Fructose-1,6-bisphosphate + H2O → fructose-6-phosphate + Pi

की समग्र प्रतिक्रिया देते हुए:

ATP + H2O → ADP + Pi + Heat

अर्थात्, बिना किसी उपयोगी चयापचय कार्य के एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट का हाइड्रोलिसिस उपयोग किया जाता है। स्पष्ट रूप से, यदि इन दोनों प्रतिक्रियाओं को एक ही सेल में उच्च दर पर एक साथ आगे बढ़ने की अनुमति दी गई,अतः इस प्रकार बड़ी मात्रा में रासायनिक ऊर्जा गर्मी के रूप में नष्ट हो जाएगी। इसलिए इस अलाभकारी प्रक्रिया को निरर्थक चक्र कहा गया है।

मोटापा और समस्थिति में निरर्थक चक्र की भूमिका
ऐसी बहुत सी दवाएं नहीं हैं जो मोटापे का प्रभावी ढंग से इलाज कर सकें या इस प्रकार उसे दूर कर सकें।अतः मोटापा मुख्य रूप से मधुमेह, उच्च रक्तचाप, हृदय रोग और यहां तक ​​कि कुछ प्रकार के कैंसर जैसी स्वास्थ्य समस्याओं से जुड़ी बीमारियों के खतरे को बढ़ा सकता है। इस प्रकार ट्रांसजेनिक चूहों का प्रयोग करके मोटापे के उपचार और रोकथाम के इर्द-गिर्द घूमने वाला एक अध्ययन सकारात्मक प्रतिक्रिया की रिपोर्ट करता है जो इस प्रकार प्रस्तावित करता है कि एमआईआर-378 निश्चित रूप से मनुष्यों में मोटापे को रोकने और इलाज के लिए एक आशाजनक एजेंट हो सकता है। अतः अध्ययन के निष्कर्षों से पता चलता है कि एमआईआर-378 के माध्यम से कंकाल की मांसपेशी में पाइरूवेट-पीईपी निरर्थक चक्र का सक्रियण एमआईआर-378 ट्रांसजेनिक चूहों के वसा ऊतकों में बढ़े हुए वसापघटन का प्राथमिक कारण है, और यह ऊर्जा को नियंत्रित करने के लिए मांसपेशियों और वसा के बीच अप्रासंगिक सिगनल को व्यवस्थित करने में मदद करता है। अतः चूहों में समस्थिति इस प्रकार उपयोग किया जाता है।

निरर्थक चक्र के बारे में हमारी सामान्य समझ एक कार्यद्रव चक्र है, जो तब घटित होता है जब दो अतिव्यापी चयापचय पथ विपरीत दिशाओं में चलते हैं, अतः इस प्रकार जब विनियमन के बिना छोड़ दिया जाता है तो यह बिना किसी वास्तविक उत्पादन के अनियंत्रित रूप से चलता रहेगा जब तक कि सभी कोशिकाओं की ऊर्जा समाप्त नहीं हो जाती है। चूंकि, अध्ययन के पीछे का विचार इंगित करता है कि miR-378-सक्रिय पाइरूवेट-फॉस्फोएनोलपाइरूवेट व्यर्थ चक्र एक नियामक लाभ इस प्रकार निभाता है। न मात्र एमआईआर-378 के परिणामस्वरूप बढ़े हुए वसापघटन के कारण शरीर में वसा का द्रव्यमान कम होता है, बल्कि यह भी अनुमान लगाया जाता है कि व्यर्थ चक्र ऊर्जा समस्थिति को बनाए रखने के लिए चयापचय को नियंत्रित करते हैं। अतः पूरे शरीर के स्तर पर ऊर्जा समस्थिति को नियंत्रित करने के लिए मांसपेशियों और वसा ऊतकों के बीच चयापचय संचार को विनियमित करने में miR-378 का एक अद्वितीय कार्य है।

विभिन्न प्रजातियों में संचालित निरर्थक चक्र के उदाहरण
अतः यह समझने के लिए कि कैसे एक निरर्थक चक्र की उपस्थिति कुछ प्रजातियों में एटीपी और उत्पादन गर्मी के निम्न स्तर को बनाए रखने में मदद करती है, इस प्रकार हम ग्लाइकोलाइसिस और ग्लूकोनियोजेनेसिस के पारस्परिक विनियमन से निपटने वाले चयापचय मार्गों को देखते हैं।

कई मछलियों का तैरने वाला मूत्राशय; उदाहरण के लिए जेब्राफिश - आंतरिक रूप से गैस से भरा एक अंग है जो उनकी उछाल में योगदान करने में मदद करता है। अतः ये गैस ग्रंथि कोशिकाएं वहां स्थित पाई जाती हैं जहां केशिकाएं और तंत्रिकाएं पाई जाती हैं। इस प्रकार चयापचय एंजाइमों के विश्लेषण से पता चला है कि एक ग्लूकोनोजेनेसिस एंजाइम फ्रुक्टोज-1,6-बिस्फोस्फेटेज (एफबीपी1) और एक ग्लाइकोलाइटिक एंजाइम ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट डिहाइड्रोजनेज (जीएपीडीएच) गैस ग्रंथि कोशिकाओं में अत्यधिक व्यक्त होते हैं। इस प्रकार अध्ययन ने संकेत दिया कि जेब्राफिश स्विम ब्लैडर के लक्षण वर्णन में कोई अभिव्यक्ति फ्रुक्टोज-1,6-बिस्फोस्फेटेज जीन नहीं होना चाहिए। तैरने वाले मूत्राशय के ऊतक को ग्लाइकोजेनिक गतिविधि में बहुत अधिक माना जाता है और इसमें ग्लूकोनियोजेनेसिस की कमी होती है, फिर भी एफबीपी की एक प्रमुख मात्रा व्यक्त की गई थी। अतः इस खोज से पता चलता है कि गैस ग्रंथि कोशिका में, एफबीपी एक एटीपी-निर्भर चयापचय व्यर्थ चक्र बनाता है।अतः दुग्धाम्ल को संश्लेषित करने के लिए गैस ग्रंथि कोशिकाओं के लिए गर्मी का उत्पादन बेहद महत्वपूर्ण है क्योंकि एटीपी जमा होने पर प्रक्रिया दृढ़ता से बाधित होती है।

अतः इस प्रकार एक अन्य उदाहरण से पता चलता है कि फुगु स्विम ब्लैडर में गर्मी उत्पादन को उत्पादन स्थल से बाहर ले जाया जाएगा, चूंकि इसे अभी भी अद्भुत नेटवर्क के माध्यम से लगातार वापस प्राप्त किया जा सकता है ताकि शरीर के अन्य क्षेत्रों की तुलना में गैस ग्रंथि का तापमान अधिक बनाए रखा जा सके।

निरर्थक चक्र की समग्र शुद्ध प्रतिक्रिया में एटीपी की खपत और गर्मी का उत्पादन निम्नानुसार शामिल है:

ATP + → ADP + Pi + Heat

अतः ऊष्मा उत्पन्न करने में लाभकारी निरर्थक चक्र का एक और उदाहरण भौंरों में पाया जाता है। एफबीपी और पीएफके से जुड़े निरर्थक चक्र का उपयोग भौंरा मधुमक्खियों द्वारा उड़ान की मांसपेशियों में गर्मी पैदा करने और कम परिवेश के तापमान पर अपने शरीर को काफी गर्म करने के लिए किया जाता है।