Fuel metabolism
Metabolic fuels
यदि शरीर को calories उपलब्ध करने वाले भोजन को हम शरीर का fuel कहें तब इसी fuel की अधिकता होने पर उसे store करा लेने एवं उसकी आवश्यकता पड़ने पर उसको store से निकलकर प्रयोग में ले आने की प्रक्रियाओं को fuel homeostasis कहते हैं।
जिस प्रकार कोई गाड़ी को चलाने के लिए पेट्रोल की आवश्यकता पड़ती है और दूसरी को डीजल की, उसी प्रकार विभिन्न प्राणियों में शरीर को चलाने के लिए भी अलग-अलग metabolic fuels की आवश्यकता पड़ सकती है। जहाँ ruminant animals में ऊर्जा का प्रमुख स्रोत cellulose के digestion से बना butyric acid है वहीँ humans में शरीर के अधिकाँश tissues, ऊर्जा के लिए glucose पर आधारित रहते हैं। RBCs तो पूर्णरूप से glucose पर ही निर्भर करती हैं एवं brain भी अपनी अधिकाँश (>80%) आवश्यकता glucose से ही पूरा करता है। जिस प्रकार घर में दूध की मात्रा कम होने पर बड़े लोग भोजन कर लेते हैं एवं दूध को नन्हे शिशु के लिए बचा लेते हैं क्योंकि वह दूध के अतिरिक्त कुछ और नहीं ले सकता उसी प्रकार, भोजन के बाद जब तक शरीर में glucose की आपूर्ति बनी रहती है तब तक तो सभी tissues glucose का प्रयोग करते हैं परन्तु भोजन के पश्चात समय बीतते जाने के साथ जैसे जैसे glucose की आपूर्ति के कम होती जाती है, शरीर के अधिकाँश tissues glucose का प्रयोग कम करते जाते हैं जिससे वह RBCs एवं brain के द्वारा उपयोग में लाया जा सके। Blood glucose के स्तर के और भी कम होते जाने के साथ शरीर में glucose के निर्माण की प्रक्रिया आरम्भ होती जाती है जिससे RBCs एवं brain की आपूर्ति बनी रहे।
Glucose शरीर की ऊर्जा का प्रमुख स्रोत है। भोजन के पश्चात् glucose प्रचुर मात्रा में उपलब्ध होता है एवं ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए यही मुख्य रूप से प्रयुक्त होता है। Krebs cycle के द्वारा glucose की oxidation से ऊर्जा एवं CO2 का निर्माण होता है। इसके विपरीत, भोजन के digest हो जाने के पश्चात् glucose की यह supply रुक जाने से शरीर क्रमशः triglyceride को fuel के रूप में प्रयोग में लाने लगता है। Triglyceride की lipolysis से fatty acids एवं glycerol उत्पन्न होते हैं। यह fatty acids भी beta oxidation के द्वारा ऊर्जा एवं CO2 उत्पन्न करते हैं।
Glucose एवं fattyacids के oxidation में एक मूलभूत अंतर होता है। Glucose की aerobic metabolism से जहाँ O2 के 1 molecule के प्रयोग में आने पर CO2 का भी 1 molecule उत्पन्न होता है वहीँ fatty acids की aerobic metabolism से 0.8 । O2 के प्रयोग से CO2 के उत्पन्न होने के इस सम्बन्ध को respiratory quotient कहते हैं। इसी की गणना के द्वारा यह अनुमान लगाया जा सकता है कि किसी समय कौन सा substrate मुख्य रूप से ऊर्जा के लिए प्रयोग में लाया जा रहा होगा।
Respiratory quotient = CO2 produced / O2 consumed
Respiratory quotient of different body fuels
1. Glucose = 1
2. Proteins = o.8
3. Fat = 0.71
4. Alcohol = 0.66
Energy reservoirs
शरीर में यह surplus calorie मुख्यतः तीन रूपों में store की जाती है
- Carbohydrates - glycogen के रूप में - मुख्यतः muscles में (~400 grams) एवं कुछ मात्रा में liver (~80 grams) में store होता है।
Fats - triglyceride अथवा triacylglycerol के रूप में - मुख्यतः adipose tissues में (~12 kg) एवं कुछ मात्रा में liver, muscles एवं अन्य organs में भी store होता है।
Proteins - मुख्यतः muscle protein के रूप में (~6 kg) - जो वास्तव में एक energy reservoir न होकर शरीर का structural component होता है परन्तु कुछ विशेष परिस्थितियों में (energy के अन्य स्रोतों के समाप्त होते जाने के साथ-साथ) यह calories उत्पन्न करने के लिए भी प्रयोग में लाया जाने लगता है।
Energy requirement
सामान्य physical activities करने वाले किसी व्यक्ति में शरीर के कुछ vital tissues की daily caloric requirement इस प्रकार से होती है -
Brain ~500 kcal/d
Liver ~300 kcal/d
Muscles ~900 kcal/d
Hormonal regulation of fuel homeostasis
Fed state में surplus calories को fuel reservoirs के रूप में store कराने का कार्य insulin द्वारा किया जाता है जो शरीर का प्रमुख anabolic hormone है।
इसके विपरीत, postabsorptive phase में fuel reservoirs से calories को release करने का कार्य glucagon, glucocorticoids, catecholamines इत्यादि hormones द्वारा किया जाता है जो शरीर के प्रमुख catabolic hormones हैं। क्योंकि यह hormones, insulin के विरुद्ध कार्य करते हैं अतः इन्हें counterinsulin या counter-regulatory hormones कहते हैं।
Metabolic processes
इन hormones के द्वारा निम्नांकित प्रक्रियाएं संपन्न होती हैं -
Fed state - anabolic phase - main regulator insulin
Glycogenesis को बढाकर, excess glucose को glycogen में बदलकर, muscles एवं liver में store करता है।
Lipogenesis को बढाकर, excess fatty acids एवं glycerol को triglyceride में बदलकर, adipose tissues में store करता है।
Protein synthesis को बढाकर, excess amino acids को proteins में बदलकर, muscles में store करता है।
Fed state में nutrients जितनी अधिक मात्रा में उपलब्ध होते जाते हैं, insulin का secretion उतना अधिक बढ़ता जाता है जो उपरोक्त तीनों प्रक्रियाओं को बढ़ता है। Absorption के साथ-साथ जैसे-जैसे nutrient concentration कम होती जाती है, insulin का secretion भी घटता जाता है। इससे उपरोक्त तीनों प्रक्रियाएं घटती तो जाती हैं परन्तु insulin की थोड़ी मात्रा भी उपरोक्त प्रक्रियाओं को reverse नहीं होने देती।

Post-absorptive state - catabolic phase - main regulators counter-regulatory hormones
जब तक insulin थोड़ी भी मात्रा में secrete होता रहता है, यह counter-regulatory hormones द्वारा संचालित catabolic processes को suppressed रखता है। Postabsorptive state में nutrient supply बंद होने के बाद insulin secretion भी नगण्य होता जाता है। इस समय विभिन्न tissues को calories उपलब्ध करने के लिए counter-regulatory hormones secrete होते हैं।
Glucagon
मुख्यतः liver में hepatocytes पर कार्य करके
Glycogenolysis को बढाकर, glycogen को glucose में बदलता है।
Gluconeogenesis को बढाकर, glycogen के अतिरिक्त अन्य substances से glucose का निर्माण कराता है।
Ketogenesis को बढाकर, fatty acids के partial oxidation से ketone bodies का निर्माण कराता है जो glucose की supply घटने की अवस्था में glucose के स्थान पर alternative fuel के रूप में उपयोग में लाये जा सकते हैं।
Catecholamines
Liver में glucagon की ही भांति उपरोक्त तीनों प्रक्रियाओं को बढ़ता है। Muscles में glycogenolysis को बढाता है।
Adipose tissues में lipolysis को बढाकर, triglycerides से fatty acids एवं glycerol उत्पन्न करते हैं जो glucose के स्थान पर alternative fuel के रूप में उपयोग में लाये जा सकते हैं।
Glucose
Glucose molecule exists in multiple forms
जब किसी chemical compound के solution से plane polarised light गुजरती है तब compound के chemical structure के अनुसार वह अपने मार्ग से दायीं अथवा बायीं ओर मुड़ जाती है। यदि यह बायीं ओर मुड़ती है तब उस compound को optical activity के अनुसार levorotatory कहते हैं जबकि दायीं ओर मुड़ने पर dextrorotatory । Glucose molecule में भी alcoholic group (C6) के बगल के carbon atom (C5) में hydroxyl (-OH) group के बायीं ओर लगे रहने पर वह levorotatory बन जाता है जबकि इसके दायीं ओर लगे रहने पर dextrorotatory । Glucose की यह दोनों forms, इसके optical isomers कहलाती हैं। Glucose की dextrorotatory optical form को dextrose कहते हैं।
Structural formula of glucose
अन्य carbohydrate molecules की भांति ही glucose (C6H12O6) के structural formula को अनेक रूपों में प्रदर्शित किया जा सकता है।
Straight chain formula - जिसमें सभी 6 C atoms एक chain के रूप में व्यवस्थित रहते हैं।
Cyclical formula - जिसमें यह एक hexagonal carbon ring के रूप में व्यवस्थित रहते हैं। यह ring, 5 C atoms एवं 1 O atom से बनती है। 6th C atom इसकी side chain में लगा रहता है। 3D side view में यह एक dental chair के रूप में दिखता है जिसमें hexagonal ring का एक C, horizontal plane से ऊपर उठा होता है (chair back), चार C atoms, horizontal plane में होते हैं (seat) एवं एक C atom, horizontal plane से नीचे झुका होता है (leg rest)। किसी solution में glucose अपनी cyclical form में मिलता है। Glucose की cyclical form में भी इसके C atoms दो प्रकार से व्यवस्थित हो सकते हैं -
i) Pyranose form - जिसमें glucose molecule, उपरोक्त hexagonal ring के रूप में मिलता है।
ii) Furanose form - जिसमें glucose molecule एक pentagonal ring के रूप में मिलता है।
यह ring, 4 C atoms एवं 1 O atom से बनती है। 5th एवं 6th C atom इसकी side chain में लगे रहते हैं। किसी solution में glucose, pyranose form में मिलता है। इस प्रकार, powdery form में glucose, straight chain के रूप में मिलता है जबकि aqueous solution में pyranose (hexagonal ring) form में।
Glycogen, glycogenesis and glycogenolysis
आवश्यकता से अधिक glucose, polymerisation के द्वारा glycogen में परिवर्तित होकर liver (लगभग 80g) एवं muscles (लगभग 400g) में store हो जाता है। इस प्रक्रिया को glycogenesis कहते हैं। Storage के लिए glucose का glycogen में परिवर्तित होना आवश्यक है क्योंकि किसी cell में glucose को अत्यधिक मात्रा में store नहीं किया जा सकता। ऐसा इसलिए क्योंकि glucose को अधिक मात्रा में store करने पर cell के cytoplasm की viscocity बढ़ती जाती जिससे osmosis के कारण cell burst तक हो सकती है। बिना viscocity बढ़ाये, glucose की अधिक मात्रा store भी नहीं की जा सकती। इसलिए glucose को polymerise कराकर उसे glycogen के granules में बदल दिया जाता है। Glycogen के insoluble होने के कारण इसे cell की viscocity बढ़ाये बिना ही cell में store किया जा सकता है।
Glycogen
Glucose molecules के ही polymerisation से animals में glycogen एवं plants में starch एवं cellulose का निर्माण होता है। इन तीनों में अंतर केवल इनके 3D-structure में होता है। Glycogen के molecule के निर्माण में glucose molecules दो प्रकार से जुड़ते हैं।
Linear chain में - इसमें पहले glucose molecule की C4 position से अगला glucose molecule अपनी C1 position से जुड़ते हुए एक long chain का निर्माण करता है। इन linkages को alpha 1,4-glycosidic linkage कहते हैं।
Branched chain में - linear chain के 8-10 molecule तक लम्बी हो जाने के बाद उसमें अगला glucose molecule, C4 position पर न लग कर C6 position पर लग जाता है। इससे पहली chain और अधिक लम्बी न हो कर एक side chain का रूप ले लेती है। इन linkages को alpha 1,6-glycosidic linkage कहते हैं। Long chains की इन्हीं branching के कारण ही glycogen molecule एक branched tree के रूप में दिखता है।
Starch एवं cellulose molecules में यही linkages, beta position से आरम्भ होती हैं (beta 1,4-glycosidic linkage) जिसके कारण वह अधिक branched न होकर linear chains के ही रूप में रहते हैं। Linear होते हुए भी starch में glucose molecules, helically arranged होते हैं जबकि cellulose में एक straight chain के रूप में। इससे, cellulose molecules को एक के ऊपर दूसरी pleats के रूप में arranged होकर strong cell wall बनाने में मदद मिलती है।

Glycogenesis
Glycogenesis की प्रक्रिया liver एवं muscle cells के cytoplasm में होती है। यह एक energy utilising process है जिसमें एक glycogen के molecule के निर्माण के लिए 2 ATP की आवश्यकता पड़ती है। Glucose एवं ATP के अतिरिक्त इस प्रक्रिया के लिए एक glucose donor molecule, uridine diphosphate (UDP) की आवश्यकता भी पड़ती है। इस प्रक्रिया के कुछ प्रमुख steps निम्नांकित हैं -
Conversion of glucose into glucose-6-phosphate (G6P) - किसी molecule में phosphate group को जोड़ने के लिए kinase group के enzyme (catalyst) की आवश्यकता होती है। यह catalyst liver में glucokinase एवं muscle में hexokinase कहलाता है। Conversion of G6P into glucose-1-phosphate (G1P) - Phosphate group को 6-position से 1-position पर transfer करने का कार्य phosphoglucomutase enzyme द्वारा संपन्न होता है।
Synthesis of UDP-glucose from G1P एवं UTP - UDP-glucose
pyrophosphorylase enzyme की मदद से G1P का glucose molecule UTP में transfer हो जाता है जिससे UDP-glucose का निर्माण होता है। यही UDP-glucose, glucose molecule के donor के रूप में कार्य करता है।
Synthesis of glycogen primer - Glucose molecules के polymerisation से glycogen का निर्माण तो होता है परन्तु इसका आरम्भ glucose के पहले, दूसरे, तीसरे molecules के जुड़ने से नहीं होता। जिस प्रकार किसी मोती के बनने में एक nidus की आवश्यकता होती है जिस के ऊपर हो रहे deposition से मोती आकार में बढ़ता जाता है उसी प्रकार glycogen बनने के लिए भी glycogen के ही किसी छोटे molecule की आवश्यकता पड़ती है जिसके ऊपर glucose के और अधिक molecules के जुड़ते जाने से वह आकार में बढ़ता जाता है। Glycogen के इस छोटे molecule को 'glycogen primer' कहते हैं। कभी-कभी इस glycogen primer की अनुपस्थिति में एक protein ‘glycogenin' इस nidus का कार्य करती है जिस पर glucose molecules के जुड़ते जाने से एक नए glycogen primer molecule का निर्माण होता है। UDP-glucose से glucose molecule लेकर glycogen primer या glycogenin पर transfer कराने का यह कार्य glycogen initiator synthase enzyme द्वारा किया जाता है।
Formation of long chain of glycogen molecule - Glycogen primer के glucose molecules से जब अन्य glucose molecules 1,4-glycosidic linkage के माध्यम से जुड़ते जाते हैं तब उससे एक linear chain का निर्माण होता है। यह glucose molecules भी UDP-glucose से ही प्राप्त होते हैं जिन्हें linear chain के रूप में जोड़ने का कार्य glycogen synthase enzyme द्वारा संपन्न होता है।
Formation of branches in glycogen molecule - Linear chains के अत्यधिक लम्बे होते जाने पर अन्य glucose molecules उस chain के end पर न जुड़कर, chain की side में जुड़ने लगते हैं जिससे branched chains का निर्माण होता है। यह प्रक्रिया branching enzyme द्वारा संपन्न होती है। इसके लिए किसी लम्बी linear chain के अंत में लगे कुछ glucose molecules को primary chain के end की C4 position से अलग कर उसी chain की side में C6 position पर जोड़ दिया जाता है। क्योंकि इसके लिए alpha 1,4-glycosidic bond को तोड़कर alpha 1,6-glycosidic bond का निर्माण होता है इसलिए इस कार्य को संपन्न करने वाले branching enzyme को glucosyl alpha 4-6 transferase या amylo alpha 1,4 to 1,6 transglucosidase भी कहते हैं। ध्यान रहे, इस branched chain में केवल branching के स्थान पर ही alpha 1,6-glycosidic linkage का प्रयोग होता है। इस स्थान के बाद branched chain का elongation भी linear chain की तरह ही alpha 1,4-glycosidic linkage द्वारा ही होता है। Glycogenesis की प्रक्रिया में प्रयुक्त होने वाले दो ATP molecules में पहला glucose के phosphorylation से G6P बनने एवं दूसरा UDP से UTP बनने में प्रयुक्त होता है।

Glycogenolysis
Polymeric glycogen के टूटने से monomeric glucose के बनने की प्रक्रिया glycogenolysis कहलाती है। यह प्रक्रिया भी glycogen की storage sites, liver एवं muscles के cytoplasm में ही संपन्न होती है। स्वाभाविक रूप से इस प्रक्रिया में glycogen की linear chains एवं branched chains में लगे glucose molecules को ही इन chains से तोड़कर अलग करना होगा। इस प्रक्रिया को glycogenesis के reversal के रूप में भी समझा जा सकता है। जिस प्रकार किसी पेड़ की छंटाई करते समय सर्प्रथम उसकी बाहरी पत्तियां काटी जाती हैं, उसके बाद बाहरी शाखाओं को काट कर छोटा किया जाता है एवं अंत में मुख्य तने से निकलने वाली बड़ी शाखाएं काटी जाती हैं उसी प्रकार glycogenolysis के दौरान भी सबसे पहले किसी chain में लगे अंतिम glucose molecules अकेले-अकेले अलग किये जाते हैं, फिर कुछ glucose molecules के छोटे-छोटे समूह अलग किये जाते हैं एवं अंत में branching आरम्भ करने वाले molecules अलग किये जाते हैं।
Release of last glucose molecule of any chain - किसी chain में लगा अंतिम glucose molecule, glucose-1-phosphate के रूप में होता है। अतः इस अंतिम molecule के ही chain से अलग होने पर glucose-1-phosphate (G1P) का निर्माण होता है। यह प्रक्रिया glycogen phophorylase enzyme के द्वारा संपन्न होती है।
Release of short chains of glucose molecules - किसी भी linear chain में glucose molecules, alpha 1,4-glycosidic linkage के माध्यम से ही जुड़े होते हैं अतः इन chains को छोटा करते समय सर्वप्रथम यही bonds तोड़े जाते हैं। Glycogen की branches को छोटा करने वाले इस enzyme को debranching enzyme कहते हैं। यह 3-4 glucose molecules की short chains को अलग करता है।
Transfer of short chains from branches to linear chains - जिस प्रकार glycogenesis के समय कुछ short chains, linear chains के end से टूट कर उसकी side में लगकर branches का निर्माण कर लेती हैं, उसी प्रकार, यह branched chains के free end से अलग हुई यह short chains, दुबारा किसी अन्य linear chains से जुड़ भी जाती हैं। ध्यान रहे, किसी भी chain में लगी हुईं यह short chains, alpha 1,4-glycosidic linkage के माध्यम से ही जुड़ी होती हैं। यहाँ यह short chains, एक chain की C4 position से अलग होकर दूसरी chain की C4 position पर लग रही हैं। इसीलिए इस transfer को कराने वाले enzyme को glucosyl 4-4 transferase कहते हैं। क्योंकि इन short chains को branches से काटकर दूसरी linear chain में जोड़ने वाले यह दोनों कार्य एक ही enzyme (debranching enzyme या glucosyl 4-4 transferase) द्वारा संपन्न होते हैं अतः इसे bifunctional enzyme भी कहते हैं।
Separation of glucose molecule at the site of branching - किसी branched chain के छोटे होते-होते जब उसके अंत में केवल एक ही glucose molecule रह जाता है तब वह मुख्य chain से branching आरम्भ करने वाले alpha 1,6-glycosidic linkage के माध्यम से जुड़ा होता है। अतः इस bond को तोड़ने वाले enzyme को amylo 1,6-glucosidase कहते हैं। जहाँ किसी chain में लगा अंतिम molecule के अलग होने पर glucose-1-phosphate के रूप में release होता है वहीँ किसी branching आरम्भ करने वाले स्थान पर लगा पहला molecule अलग होने पर free glucose के रूप में release होता है।
Limit dextrin - इस प्रकार debranching होते-होते अंत में glycogen molecule का central portion ही शेष बचता है जिसमें branching point के दोनों ओर 4-4 glucose residues बचे होते हैं। यह molecule limit dextrin कहलाता है जिसको और छोटा नहीं किया जा सकता।
Conversion of G1P into G6P - स्वाभाविक रूप से किसी पेड़ की शाखाओं के सिरों पर लगी पत्तियों की संख्या, पेड़ के तने से निकलने वाली शाखाओं से कहीं अधिक होगी। इसीलिए, glycogenolysis के उपरांत उत्पन्न G1P की मात्रा भी उससे उत्पन्न होने वाले free glucose से काफी अधिक (8:1) होती है। यदि glycogenolysis प्रक्रिया का उद्देश्य glucose का निर्माण है तब इस G1P को glucose में भी परिवर्तित करना होगा। जिस प्रकार glycogenesis के समय phosphoglucomutase enzyme, G1P में glucose के C1 position पर लगे phophate group को C6 position पर shift कर G6P में बदल देता है, ठीक उसी प्रकार glycogenolysis की प्रक्रिया के दौरान यही enzyme, G1P को G6P में बदल देता है। वास्तव में glycogenesis एवं glycogenolysis की प्रक्रियाओं में यही एक अकेला enzyme है जो दोनों प्रक्रियाओं में common है। Conversion of G6P into glucose - G6P से phosphate group अलग करने का कार्य glucose-6-phosphatase enzyme के माध्यम से होता है। ध्यान रहे, यह enzyme liver में तो मिलता है परन्तु muscles में नहीं। इसीलिए, glycogenolysis का end product liver में तो glucose होता है जबकि muscles में G6P । इस प्रकार, hepatic glycogenolysis तो glucose उत्पन्न करके plasma glucose regulation में भी सहायक होती है परन्तु muscular gluconeogenesis नहीं। Muscles द्वारा इस G6P को या तो glycolysis के द्वारा energy उत्पन्न करने के लिए प्रयुक्त कर लिया जाता है अथवा वह G6P को pyruvate एवं उससे lactate बनाते हुए hepatic gluconeogenesis के लिए blood में release करा देती है। क्योंकि glycogenolysis की कुछ मात्रा kidneys एवं intestines में भी हो सकती है जहाँ glucose-6-phosphatase enzyme भी होता है अतः यह organs भी glucose production में मदद कर सकते हैं।
Glycogenesis vs glycogenolysis
ध्यान रहे, एक दूसरे की ठीक विपरीत होते हुए भी glycogenesis एवं glycogenolysis में होने वाली chemical reactions एक दूसरे से भिन्न होती हैं। ऐसा इसलिए क्योंकि इनमें प्रयुक्त होने वाली यह reactions irreversible होती हैं जिससे जिन reactions के द्वारा glycogen का निर्माण हो रहा है, उन्हीं reactions को reverse करके उसका breakdown करा पाना संभव नहीं होगा। Glycogenolysis के समय उनसे भिन्न reactions को प्रयोग में लाना पड़ेगा। ऐसा शायद इसलिए होता है जिससे इन दोनों प्रक्रियाओं को अलग-अलग नियंत्रित किया जा सके।
Glycogenolysis vs lipolysis
तुम जानते हो कि glycogen एवं triglyceride ही शरीर के प्रमुख energy reservoirs हैं जिनसे क्रमशः glycogenolysis एवं lipolysis के माध्यम से यह stored energy release होती है। ध्यान रहे, यद्यपि triglyceride ही शरीर का प्रमुख reserve fuel है परन्तु glycogen एक easily available fuel है जो triglyceride reserve से तीन प्रकार से भिन्न है -
Fat breakdown (lipolysis) की तुलना में glycogen breakdown (glycogenolysis) अधिक शीघ्रता से आरम्भ होता है। यदि glucose को पास में रखे रूपए माना जाये तब glycogen, saving bank account है जिससे आवश्यकता पड़ने पर तुरंत रूपए निकाले जा सकते हैं जबकि fat, fixed deposit है जिससे रूपए निकालने में अपेक्षाकृत कुछ अधिक समय लगता है।
आवश्यकता पड़ने पर glycogen लगभग तुरंत ही glucose का निर्माण आरम्भ कर देता है एवं इस प्रकार plasma glucose के स्तर को बनाये रखने में मदद करता है। इसके विपरीत, lipolysis से पहले fatty acids एवं glycerol प्राप्त होते हैं जिनसे gluconeogenesis के द्वारा glucose का निर्माण करने में काफी समय लगता है। इस प्रकार lipolysis से plasma glucose level maintenance में कोई तत्काल मदद नहीं मिलती। Lipolysis की प्रक्रिया oxygen की उपस्थिति में ही होती है जबकि glycogenolysis के लिए oxygen की आवश्यकता नहीं पड़ती।

Fuel metabolism during pregnancy
हम जानते हैं कि energy substrate के रूप में fetus, मुख्यतः glucose का ही प्रयोग करता है जो इसे maternal circulation से प्राप्त होता है। इस प्रकार, fetus अपनी energy requirement को पूरा करने के लिए maternal glucose पर ही आश्रित रहता है। जरा सोचो, यदि किसी कारण से maternal blood glucose concentration कम होने लगी, तब fetus किस प्रकार से जीवित बच सकेगा? वास्तव में evolution के दौरान शरीर में ऐसे अनेक rescue mechanisms विकसित होते आये हैं जो इन संभावनाओं को घटाते हैं। तुमने सुना होगा कि pregnancy में fasting state में माँ के शरीर में ketone bodies बननी आरम्भ हो जाती हैं जो urine तक में निकलने लगती हैं। आओ समझने का प्रयत्न करते हैं कि ऐसा क्यों होता है।
याद करो, लम्बे समय तक भोजन न मिलने से glucose concentration के घटते जाने पर skeletal muscles क्रमशः fatty acids को energy substrate के रूप में प्रयोग में लाने लगती हैं। इसके लिए शरीर में संगृहित fat की lipolysis के द्वारा fatty acids का निर्माण होता है। परन्तु, blood brain barrier के कारण brain, fatty acids के इन large molecules को भी प्रयोग में नहीं ला पाता। इसीलिए, शरीर में इन fatty acids को भी metabolise कर, और भी छोटी ketone bodies का निर्माण किया जाता है जो सरलता से blood brain barrier को पार कर brain को उपलब्ध हो जाती हैं। ठीक यही प्रक्रिया pregnancy में भी प्रतिदिन दोहराई जाती है। यहाँ भी free fatty acids तो placenta को सरलता से पार नहीं कर पाते परन्तु इनकी metabolite, ketone bodies, आकार में छोटी होने के कारण बड़ी सरलता से placenta से होकर fetus में पहुँच जाती हैं जहाँ उनका प्रयोग energy substrate के रूप में किया जाता है।
इस प्रकार, pregnancy में मिलने वाली physiological ketosis, maternal glucose concentration के घटने पर fetus को fuel delivery के लिए एक वैकल्पिक व्यवस्था है। ध्यान रहे, प्रकृति में कोई भी कार्य निरर्थक नहीं होता।

Gluconeogenesis
Plasma glucose के स्तर में कमी आते ही glycogenolysis के द्वारा glucose का निर्माण आरम्भ हो जाता है परन्तु glycogen की सीमित मात्रा के द्वारा glucose का निर्माण बहुत अधिक समय तक प्रभावी नहीं रह सकता। ऐसे में शरीर को glucose उत्पन्न करने के लिए किसी अन्य substrate की आवश्यकता पड़ती है। जैसा कि नाम से ही स्पष्ट है, gluconeogenesis का अर्थ हुआ किसी नए पदार्थ (non-carbohydrate substance) से glucose का निर्माण। Lactate, pyruvate, glycerol, glucogenic amines (जैसे alanine) एवं proprionate कुछ प्रमुख gluconeogenic substrates होते हैं। यूं तो यह प्रक्रिया मुख्यतः liver cells के cytosol में संपन्न होती है परन्तु prolonged starvation के बाद renal cortex भी इसमें भाग लेने लगता है।
Need for gluconeogenesis
वास्तव में gluconeogenesis की विशेष आवश्यकता उन organs के लिए glucose बनाते रहने की है जो अपनी energy requirement के लिए केवल glucose पर ही निर्भर रहते हैं। इन organs में brain एवं central nervous system के tissues प्रमुख हैं जो total body requirement का 3/4 भाग स्वयं ही प्रयुक्त कर लेते हैं। Brain के अतिरिक्त RBCs, renal medulla एवं testes भी energy substrate के रूप में glucose को ही प्रयोग में लाते हैं।
Gluconeogenesis की आवश्यकता skeletal muscles के लिए भी होती है। यूं तो skeletal muscles, glucose के अतिरिक्त fatty acids को भी energy production के लिए प्रयोग में ला सकते हैं परन्तु इनके द्वारा glucose को प्राथमिकता देने का एक कारण यह भी है कि glucose से होने वाला energy production, anaerobic conditions में भी हो सकता है जबकि fat का oxidation oxygen की उपस्थिति में ही होता है।
शरीर में चल रहीं विभिन्न metabolic reactions में अनेक प्रकार के by products भी बनते रहते हैं जो tissues में एकत्रित होते रहते हैं। इनमें से अनेक by products, gluconeogenesis की प्रक्रिया में substrate के रूप में प्रयुक्त होते रहते हैं। इस प्रकार gluconeogenesis, इन metabolic by products के clearance का कार्य भी करती है।
Gluconeogenesis from pyruvate
इस प्रक्रिया में pyruvate से glucose का निर्माण होता है। क्या तुम्हें याद है कि glucose से pyruvate बनने की प्रक्रिया क्या कहलाती है? इसे glycolysis कहते हैं। क्या इसका अर्थ यह हुआ कि यदि glycolysis की प्रक्रिया को विपरीत दिशा में चला दिया जाए तब यह gluconeogenesis हो जायेगी? नहीं, ऐसा होना संभव नहीं है। ऐसा इसलिए क्योंकि glycolysis की प्रक्रिया में होने वाली 10 reactions में से 3 rections irreversible होती हैं। ऐसे में gluconeogenesis के लिए इन 3 reactions के स्थान पर कुछ अलग ही reactions को प्रयोग में लाना पड़ता है। आओ, gluconeogenesis की इन reactions को क्रमवार समझते हैं।
Conversion of pyruvate to phosphoenolpyruvate - Glycolysis के दौरान, enzyme pyruvate kinase के द्वारा phosphoenolpyruvate, pyruvate में बदलता है। परन्तु इस reaction के irreversible होने के कारण gluconeogenesis के दौरान इसे विपरीत दिशा में चला पाना संभव नहीं होता। इसलिए, cytosol से pyruvate mitochondria में पहुंचकर pyruvate carboxylase enzyme की मदद से oxaloacetate में बदलता है। क्योंकि oxaloacetate mitochondrial membrane को पार नहीं कर पाता इसलिए वह सर्वप्रथम malate में बदलता है जो cytosol में आकर पुनः oxaloacetate में बदल जाता है। Cytosol में आकर यही oxaloacetate, phosphoenolpyruvate carboxykinase enzyme की मदद से phosphoenolpyruvate का निर्माण करता है।
इसके बाद की 5 reactions reversible होती है जो glycolysis में ही प्रयुक्त होने वाले enzymes से glycolysis के ही विपरीत दिशा में संचालित होती हैं।
Phosphoenolpyruvate to 2-phosphoglycerate - Enolase enzyme के द्वारा।
2-phosphoglycerate to 3-phosphoglycerate - Phosphoglycerate mutase enzyme के द्वारा।
3-phosphoglycerate to 1,3-bisphosphoglycerate - Phosphoglycerate kinase enzyme के द्वारा।
1,3-bisphosphoglycerate to glyceraldehyde 3-phosphate - Glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase enzyme के द्वारा।
Glyceraldehyde 3-phosphate to fructose 1,6-bisphosphate - Aldolase enzyme के द्वारा।
Conversion of fructose 1,6-bisphosphate to fructose 6-phosphate -
Gluconeogenesis की प्रक्रिया में यह दूसरी irreversible एवं rate limiting reaction है जो fructose 1,6-bisphosphatase enzyme द्वारा संचालित होती है। Glycolysis के दौरान इसी की विपरीत reaction phospofructokinase enzyme द्वारा संचालित होती है। ध्यान रहे, smooth muscles एवं cardiac muscles में यह enzyme न होने के कारण gluconeogenesis की प्रक्रिया पूर्ण नहीं हो पाती।
Fructose 6-phosphate to glucose 6-phosphate - यह reaction भी reversible होती है जो glycolysis के समान phosphohexoisomerase enzyme द्वारा संचालित होती है।
Conversion of glucose 6-phosphate to glucose - Gluconeogenesis की प्रक्रिया में यह तीसरी एवं अंतिम irreversible, rate limiting reaction है जो glucose 6-phosphatase enzyme द्वारा संचालित होती है। Glycolysis में इसी की विपरीत reaction, liver में glucokinase एवं muscles में hexokinase के द्वारा संचालित होती है। ध्यान रहे, यह glucose 6-phosphatase enzyme भी skeletal muscles में नहीं होता जिसके कारण इनमें gluconeogenesis का end product glucose न होकर glucose-6-phosphate (G6P) होता है। क्योंकि यह G6P muscles की sarcolemma को पार नहीं कर पाता इसलिए muscles में हो रही gluconeogenesis, plasma glucose regulation में भाग नहीं लेतीं।
Gluconeogenesis from lactate
Production of lactate - Muscles में glycolysis की प्रक्रिया के दौरान pyruvate का निर्माण होता है। Muscular activity के जारी रहने पर यही pyruvate, anaerobic conditions में lactate dehydrogenase enzyme के द्वारा lactate में बदल जाता है। Pyruvate से lactate बनने की प्रक्रिया के दो लाभ होते हैं - इसमें NADH का regeneration होता है जो glycolysis की प्रक्रिया को जारी रखने के लिए अतिआवश्यक होता है।
यह lactate, plasma membranes को सरलता से पार कर, blood से होते हुए liver में पहुँच जाता है जहाँ यह gluconeogenesis के substrate के रूप में प्रयोग में आता है। Liver में यही lactate, oxidize होकर pyruvate में बदल जाता है जो gluconeogenesis के उपरोक्त steps के द्वारा glucose का निर्माण करता है।
इस प्रकार, muscles में anaerobic glycolysis के द्वारा pyruvate से होते हुए lactate का निर्माण होता है जो muscles से निकलकर, blood के द्वारा liver में पहुंचता है। Liver में इस lactate से gluconeogenesis के द्वारा glucose का निर्माण होता है जो blood में पहुंचकर पुनः muscles द्वारा प्रयोग में लाया जा सकता है। Skeletal muscles एवं liver के मध्य lactate एवं glucose के आदान-प्रदान का यह चक्र Cori cycle कहलाता है।
Gluconeogenesis from glycerol
Glycerol का निर्माण मुख्यतः adipose tissues में fat (triglyceride) की hydrolysis के द्वारा होता है। Blood से होते हुए यह glycerol, liver तक पहुँचता है। Liver में इसका उपयोग gluconeogenesis के माध्यम से glucose के निर्माण के लिए किया जाता है। इसके प्रमुख steps निम्नांकित हैं -
Conversion of glycerol into glycerol-3-phosphate - यह कार्य liver (एवं kidneys) में enzyme glycerokinase के द्वारा संपन्न होता है। क्योंकि adipose tissues में यह enzyme नहीं मिलता इसलिए यह प्रक्रिया adipose tissues में नहीं होती।
Conversion of glycerol-3-phosphate into dihydroxy acetone phosphate - यह कार्य glycerol-3-phosphate dehydrogenase enzyme द्वारा संपन्न होता है। याद करो, pyruvate से होने वाली gluconeogenesis के दौरान 3C atoms वाले glyceraldehyde 3-phosphate एवं dihydroxy acetone phosphate ही परस्पर मिलकर 6C atoms वाले fructose 1,6-bisphosphate का निर्माण करते हैं। इस प्रकार, glycerol से होने वाली gluconeogenesis में इस step से आगे होने प्रक्रिया pyruvate से होने वाली gluconeogenesis के ही समान होगी।
Gluconeogenesis from propionate (propionyl CoA)
ध्यान रहे, lipolysis की प्रक्रिया से बने अधिकाँश fatty acids, even chain के होते हैं। इनके oxidation से acetyl CoA का निर्माण होता है जिसको pyruvate में परिवर्तित नहीं किया जा सकता। इसीलिए, even chain fatty acids, acetyl CoA बनाकर citric acid cycle के माध्यम से energy production के लिए तो प्रयोग में लाये जा सकता हैं परन्तु glycogenolysis के substrate नहीं हो सकते। इनके विपरीत, odd chain fatty acids के oxidation एवं कुछ amino acids (जैसे methionine एवं isoleucine) के breakdown से 3C atoms के propionyl CoA का निर्माण होता है। यह propionyl CoA, methyl malonyl CoA बनाते हुए succinyl CoA में बदल जाता है। यही succinyl CoA, citric acid cycle से होते हुए gluconeogenesis की प्रक्रिया में प्रवेश कर सकता है। इस प्रकार, odd chain fatty acids, propionyl CoA के माध्यम से glycogenolysis के substrate हो सकते हैं।
Gluconeogenesis from amino acids
Leucine एवं lysine के अतिरिक्त अन्य सभी amino acids के द्वारा glucose का निर्माण हो सकता है। इसीलिए इन्हें glucogenic amino acids कहते हैं। वास्तव में अपनी metabolism के दौरान यह सभी glucogenic amino acids, pyruvate एवं citric acid cycle के अन्य intermediates में परिवर्तित हो सकते हैं। यहीं से यह gluconeogenesis की प्रक्रिया में भाग ले सकते हैं। यूं तो gluconeogenesis की प्रक्रिया से शरीर की structural proteins को हरसंभव बचा कर रखा जाता है परन्तु prolonged starvation के बाद मजबूरन इनको भी इस प्रक्रिया में प्रवेश करना पड़ता है। शरीर की structural proteins से glucogenic amino acids (मुख्यतः alanine) उत्पन्न करने का यह कार्य मुख्यतः skeletal muscles में होता है। जिस प्रकार, muscles का lactate, liver में पहुंचकर gluconeogenesis की प्रक्रिया में भाग लेता है उसी प्रकार, का कार्य muscles का alanine भी करता है। Muscles से निकले alanine द्वारा liver में gluconeogenesis से glucose का निर्माण होता है जो पुनः muscles द्वारा energy के लिए प्रयोग में लाया जा सकता है। Muscles एवं liver के मध्य glucose-lactate की Cori cycle की ही भांति prolonged starvation के बाद यह glucose-alanine cycle भी चलती है जिसे Cahill cycle कहते हैं।
Entry point of different substrates in the process of gluconeogenesis आओ अंत में यह समझ लेते हैं कि कौन-कौन से substrate, किस-किस reaction से, gluconeogenesis की प्रक्रिया में प्रवेश करते हैं।
Pyruvate - Glycolysis के अंतिम step से
Lactate - Pyruvate में convert होकर
Propionate - Succinyl CoA में convert होकर, citric acid cycle से
Glucogenic amino acids - Citric acid cycle के विभिन्न intermediates (oxaloacetate, alpha ketoglutarate, succinyl CoA अथवा fumarate) में convert होकर
ध्यान रहे, glycolysis की प्रक्रिया में phosphoenolpyruvate से pyruvate kinase enzyme के माध्यम से pyruvate का निर्माण तो हो जाता है परन्तु इस reaction के irreversible होने के कारण pyruvate से phosphoenolpyruvate का विपरीत दिशा में निर्माण नहीं हो पाता। इसलिए gluconeogenesis की उपरोक्त सभी reactions को citric acid cycle की forward reactions से होकर ही गुजरना पड़ता हैजिनसे अंत में phosphoenolpyruvate का निर्माण होता है।
Glycerol - Dihydroxyacetone phosphate के step से। Gluconeogenesis के प्रमुख substrates में केवल यही ऐसा substrate है जिसे इस प्रक्रिया के दौरान citric acid cycle से होकर गुजरना नहीं पड़ता। यह (glycerol) phosphoenolpyruvate बनने के बाद, dihydroxyacetone phosphate के step से इस प्रक्रिया में प्रवेश करता है।

Withdrawal of energy from fuel reservoirs
आओ समझते हैं कि यह fuel reservoirs किस प्रकार से उपयोग में आते हैं। Glycogen
Energy की आवश्यकता पड़ने पर अथवा plasma glucose level के घटने पर सर्वप्रथम, liver glycogen, glycogenolysis के द्वारा glucose में बदलता है। लगभग 80 gm liver glycogen से मिलने वाले glucose से 4 kcal/gm के अनुसार 320 kcal प्राप्त होंगीं जो लगभग 4-5 घंटों के basal metabolic rate को चला सकने में सक्षम होंगीं।
Muscles में लगभग 400 grams glycogen stored रहता है जो लगभग 1600 kcal उत्पन्न करके लगभग एक दिन की caloric requirement को पूरा कर सकता है।Liver एवं muscles में stored glycogen के सन्दर्भ में कुछ विशेष अंतर होते हैं। जहाँ liver glycogen, energy requirement के समय सर्वप्रथम प्रयोग में आना आरम्भ कर देता है वहीँ muscle glycogen में glycogenolysis, prolonged fasting अथवा prolonged exercise के बाद ही आरम्भ होती है। इसके अतिरिक्त, liver glycogen की glycogenolysis से glucose उत्पन्न होता है जो energy उत्पन्न करने के साथ-साथ plasma glucose regulation में भी सहायक होता है जबकि muscle glycogen की glycogenolysis की प्रक्रिया, अपने endproduct glucose तक न पहुंचकर उससे एक step पहले बनने वाले glucose-6-phosphate (G6P) पर ही रुक जाती है। ऐसा इसलिए क्योंकि muscles में G6P को glucose में बदलने वाला enzyme, glucose-6-phosphatase नहीं होता। इसी कारण से, muscle glycogen की glycogenolysis से glucose उत्पन्न नहीं होता जिससे plasma glucose levels को भी नियंत्रित किया जा सके।
Plasma glucose regulation के लिए muscles, liver की सहायता लेती हैं। तुम जानते हो कि glycolysis की प्रक्रिया में glucose (अथवा G6P) से pyruvate का निर्माण होता है। Muscles इस pyruvate को दो प्रकार से उपयोग में लाती हैं -
अपनी आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, pyruvate को Krebs cycle के द्वारा metabolise कराकर उससे energy प्राप्त कर लेना, अथवा Plasma glucose के regulation में मदद करने के लिए इस pyruvate को lactate में बदल कर circulation में release करा देना जिससे वह liver तक पहुँचकर वहां gluconeogenesis के माध्यम से glucose के निर्माण में भी मदद कर सके।
Fats (triglycerides)
शरीर में stored लगभग 12 kg fat (triglyceride) से 9 kcal/gm के अनुसार लगभग 110000 kcal उत्पन्न हो सकती हैं जो पर्याप्त भोजन न मिलने की अवस्था में लगभग दो माह तक की basal metabolic requirement को चला सकती हैं। तुम जानते हो कि glucose ही शरीर के विभिन्न tissues द्वारा प्रयोग में लाया जाने वाला प्रमुख fuel है। इसीलिए, शरीर की metabolism मुख्यतः carbohydrate metabolism के चारों ओर ही घूमती है। Brain तो अपनी energy requirement (~500 kcal/d) के लिए विशेष रूप से glucose पर ही आश्रित रहता है। Muscles (energy requirement ~900 kcal/d) glucose के अतिरिक्त fat को भी प्रयोग में ला सकते हैं जबकि liver (energy requirement ~500 kcal/d), glucose एवं fat के अतिरिक्त proteins (amino acids) को भी प्रयोग में ला सकते हैं। Energy के carbohydrate sources में कमी आने के साथ ही muscles एवं liver, क्रमशः fats (triglyceride की lipolysis से प्राप्त होने वाले fatty acid एवं glycerol) को energy substrate के रूप में प्रयोग में लाने लगते हैं। Prolonged starvation के बाद brain भी glucose के स्थान पर ketone bodies को energy substrate के रूप में प्रयोग में लाने लगता है जो इसे fatty acids की metabolism से प्राप्त होते हैं। इस प्रकार, starvation के साथ-साथ शरीर क्रमशः carbohydrate metabolism से fat metabolism की ओर झुकता जाता है। ऐसा शरीर की protein को energy के रूप में प्रयुक्त होने से बचाने के लिए होता है क्योंकि शरीर की structural proteins का सीमा से अधिक loss, मृत्यु तक का कारण बन सकता है।
Proteins
सामान्यतः proteins हमारे शरीर का structural complonent होने के कारण energy requirement को पूरा करने के लिए प्रयोग में नहीं लायी जातीं परन्तु energy deprivation की अवस्था में लगभग 6 kg proteins भी 4 kcal/gm के अनुसार लगभग 24000 kcal उत्पन्न कर सकती हैं जो लगभग 10 दिनों की basal metabolic requirement को पूरा करने में सहायक हो सकती हैं।
Glucose homeostasis
तुम जानते हो कि glucose ही शरीर का प्रमुख energy substrate (fuel) है एवं शरीर की सम्पूर्ण metabolism इसी के चारों ओर घूमती है। आओ समझते हैं कि भोजन करने के पश्चात् एवं भोजन न मिलने पर शरीर किस प्रकार glucose की मात्रा को नियंत्रित करता है। इस प्रक्रिया को glucose homeostasis कहते हैं। भोजन की उपलब्धता के आधार पर शरीर में fuel utilisation को 5 stages में विभाजित किया जा सकता है -
1. Fed state; stage of exogenous glucose utilisation and glycogenesis in liver and muscles - यह भोजन ग्रहण करने के बाद की स्थिति है जब भोजन के द्वारा exogenous glucose प्राप्त हो रहा है। इस अवस्था में metabolism का प्रमुख उद्देश्य इस exogenous glucose को energy substrate के रूप में प्रयोग में लाना है तथा इसकी अतिरिक्त मात्रा को glycogenesis की प्रक्रिया के द्वारा glycogen के रूप में store करना है। Glucose की पर्याप्त मात्रा उपलब्ध होने के कारण इस fed state में शरीर के सभी tissues (एवं brain), glucose को ही energy substrate के रूप में प्रयोग में लाते हैं।
2. Post-absorptive phase (overnight fast ~ 12 hours); stage of endogenous glucose production by hepatic glycogenolysis - यह भोजन के लगभग 5 घंटे बाद की स्थिति है जब उसके digestion से मिलने वाला glucose absorb हो चुका होता है। ऐसे में metabolism का प्रमुख उद्देश्य energy storage के स्थान पर energy (glucose) production हो जाता है। Exogenous glucose के समाप्त हो चुकने की इस स्थिति में शरीर में endogenous glucose बनना आरम्भ हो जाता है जो liver में stored 80 g glycogen की glycogenolysis के द्वारा संपन्न होता है। Overnight fast के बाद शरीर का glucose consumption लगभग 7g/hour होता है जिसका 50-60% brain, 20-25% splanchnic organs एवं 20-25% skeletal muscles द्वारा प्रयुक्त होता है। ऐसे में brain (जो कि energy substrate के रूप में glucose को ही प्रयोग में लाता है) के लिए glucose को बचाये रखने के लिए शरीर के अन्य organs में glucose का प्रयोग क्रमशः कम होता जाता है
3. Starvation (16-32 hours); stage of adipose tissue lipolysis and endogenous glucose production by hepatic gluconeogenesis - Overnight fast के बाद जहाँ endogenous glucose production का दायित्व hepatic glycogen के glycogenolysis द्वारा निभाया जाता है वहीँ starvation के लम्बे होते जाने पर hepatic glycogen के समाप्त होने से यह भार hepatic gluconeogenesis पर आ जाता है। ऐसे में adipose tissues में एकत्रित fat (triglyceride) की lipolysis से free fatty acids (FFA) एवं glycerol release होते हैं जिनसे gluconeogenesis की प्रक्रिया संपन्न होती है। इस समय तक liver एवं muscles लगभग पूर्णरूप से FFA को energy substrate के रूप में प्रयोग में लाने लग जाते हैं जिससे glucose को brain (एवं RBCs) के लिए बचाये रखा जा सके।
4. Prolonged starvation (after 32 hours); stage of endogenous glucose production by hepatic and renal gluconeogenesis - इतनी लम्बी fasting के बाद gluconeogenesis की प्रक्रिया को और भी अधिक बढ़ने के लिए इसमें liver के साथ-साथ kidneys भी सम्मिलित हो जाती हैं। इस समय तक brain एवं RBCs के साथ साथ renal medulla भी अपनी energy requirement के लिए glucose पर ही आश्रित होते जाते हैं। ध्यान रहे, इस समय renal cortex तो gluconeogenesis के द्वारा glucose उत्पन्न करता है जबकि renal medulla, glucose को प्रयोग में ला रहा होता है। समय के साथ-साथ gluconeogenesis के लिए आवश्यक substrates भी समाप्त होते जाते हैं जिससे vital organs जैसे brain को मिलने वाली glucose supply भी घटती जाती है। इस स्थिति से निबटने के लिए brain भी glucose पर ही निर्भर रहने के स्थान पर क्रमशः ketone bodies को प्रयोग में लाने के लिए adapt करने लगता है।
5. Much prolonged starvation (after 24 days); stage of endogenous glucose production by hepatic and renal gluconeogenesis - अत्यधिक लम्बे starvation के बाद gluconeogenesis ही glucoge production का प्रमुख माध्यम रह जाता है जिसमें liver के साथ-साथ kidneys का योगदान बढ़ता जाता है। सामान्यतः proteins को gluconeogenesis के substrate बनने से बचाया जाता है परन्तु इस समय के आने तक gluconeogenesis में proteins का योगदान बढ़ता जाता है। इस समय केवल RBCs एवं renal medulla ही glucose को प्रयोग में ला रहे होते हैं एवं brain क्रमशः ketone bodies को energy substrate के रूप में प्रयोग में लाने लगता है।
Fuel metabolism - Need for integrated energy metabolism
जरा सोचो, शरीर को किसी metabolic machinery की आवश्यकता ही क्यों पड़ी? वास्तव में, हमारी दिनचर्या ही इसके विकास का कारण है। हम सामान्यतयः दिन में 2-3 बार भोजन करते हैं एवं 1-2 बार इन भोजनों के मध्य नाश्ते। इस प्रकार हम शरीर को भोजन के रूप में calories तो बीच-बीच में देते हैं परन्तु physical activities के रूप में इन calories को प्रयोग में लगातार पूरे दिन एवं पूरी रात लाते रहते हैं। शारीरिक परिश्रम न करने पर भी muscles का energy expenditure तो रुक जाता है परन्तु brain, जो कि सदैव ही सक्रिय रहता है, तब भी energy utilize करता रहता है। इसका अर्थ यह हुआ कि शरीर को भोजन करते समय अपनी तात्कालिक आवश्यकता से अधिक calories ग्रहण करनी होंगीं तथा इन surplus calory को store करते जाना होगा जिससे दो समय के भोजनों के मध्य के समय वह इस stored energy को release कर के शारीरिक आवश्यकताओं को पूरा कर सके। इस प्रकार शरीर की यह metabolic machinery किसी inverter की battery की भांति ही तो हुई जो electricity आने पर AC current को DC में बदल कर battery को charge करती रहे एवं जैसे ही electricity supply बंद हो, वह पुनः DC को AC में बदल कर घर को supply देना आरम्भ कर दे। Intermittent energy supply एवं continuous energy utilisation ही समस्त energy (fuel) metabolism का केंद्र बिंदु है। आओ इस पूरी प्रक्रिया को विस्तार से समझते हैं।
यूं तो शरीर में सभी nutrients metabolize होकर कुछ न कुछ मात्रा में calories उत्पन्न कर सकते हैं परन्तु जिन nutrients को शरीर मुख्य रूप से energy producing fuel के रूप में प्रयोग में लाता है वे हैं, glucose एवं fatty acids । सामान्य अवस्था में मानव शरीर की सम्पूर्ण metabolic activities, glucose utilisation पर ही आधारित होती हैं परन्तु glucose के पर्याप्त मात्रा में उपलब्ध न होने पर यह fatty acids को प्रयोग में लाने लग जाती हैं। इससे ज्ञात होता है कि energy cycling में carbohydrate एवं fat metobolic processes परस्पर जुड़े हुए हैं। अर्थात, इनमें से किसी एक nutrient के अधिक अथवा कम होने पर यह पूरी machinery दूसरे nutrient को recycle कर के शारीरिक गतिविधियों को चलाती रहती है।
यहाँ तुम एक प्रश्न यह भी कर सकते हो कि आखिर carbohydrate एवं fat metabolism को एक दूसरे से जोड़ने की आवश्यकता ही क्या है? जब तक glucose उपलब्ध है, शरीर carbohydrate metabolism पर आश्रित रहे एवं इसके समाप्त होने पर carbohydrate metabolism को बंद कर शरीर fat metabolism से fatty acids द्वारा energy प्राप्त करना आरम्भ कर दे? वास्तव में शरीर के अनेकों tissues में ऐसा ही होता है जो glucose की कमी होने पर glucose utilisation के स्थान पर fatty acid utilisation पर switch कर लेते हैं। परन्तु शरीर के कुछ ऐसे vital organs ऐसे भी हैं जो पूर्ण रूप से glucose पर ही आश्रित होते हैं, अर्थात वह अपनी energy requirement के लिए केवल और केवल glucose को ही प्रयोग में ला सकते हैं। यह organs हैं, brain, RBCs एवं renal medulla । तुम यह समझ ही सकते हो कि इन organs के भली-भांति कार्य न कर पाने की स्थिति में तो जीवित रहना ही संभव न हो सकेगा। जिस प्रकार, घर में किसी newborn के होने पर घर के दूसरे सदस्यों के हिस्से का भी दूध रोककर उसे शिशु के लिए बचाया जाता है उसी प्रकार, glucose की supply सीमित होने पर शरीर भी कुछ भी करके इनके लिए glucose बचा कर रखता है एवं glucose store समाप्त हो जाने की स्थिति में उसे दूसरे nutrients के द्वारा भी glucose का निर्माण कराना पड़ता है। अन्य nutrients के द्वारा glucose उत्पन्न कर सकने की इसी आवश्यकता के कारण ही शरीर मैं carbohydrate एवं fat metobolisms को परस्पर जोड़ने की आवश्यकता पड़ती है।
भोजन द्वारा अतिरिक्त calories प्राप्त करने के बाद इसको store करते समय भी इन दोनों nutrients की metabolism के परस्पर integration की आवश्यकता पड़ती है। तुम जानते हो कि surplus glucose, glycogen के रूप में संग्रहित हो जाता है। यहाँ ध्यान देने योग्य तथ्य यह है कि किसी cell में glycogen अपनी hydrated form में ही store किया जाता है। वास्तव में, 1 gram glycogen को store करने के लिए 3 gram water की आवश्यकता पड़ती है। अर्थात 1 gram glycogen को store करने में शरीर का वजन 4 gram बढ़ जाएगा। व्यावहारिक दृष्टि से यह उचित न होगा।
Glycogen के विपरीत, fat (triglyceride) का storage इसकी anhydrous form में होता है जिसके लिए water की आवश्यकता नहीं होती। इस प्रकार, 1 gram fat (triglyceride) store करने में शरीर का वजन केवल 1 gram ही बढ़ेगा। एक औसत 70 kg की human body में सामान्यतः 500 grams glycogen संगृहित रहता है (जिसमें से 400 grams muscles में एवं 100 grams liver में) जबकि fat (triglyceride) 12 kg । यदि इस 12 kg fat को glycogen के रूप में store करना पड़े तब इससे शरीर का वजन लगभग 100 kg बढ़ जायेगा। इस प्रकार वजन एवं volume की दृष्टि से energy storage के लिए glycogen की अपेक्षा fat (triglyceride) अधिक उपयुक्त रहता है। अब यह निष्कर्ष तुम स्वयं ही निकाल सकते हो कि carbohydrate एवं fat metabolisms के integration से ही यह कार्य संभव हो सकेगा।
जरा सोचो, यह समस्त metabolic processes किस प्रकार नियंत्रित होते होंगे? Hormonal एवं neurological control mechanisms के अतिरिक्त nutrients (energy substrates अथवा fuel) स्वयं भी अपनी metabolism को प्रभावित करते हैं।अगले खंड में हम विस्तार से इनके विषय में पढ़ेंगें।
Fuel-hormone relationship in fasting state
Glucose requirement in fasting state - सर्वप्रथम समझते हैं कि fasting state (overnight fast के बाद) में glucose के आवश्यकता शरीर में कहाँ-कहाँ होती है। वास्तव में, fasting अथवा postabsorptive state में, resting body में सर्वाधिक glucose, brain द्वारा प्रयोग में लाया जाता है जो total glucose requirement के 50-60% के बराबर होता है। तत्पश्चात, splanchnic organs लगभग 20-25% एवं skeletal muscles लगभग 20-25% glucose को प्रयोग में लाते हैं। इन्हीं organs (मुख्यतः brain) की energy requirement को पूरा करना ही postabsorptive state की metabolism का प्रमुख उद्देश्य होता है।
Insulin secretion decreases; reduction in peripheral glucose requirement -
भोजन के 3-4 घंटों बाद, भोजन से प्राप्त होने वाले glucose की supply समाप्त होने लगती है। Plasma glucose का स्तर कम होने के साथ ही insulin secretion भी घटने लगता है। क्योंकि यही insulin इन tissues में glucose की entry एवं metabolism को नियंत्रित करती है, अतः insulin secretion घटने के साथ-साथ इन tissues में peripheral glucose utilisation भी घटने लगता है। ऐसे में शरीर के विभिन्न tissues को अपनी energy requirement को पूरा करने के लिए glucose पर निर्भरता घटानी पड़ती है। ऐसे में यह peripheral tissues, alternative fuel के रूप में क्रमशः free fatty acids (FFA) एवं ketone bodies को प्रयोग में लाने की ओर मुड़ने लगते हैं।
Counter-regulatory hormones increases; increase in endogenous glucose production - परन्तु शरीर में कुछ ऐसे भी tissues हैं जो glucose के अतिरिक्त किसी अन्य fuel को प्रयोग में नहीं लाते। इनमें सर्वप्रमुख है brain, जिसके लिए शरीर को किसी न किसी प्रकार से glucose की उपलब्धता सुनिश्चित करनी पड़ती है। भोजन से मिलने वाले glucose की अनुपस्थिति में यह जिम्मेदारी liver के द्वारा वहन की जाती है। ध्यान रहे, insulin एक anabolic hormone है जो अन्य catabolic hormones (जैसे glucagon, glucocorticoids एवं catecholamines) को inhibition अथवा suppression में रखता है। क्योंकि यह सभी hormones, insulin के प्रभावों का विरोध (counter) करते हैं, इसलिए इनको counter-regulatory hormones भी कहते हैं। Insulin level के घटते जाने से इन counter-regulatory hormones पर से inhibition हटता जाता है जिससे यह active होते जाते हैं। यह ठीक इस प्रकार हुआ जैसे सूर्य का प्रकाश, चन्द्रमा एवं तारों को दिखने नहीं देता। सूर्य के प्रकाश के घट जाने के बाद ही यह दोनों अपना प्रकाश प्रकट कर पाते हैं। इस प्रकार, overnight fasting के बाद insulin secretion घटने एवं counterregulatory hormones के बढ़ने से ही शरीर में endogenous glucose production आरम्भ होता है। 1) सर्वप्रथम, liver में glycogenolysis की प्रक्रिया आरम्भ हो जाती है जो glycogen से glucose का निर्माण कराती है। यह glucose, brain cells के द्वारा प्रयोग में लाया जाता है। 2) तत्पश्चात, adipose tissues में lipolysis आरम्भ हो जाती है जिससे FFA एवं glycerol उत्पन्न होते हैं। यह दोनों भी gluconeogenesis के द्वारा glucose उत्पन्न करते हैं। FFA के beta-oxidation से ketone bodies उत्पन्न होते हैं। यह दोनों fuels, peripheral tissues के द्वारा alternative fuels के रूप में प्रयोग में लाये जाते हैं। ध्यान रहे, gluconeogenesis के द्वारा glucose उत्पन्न करने वाली उपरोक्त सभी प्रक्रियाएं मुख्यतः liver में संपन्न होती हैं परन्तु थोड़ी मात्रा में kidneys भी इसमें सहायक होती हैं। 3) यदि उपरोक्त प्रक्रियाओं द्वारा भी पर्याप्त fuels उपलब्ध न हो सकें, तब muscles में भी proteolysis की प्रक्रिया आरम्भ हो जाती है। इससे प्राप्त होने वाले amino acids भी gluconeogenesis के द्वारा glucose उत्पन्न कर सकते हैं।
Glycogenolysis
यहाँ यह प्रश्न भी तुम्हारे मन में उठ सकता है कि glycogenolysis तो muscles में भी होती है परन्तु plasma glucose के regulation में muscles का नाम क्यों नहीं लिया गया? वास्तव में, muscles में glycogenolysis तो होती है परन्तु इसका end product, glucose न होकर glucose-6-phosphate (G6P) होता है। ऐसा इसलिए क्योंकि liver के विपरीत muscles में, G6P को glucose में बदलने वाला enzyme, glucose-6-phosphatase नहीं होता। जहाँ glucose सरलता से cell membrane को पार कर सकता है, यह G6P, cell membrane को पार नहीं कर सकता। इसलिए ही muscles में होने वाली glycogenolysis की प्रक्रिया, plasma glucose regulation में सहायक नहीं हो पाती। यह तथ्य कुछ अजीब सा लगता है कि, liver में stored 80 g glycogen तो plasma glucose regulation में भाग लेता है परन्तु muscle glycogen 400 g होते हुए भी क्या केवल muscle के लिए ही आरक्षित है एवं वह शरीर के किसी काम नहीं आता? वास्तव में ऐसा नहीं होता। यह सही है कि muscles अपने glycogen को सीधे glucose में नहीं बदल पातीं परन्तु glycogenolysis में बनने वाला G6P, glycolysis की प्रक्रिया द्वारा pyruvate में बदल जाता है। इससे उत्पन्न energy को muscles अपने लिए प्रयोग में ले आती हैं। अब यदि muscles को और अधिक energy की आवश्यकता है, तब यह pyruvate, Kreb's cycle में प्रवेश कर energy उत्पन्न कर देता है। इसके विपरीत, यदि plasma glucose level घट रहा हो तब यह pyruvate, muscle के cytoplasm में ही lactate में बदल जाता है जो सरलता से muscle से निकलकर blood capillaries में प्रवेश कर लेता है। Blood द्वारा यह lactate, liver में पहुँच जाता है जहाँ वह gluconeogenesis के माध्यम से glucose में बदल दिया जाता है। इस प्रकार muscles, plasma glucose regulation में सीधे-सीधे तो भाग नहीं लेतीं परन्तु liver के माध्यम से lactate के निर्माण के द्वारा वह इस प्रक्रिया में भी मदद करती हैं। Liver में lactate से gluconeogenesis के द्वारा निर्मित यह glucose, पुनः blood से होते हुए muscles में पहुंचकर प्रयोग में लाया जा सकता है। Muscles द्वारा lactate का निर्माण एवं liver द्वारा इस lactate से glucose निर्मित करके पुनः muscles तक पहुँचाना, इस चक्र को Cori's cycle कहते हैं।
ध्यान रहे, gluconeogenesis के द्वारा glucose उत्पन्न करने वाली उपरोक्त सभी प्रक्रियाएं मुख्यतः liver में संपन्न होती हैं परन्तु थोड़ी मात्रा में kidneys भी इसमें सहायक होती हैं।
Energy metabolism of muscles: During rest and exercise
Overnight fast के बाद जब भोजन से मिलने वाले glucose की supply समाप्त हो चुकी होती है, glucose production का यह दायित्व liver पर आ जाता है। Liver यह कार्य glycogenolysis एवं gluconeogenesis जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से करता है। Fasting state में glucose की यह supply शरीर के उन organs के लिए आवश्यक होती है जो अपनी energy requirements के लिए पूर्णरूप से glucose पर ही आश्रित होते हैं। इनमें सर्वप्रमुख है brain जो किसी fasting एवं resting state के कुल glucose requirement का लगभग 50% भाग प्रयोग में लाता है। इसके अतिरिक्त GIT एवं kidneys में लगभग 30% glucose प्रयुक्त होता है।
At rest - Overnight fast के बाद, resting state में skeletal muscles को कुल glucose requirement के केवल 10-20% भाग की ही आवश्यकता होती है। ऐसा इसलिए क्योंकि resting state में skeletal muscles अपनी energy requirement के लगभग 80-90% भाग को fatty acids से प्राप्त करती हैं। यह एक physiological adaptation है जिससे glucose की अधिक से अधिक मात्रा brain के लिए बचाई जा सके।
During early exercise - Exercise के साथ-साथ skeletal muscles, अपनी energy requirement के लिए क्रमशः carbohydrate metabolism की ओर shift होते जाते हैं। इसके लिए सर्वप्रथम muscle glycogen का प्रयोग होता है जो glycogenolysis के द्वारा glucose-6-phosphate (G6P) में बदलकर exercising muscles को energy उपलब्ध कराता है। ध्यान रहे, muscles में glucose 6 phosphatase enzyme न होने के कारण, glycogenolysis की प्रक्रिया के फलस्वरूप glucose का निर्माण नहीं होता। यह G6P, muscle fibre की sarcolemma को पार न कर पाने के कारण muscle में ही रह जाता है एवं muscles में glycolysis से energy प्राप्त करने के लिए प्रयुक्त होता है।
During ongoing exercise - Muscle cytoplasm में anaerobic glycolysis से energy उत्पन्न करने के उपरान्त pyruvate उत्पन्न होता है। Ongoing exercise के दशा में यह pyruvate, mitochondria में प्रवेश करके, citric acid cycle की aerobic metabolism के द्वारा muscles को और भी अधिक energy उपलब्ध कराता है। ऐसे में muscles को और भी अधिक glucose, एवं उसके aerobic metabolism के लिए oxygen की आवश्यकता पड़ती है। Glucose की इस demand की पूर्ति extramusular sources (मुख्यतः liver) को करनी पड़ती है। Glucose की इस demand की पूर्ति extramusular sources (मुख्यतः liver) को करनी पड़ती है। क्योंकि इस glucose को उत्पन्न करने के लिए liver का अपना glycogen store सीमित ही है अतः ऐसे में liver को glucose उत्पन्न करने के लिए alternative fuels (gluconeogenesis) की ओर रुख करना पड़ता है। इनके प्रमुख sources हैं adipose tissues में fat की lipolysis से उत्पन्न glycerol एवं muscles में glycolysis से उत्पन्न pyruvate से बना lactate । इस glucose एवं oxygen को muscles तक पहुँचाने के लिए muscular blood flow को और भी अधिक बढ़ाना पड़ता है।

Energy exchanges between muscles and liver: Cori cycle - Exercise बंद होने की स्थिति में यदि muscles की energy requirement घट जाती है तब muscles में इस aerobic metabolism की आवश्यकता नहीं पड़ती। ऐसे में, glycolysis द्वारा उत्पन्न pyruvate एकत्रित होने लगता है जो lactate में बदलता जाता है। इसके अतिरिक्त, किसी unaccustomed exercise के बाद जब किसी untrained व्यक्ति में muscle blood flow पर्याप्त रूप से नहीं बढ़ पाता हो, उस परिस्थिति में भी यह lactate muscles में एकत्रित होता जाता है जो muscle cramps का कारण बनता है। एक प्रकार से यह lactate, surplus energy substrate है जो muscles के द्वारा कम से कम उस समय प्रयोग में नहीं आ पा रहा है।यह lactate, muscles से blood में release करा दिया जाता है जिससे यह liver में पहुंचकर gluconeogenesis के माध्यम से पुनः glucose में बदलकर, शरीर के विभिन्न भागों द्वारा प्रयोग में लाया जा सके। इस प्रकार, glucose 6 phosphatase enzyme की कमी यह सुनिश्चित कराती है कि muscle glycogen का प्रयोग, पहले muscles की अपनी आवश्यकता के लिए हो, एवं तत्पश्चात बची हुई surplus energy को ही शरीर के अन्य भागों के लिए कार्य में लाया जा सके। इस प्रकार, exercise के दौरान muscles में उत्पन्न lactate, liver में पहुंचकर उसे gluconeogenesis के लिए आवश्यक substrate उपलब्ध कराता है एवं liver द्वारा इस lactate से gluconeogenesis की प्रक्रिया के द्वारा बना glucose, पुनः muscles तक पहुंचकर उसे energy susbstrate उपलब्ध कराता है। Muscles एवं liver के मध्य energy substrates के इस आदान-प्रदान को Cori cycle कहते हैं।
After exercise - इस प्रकार, exercise के दौरान muscular glycogen बड़ी तेजी से प्रयुक्त होता जाता है। वास्तव में, exercise के बाद muscular glycogen का breakdown, hepatic glycogen से भी अधिक तेजी से होता है। Exercise बंद होने के पश्चात् muscles की प्राथमिकता होती है कि इस glycogen store को शीघ्रातिशीघ्र replenish किया जाये। इसके लिए exercise के बाद भी कुछ समय तक muscles का glucose uptake काफी बढ़ा रहता है। Exercise के समाप्त होने के बाद muscle metabolism दोबारा fatty acids के utilisation की ओर क्रमशः लौट आती है।

Energy substrates in muscle metabolism: during rest and exercise
इस प्रकार, resting phase एवं exercise के दौरान, muscles के energy sources में निम्नांकित प्रमुख परिवर्तन होते हैं -
Resting phase में free fatty acids से Early exercise में glycogenolysis से प्राप्त G6P की anaerobic glycolysis से। Anaerobic glycolysis से बना pyruvate, lactate में बदल कर Cori cycle के माध्यम से hepatic gluconeogeneisis के द्वारा glucose उत्पन्न करता है।
Ongoing exercise में blood से प्राप्त इस glucose की anaerobic glycolysis एवं aerobic oxidation (citric acid cycle) से Immediate post-exercise phase में blood glucose uptake को जारी रखते हुए muscle glycogen को replenish करने में Late post exercise phase में क्रमशः पुनः free fatty acids की ओर लौट आने से

Regulation of muscle metabolism
Muscle metabolism को समझने के बाद आओ समझते हैं कि exercise के समय इन समस्त प्रक्रियाओं का regulation किस प्रकार हो पाता है। वास्तव में, exercise के समय, दो प्रमुख hormonal changes होते हैं - Activation of sympathetic nervous system (SNS) Change in ratio of insulin and counter-regulatory hormones
SNS activation
Heart rate एवं respiratory rate को बढाकर यह शरीर को exercise के लिए तैयार करता है। GIT, kidneys एवं non-exercising muscles में vasoconstriction कराकर उनसे blood को divert करता है।
Exercising muscles में vasodilatation कराकर blood circulation को उनकी ओर मोड़ता है। Exercise के समय muscles को glucose की आवश्यकता होगी इसलिए glycogenesis की प्रक्रिया को रोकने के लिए alpha adrenergic stimulation के द्वारा insulin का secretion घटाता है। Ongoing exercise के समय glucose की उपलब्धता को सुनिश्चित करने के लिए, glucose के alternative source के लिए beta adrenergic stimulation से adipose tissues में lipolysis के द्वारा glycerol (एवं free fatty acids) का उत्पादन कराता है।
Reduction in insulin secretion
सामान्यतः insulin शरीर के catabolic processes को inhibition में रखता है। Insulin secretion घट जाने से Hepatic glycogenolysis के बढ़ने से hepatic glucose output बढ़ने लगता है। Adipose tissues में lipolysis बढ़ने से gluconeogenesis के लिए आवश्यक substrate, glycerol की उपलब्धता बढ़ने लगती है।
यहाँ इस तथ्य को भी ध्यान में रखने की आवश्यकता है कि muscles में GLUT 4 के activation से glucose uptake के लिए भी insulin की आवश्यकता होती है। कहीं ऐसा तो नहीं कि exercise के समय insulin secretion के घट जाने से exercising muscles का glucose uptake ही न हो पाए? वास्तव में theoretically सही लगने पर भी practically ऐसा नहीं होता। यह इसलिए क्योंकि exercise के साथ-साथ muscles में glucose concentration घटती जाती है जबकि vasodilatation से और अधिक glucose rich blood इनको उपलब्ध होता जाता है। ऐसे में glucose concentration में काफी अधिक अंतर होने के कारण, exercising muscles में glucose uptake insulin की सहायता के बिना ही होता रहता है।
Rise in counter-regulatory hormone secretion
सामान्यतः mild to moderate exercise की आवश्यकताएं केवल sympathetic stimulation एवं insulin suppression से ही पूरी हो जाती हैं। Prolonged exercises के बाद ही counter-regulatory hormone secretion (मुख्यतः glucagon) को बढ़ाने की आवश्यकता पड़ती है जो glycogenolysis एवं gluconeogenesis को बढाकर, exercising muscles के लिए glucose की उपलब्धता को सुनिश्चित कराता है।
Preparation for prolonged exercises
क्या तुम बता सकते हो कि किसी prolonged exercise, जैसे मैराथन, के लिए स्वयं को तैयार करने के लिए किसी व्यक्ति को किस प्रकार का भोजन लेना चाहिए? वास्तव में इस तैयारी को दो भागों में समझना चाहिए, long term preparation एवं short term preparation । Long term preparation के समय muscle mass एवं उसको supply करने वाली blood vessels की growth की आवश्यकता पड़ती है। इसके लिए regular exercise training एवं protein rich food आवश्यक है। परन्तु short term preparation के लिए muscles को adequate energy store (glycogen) की आवश्यकता होती है। ऐसा इसलिए क्योंकि exercise के समय muscles सर्वप्रथम अपने glycogen store से ही energy प्राप्त करती हैं एवं बिना किसी external support के, अपनी energy requirement को पूरा करने के लिए muscles इसी पर आश्रित रहती हैं। इस प्रकार, किसी prolonged exercise के पूर्व व्यक्ति को कम से कम दो दिन पूर्व से carbohydrate rich food लेना चाहिए जिससे muscle glycogen stores भलीभांति replenish हो सकें। साथ ही उसे इन दो दिनों में strenuous exercises से भी बचना चाहिए जो इस reserve को प्रयोग करके कम कर सके।
Fuel hormone relationship in fed state
यह तो तुम जान चुके हो कि अपने intermittent feeding pattern के कारण हमें भोजन करते समय उस समय की तात्कालिक आवश्यकता से अधिक calories को ग्रहण करना पड़ता है जिससे अगले भोजन के मिलने तक की energy requirement को पूरा किया जा सके। तुम यह भी जानते हो कि किसी human body की मुख्य energy currency, glucose ही है जिससे शरीर के सभी organs अपनी energy requirements को पूरा करते हैं। Glucose की कमी होने की स्थिति में अधिकांश organs, glucose के स्थान पर fatty acids को fuel के रूप में प्रयोग में लाने लग जाते हैं परन्तु brain एवं RBCs अपने survival के लिए तब भी glucose पर ही नर्भर रहती हैं। आओ इस पृष्ठभूमि में समझते हैं कि भोजन करने के पश्चात् शरीर में क्या-क्या metabolic changes उत्पन्न होते हैं।
Movement of fuels in fed state
भोजन ग्रहण करने के साथ-साथ ही salivary amylase के प्रभाव में कुछ-कुछ starch, glucose में बदल कर absorb होने लगेगा। कुछ समय बाद, भोजन के small intestine में पहुँचने पर pancreatic amylase एवं intestinal disaccharidases के प्रभाव से भोजन में उपस्थित सभी carbohydrate nutrients, glucose उत्पन्न करने लगेंगें। जरा सोचो, exogenous (बाहर से, food related) glucose का मिलना आरम्भ होते ही glucose metabolism में क्या-क्या changes होंगें?
1. Blood glucose level बढ़ने लगेगा
2. यह glucose, muscles में पहुँच कर energy के लिए प्रयोग में आने लगेगा
3. क्योंकि भोजन के बाद शरीर की glucose की आवश्यकता, exogenous glucose (food से प्राप्त) से पूर्ण हो जाती है अतः अब glucose को endogenously (अंदर से, stored fuels - glycogen अथवा fat से) produce कराने की आवश्यकता नहीं रहेगी
4. भोजन द्वारा उत्पन्न glucose के तात्कालिक आवश्यकता से अधिक होते ही वह बाद के समय की आवश्यकता को पूरा करने के लिए glycogen अथवा fat के रूप में संग्रहित होने लगेगा
Hormonal changes in fed state
तुम जानते हो कि भोजन से प्राप्त glucose के पहुँचते ही blood में glucose level बढ़ने लगता है जिससे शरीर में anabolic प्रक्रियाएं आरम्भ हो जाएँगी एवं catabolic प्रक्रियाओं की आवश्यकता नहीं पड़ेगी। Catabolic metabolism से anabolic metabolism के इस switch का कार्य hormonal changes वारा संपन्न होता है।
1. Catabolic hormones, जो stored fuels जैसे glycogen एवं fat से glucose उत्पन्न करते हैं, उनका secretion कम हो जाता है, जैसे glucagon, glucocorticoids, catecholamines एवं growth hormone
2. Anabolic hormone, जो tissues में glucose का utilisation (अथवा storage) बढ़ाते हैं, उनका secretion बढ़ जाता है, जैसे insulin
Movement of blood glucose into the cells
अब समझते हैं कि उपरोक्त hormonal changes, glucose metabolism में होने वाली प्रमुख क्रियाओं को किस प्रकार संपन्न कराते हैं। जरा सोचो, किसी cell में glucose किस कार्य के लिए प्रयोग में लाया जाता होगा? तुम जानते हो कि सभी cells अपनी energy requirement, glucose के metabolism द्वारा ही पूरी करती हैं। इस आवश्यकता के पूरा होने के बाद, कुछ cells भोजन द्वारा उपलब्ध glucose को glycogen एवं triglyceride के रूप में संग्रहित भी करती हैं। Energy requirement को पूरा करने या energy storage के लिए glucose को cell के भीतर भेजने का यह (anabolic) कार्य, insulin द्वारा संपन्न कराया जाता है। ध्यान रहे, glucose को extracellular environment से intracellular environment में भेजने का यह कार्य हमेशा along the concentration gradient नहीं होता, इसके लिए active transport की आवश्यकता पड़ती है। यह active transport, insulin responsive cells में glucose transporters (GLUT) द्वारा संपन्न कराया जाता है।
शरीर में तीन प्रमुख insulin responsive cells हैं, muscle cells (glucose utilisation के लिए) एवं liver cells तथा adipose tissue (glucose को glycogen अथवा triglyceride के रूप में बदल कर संग्रहित करने के लिए) । Insulin के प्रभाव में इन cells की cytoplasmic vesicles में stored inactive GLUT, activate होकर cell surface पर आ जाते हैं जहाँ वह glucose से bind कर उसे cell के अंदर पहुंचा देते हैं। Muscle cells में glucose का energy production के लिए प्रयोग में आना Glucose के लिए muscle cells एक trap की भांति कार्य करती हैं। एक बार muscle cell में पहुँचने के बाद glucose molecule वहां से metabolize हुए बिना बाहर नहीं आ सकता। ऐसा इसलिए क्योंकि muscle cell में पहुँचने के बाद glucose, glucose-6-phosphate में परिवर्तित हो जाता है जिससे वह दुबारा glucose में नहीं बदल सकता। इस प्रकार किसी muscle cell में glucose का glucose-6-phosphate में परिवर्तन एक irreversible process है जो यह सुनिश्चित करता है कि किसी कार्य के दौरान muscle cell को glucose की कमी न आने पाए।
क्या आप जानते हैं कि दूध की अधिक मात्रा पी लेने से diarrhea क्यों हो जाता है?
वास्तव में, infant जब तक milk based diet पर रहता है, उसकी small intestine के brush border पर lactase enzyme (एक disaccharidase) सक्रिय रहते हैं जो milk lactose (disaccharide) को glucose एवं galactose (monosaccharides) में परिवर्तित करते हैं। लगभग 6 माह की उम्र के पश्चात्, शिशु की weaning के साथ-साथ उसके भोजन में दूध की मात्रा क्रमशः कम होती जाती है। इससे intestinal brush border पर lactase की अधिक मात्रा की आवश्यकता नहीं रहती जिससे इसका उत्पादन भी घटता चला जाता है। सम्पूर्ण प्राणी जगत में केवल humans में ही lactase की कुछ मात्रा जीवन भर बनती रहती है। Lactase की कमी के कारण से lactose का digestion कम हो जाता है। इससे बचे हुए lactose में intestinal bacterias की growth आरम्भ हो जाती है जो fermentation के द्वारा lactate उत्पन्न करती है। यह lactate, intestine में gas production, flatulence, abdominal bloating, abdominal cramps एवं diarhea उत्पन्न कर सकता है। इसे lactose intolerance कहते हैं। दूध की मात्रा जितनी अधिक होती है, उतना अधिक lactate बनने से abdominal symptoms उतने ही अधिक होते हैं।
Lactase का कम बनना, lactase deficiency, दो प्रकार का हो सकता है।
5. Primary lactase deficiency - यह lactase का genetic deficiency disorder है जिसमें intestine पूर्णरूप से सामान्य होती हैं एवं इसमें अन्य कोई malabsorption नहीं मिलता। लगभग 90% Asians में मिल सकता है। इसके अधिकाँशतयः asymptomatic ही रहता है।
6. Secondary lactase deficiency - यह small intestine का malabsorption disorder है जिसमें अन्य nutrients के digestion में भी अनियमिततायें मिलती हैं। यह मुख्यतः celiac disease के साथ मिल सकता है।

Lipid Cycle in fasting and fed state
शरीर की समस्त कोशिकाये अपनी दैनिक आवश्यकताओं के लिये मूल रुप से glucose पर आश्रित होती हैं। Glucose की उपलब्धता सीमित होने पर skeletal एवं cardiac muscles अपनी ऊर्जा की आवश्यकता पूर्ति FA द्वारा करने लगती हैं। इस प्रकार chylomicrons एवं VLDL का एक प्रमुख कार्य हुआ, skeletal एवं cardiac muscles तक FA को energy source के रुप में पहुंचाना। इसके अतिरिक्त शरीर की आवश्यकता से अधिक FA को संग्रहित भी करना होगा। यह कार्य निश्चित ही adipose tissues में होगा। अतः chylomicrons एवं VLDL का दूसरा प्रमुख कार्य हुआ adipose tissues में FA को storage के लिये पहुंचाना।
यहां यह समझाना आवशयकता है कि FA के रुप में इस energy currency का प्रयोग शरीर में कुछ ही कोशिकायें कर सकती हैं। Skeletal muscles, cardiac muscles एवं adipose tissues के अतिरिक्त शरीर की अन्य कोशिकायें ऊर्जा के रुप में glucose का ही प्रयोग कर पाती हैं। भोजन से प्राप्त समस्त glucose के absorb हो जाने के बाद जब glucose का स्तर गिरने लगता है तब glucogen को तोड़कर glucose में परिवर्तित कर लिया जाता है, जिससे ऊर्जा की supply बाधित न हो। परन्तु लंबे समय तक भोजन न मिलने पर यह glucogen भी समाप्त हो जाता है तथा glucose के निर्माण के लिये gluconeogenesis अर्थात nonglucose substances जैसे lipids अथवा proteins से glucose के निर्माण की आवश्यकता पड़ती है। इस समय आवश्यकता होती है कि adipose tissues में संग्रहित TAG की lipolysis से FA एवं glycerol प्राप्त किये जायें, जिनका प्रयोग glucose के निर्माण हेतु किया जा सके। इस प्रकार lipid cycle के 3 प्रमुख अंग हुए
1. Fed state में भोजन से प्राप्त FA को TAG के रुप में chylomicrons द्वारा शरीर की विभिन्न कोशिकाओं तक पहुंचाना - skeletal एवं cardiac muscles में ऊर्जा के प्रयोग हेतु एवं adipose tissues में ऊर्जा के संग्रह हेतु।
2. Postabsorptive state में भोजन से प्राप्त FA के समाप्त हो जाने के बाद, आवश्यकता पड़ने पर liver द्वारा FA को TAG के रुप में VLDL द्वारा शरीर की विभिन्न कोशिकाओं तक पहुंचाना। Skeletal एवं cardiac muscles में ऊर्जा के प्रयोग के लिये post absorptive state में अतिरिक्त ऊर्जा न होने से ऊर्जा का संग्रह नही होता।
3. Glycogen store समाप्त होने के बाद शरीर की समस्त कोशिकाओं की आवश्यकता हेतु gluconeogenesis के लिये आवश्यक FA एवं glycerol को adipose tissues में संग्रहित TAG की lipolysis से बनाना।
Energy cycle
• शरीर की सभी क्रियाओं के लिए, यहाँ तक कि जीवित रहने के लिए भी ऊर्जा की आवश्यकता है। Autotrophic plants यह ऊर्जा सूर्य की किरणों से प्राप्त करते हैं जिसके फलस्वरूप वह photosynthesis के द्वारा भोजन का निर्माण करते हैं। Photosynthesis की प्रक्रिया में light energy को food की chemical energy में बदल दिया जाता है। जब यही food, heterotrophs द्वारा ग्रहण किया जाता है तब food की इसी chemical energy को शरीर की गतिविधियों के लिए प्रयुक्त कर लिया जाता है। यह प्रक्रिया photosynthesis के ठीक विपरीत होती है जिसमें food nutrients के oxidation के माध्यम से उसके high energy bonds को तोड़कर इस energy को मुक्त करा लिया जाता है। इस प्रक्रिया को cellular respiration कहते हैं।
• Cellular respiration अथवा भोजन के oxidative phosphorylation से जब बड़े particles छोटे particles में टूटते हैं तब उनसे energy release होती है। इन प्रक्रियाओं को exergonic reactions कहते हैं। पूर्व में energy को heat मानकर इनको exothermic reactions कहा जाता था। इसके विपरीत, anabolic reactions में जब छोटे particles मिलकर बड़ा particle बनाते हैं तब इस कार्य में energy का प्रयोग होता है। इन प्रक्रियाओं को endergonic (पूर्व में endothermic) reactions कहते हैं।
• ऊर्जा के अविनाशी होने के कारण ही किसी chemical reaction में जहाँ एक ओर catabolism के द्वारा energy या heat उत्पन्न हो रही हो वहीँ इस heat अथवा energy को संजोने के लिए दूसरी anabolic activity भी इसके साथ ही जुडी रहती है। इसे catabolism एवं anabolism की coupling कहते हैं। दूसरे शब्दों में इसे exergonic एवं endergonic reactions की भी coupling कह सकते हैं।
• हम जानते हैं कि energy को न तो उत्पन्न किया जा सकता है एवं न ही नष्ट किया जा सकता है, इसे केवल एक रूप से दूसरे में परिवर्तित किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, energy मुक्त अवस्था में भी नहीं रह सकती। भोजन के chemical bonds को तोड़कर प्राप्त की गयी इस energy को भी संग्रहित करने के लिए शरीर को एक rechargeable battery की आवश्यकता पड़ती है। यह कार्य मुख्यतः ATP के द्वारा सम्पन्न होता है।
• ATP में संग्रहित यह chemical energy अनेक कार्यों के लिए प्रयुक्त हो सकती है।
• Muscular movements के लिए यह mechanical energy में बदल जाती है।
• Nerve impulse conduction के लिए यह electrical energy में बदल जाती है।
• शरीर के अनेक भागों में यह विभिन्न पदार्थों के active transport में मदद करती है।
• शरीर में अनेक नए compounds की synthesis में मदद करती है।
• इन प्रक्रियाओं में कुछ energy, heat के रूप में भी निकलती है जो शरीर के तापमान को बनाये रखने में सहायक होती है।
• ऐसे ही कुछ energy, radiation के रूप में skin से radiate भी होती रहती है।
• इन सभी कार्यों के पश्चात बची हुई energy, storage foods (fat एवं glycogen) में पुनः chemical bonds के रूप में संग्रहित हो जाती है।
Energy bonds
Exergonic reactions के द्वारा उत्पन्न energy को कुछ high energy bonds के रूप में संग्रहित किया जा सकता है। कुछ प्रमुख high energy bonds निम्नांकित हैं।
• ATP - Cells के विभिन्न कार्यों के लिए प्रयुक्त होने वाली energy मुख्यतः chemical bonds में संग्रहित रहती है जिनमें सर्वप्रमुख हैं phosphate bonds। ध्यान रहे, सभी phosphate bonds high energy bonds नहीं होते। उदाहरण के तौर पर glucose से glucose 6 phosphate बनने में जो phosphate bond बनता है उसके टूटने (hydrolysis) से केवल 2-3 kcal/mol निकलती है जबकि शरीर में energy के प्रमुख स्रोत ATP के phosphate bond से 10-12 kcal/mol energy प्राप्त होती है।
• Coenzyme A (CoA) - ATP के अतिरिक्त एक अन्य high energy compound, thioester Coenzyme A है। प्रत्येक CoA में एक ATP के बराबर energy संग्रहित होती है। Reduced CoA एवं acetic acid से मिलकर बनने वाला ‘active’ acetyl CoA, intermediary metabolism का एक प्रमुख compound है जिससे विशाल मात्रा में energy उत्पन्न होती है।
ATP and phosphate cycle
• Adenosine एक महत्वपूर्ण purine nucleoside base है जिसमें phosphate group (Pi)से high energy bonds के माध्यम से जुड़ने की अतुलनीय क्षमता है।
• जिस प्रकार कोई rechargeable battery में charging एवं discharging की cycles चलती रहती हैं उसी प्रकार, ATP के साथ Pi का जुड़ना एवं टूटना भी लगातार चलता रहता है।
• Synthesis of ATP
• Adenosine से पहले Pi के जुड़ने से adenosine monophosphate (AMP) बनता है।
• AMP से दूसरे Pi के जुड़ने से adenosine diphosphate (ADP) बनता है।
• ADP से तीसरे Pi के जुड़ने से adenosine triphosphate (ATP) बनता है।
1. Breakdown of ATP
1. Energy की आवश्यकता पड़ने पर 1 ATP के टूटने से 1 ADP एवं 1 Pi बनते हैं। [1 ATP = 1 ADP + 1 Pi ]
2. Fatty acid oxidation के समय ATP, ADP + Pi में न टूट कर सीधे AMP में टूट जाता है। इसके फलस्वरूप 2 अलग-अलग Pi न बनकर, दोनों परस्पर जुड़े हुए inorganic pyrophosphate group (PPi) का निर्माण करते हैं। [1 ATP = 1 AMP + 1 PPi] यह प्रक्रिया acyl coenzyme synthase enzyne द्वारा संचालित होती है।
3. इस प्रकार बना 1 AMP, 1ATP के साथ मिलकर 2 ADP का निर्माण करा देता है। [1 AMP + 1 ATP = 2 ADP] यह प्रक्रिया adenylyl kinase (myokinase) enzyne द्वारा संचालित होती है जो लगभग प्रत्येक cell में मिलता है।
4. 1 PPi भी टूटकर 2 Pi बना देता है जो पुनः ATP के निर्माण के लिए उपलब्ध हो जाते हैं। [1 PPi = 2 Pi] यह प्रक्रिया inorganic pyrophosphatase enzyne द्वारा संचालित होती है।
5. Energy की अतिरिक्त मात्रा उपलब्ध होने पर यह 1 ADP एवं 1 Pi मिलकर पुनः 1 ATP बना लेते हैं। [1 ADP + 1 Pi = 1 ATP]
6. इस प्रकार ATP के बनते-बिगड़ते रहने से energy का आवागमन चलता रहता है।
Sources of energy for restoring ATP
ADP से ATP के बनने में energy एवं एक Pi की आवश्यकता होती है। यह Pi मुख्यतः तीन प्रक्रियाओं द्वारा उत्पन्न होता है।
1. Glycolysis - इससे 2 Pi उत्पन्न होते हैं।
2. Citric acid cycle - इससे 1 Pi उत्पन्न होता है।
3. Oxidative phosphorylation - इसकी respiratory chain से ही सर्वाधिक मात्रा में Pi उत्पन्न होते हैं।
इनके अतिरिक्त, skeletal muscles में भी creatinine kinase के रूप में एक high energy phosphate bond रहता है। यह भी Pi donation के माध्यम से ADP को ATP में बदलने में सहायक होता है। यह reaction, creatine kinase enzyme द्वारा संपन्न होती है।
Creatine phosphate + ADP = Creatine + ATP
Roles of ATP in metabolic reactions
जिस प्रकार किसी रुकी हुई गाड़ी को ढकेलने के लिए आरम्भ में अधिक जोर लगाना पड़ता है परन्तु एक बार चल जाने के पश्चात उतने अधिक जोर की आवश्यकता नहीं पड़ती, ठीक उसी प्रकार, अनेक metabolic reactions को भी आरम्भ करने के लिए काफी अधिक energy की आवश्यकता पड़ती है। यह energy, ATP द्वारा उपलब्ध कराई जाती है। इनमें से कुछ प्रमुख rections निम्नांकित हैं।
⁃ Activation of glucose - Glycolysis के प्रथम चरण में ही glucose के phosphorylation से इसे glucose 6 phosphate में परिवर्तित करने के लिए energy की आवश्यकता पड़ती है। Glucose + ATP = Glucose 6 phosphate + ADP
7. Activation of long chain fatty acids - Glucose की glycolysis की भांति ही long chain fatty acids के beta oxidation के पहले चरण में भी fatty acid को coenzyme A के साथ जोड़कर activate करने की आवश्यकता होती है। इस reaction के लिए भी energy की आवश्यकता पड़ती है जो ATP के माध्यम से उपलब्ध कराई जाती है।
FFA + CoA + ATP = Acyl CoA + AMP + PPi
Biological oxidation
किसी nutrient से उसमें संग्रहित energy को निकालने की प्रमुख विधि है उसका oxidation। यह मुख्यतः mitochondria में संपन्न होती है। इससे निकली 80% energy, AMP में एक phosphate group जोड़कर ADP, एवं ADP में दूसरा phosphate group जोड़कर ATP का निर्माण करती है इसलिए इस प्रक्रिया को oxidative phosphorylation भी कहते हैं। Energy expenditure
आओ समझते हैं इस energy का प्रयोग कहाँ कहाँ होता है।
5. लगभग 25% - protein synthesis के द्वारा शरीर के निर्माण में
6. लगभग 25% - Na K ATPase pump को चलाने में जिसके द्वारा एमी अनेक कार्य संपन्न होते हैं
7. लगभग 5% - Ca K ATPase को चलाने के लिए
8. लगभग 5% - Myosine ATPase pump को चलाने के लिए
9. लगभग 5% - Urea के निर्माण के लिए
10. लगभग 10% - Gluconeogenesis के लिए
Biological oxidation
किसी nutrient से उसमें संग्रहित energy को निकालने की प्रमुख विधि है उसका oxidation। Chemistry की भाषा में oxidation की प्रक्रिया तीन प्रकार से संपन्न हो सकती है।
• उस substance में oxygen का जुड़ना,
• उस substance से हाइड्रोजन का निकलना अथवा
• उस substance से electron(s) का निकलना
इन प्रक्रियाओं में अनेक enzymes (proteins), coenzymes (nonprotein substances) एवं cofactors (ions) प्रयोग में आ सकते हैं।
Oxidation की प्रक्रिया मुख्यतः mitochondria में संपन्न होती है। इससे निकली 80% energy, AMP में एक phosphate group जोड़कर ADP, एवं ADP में दूसरा phosphate group जोड़कर ATP का निर्माण करती है इसलिए इस प्रक्रिया को oxidative phosphorylation भी कहते हैं। Oxidases
यह oxygen की मदद से substrate में उपस्थित hydrogen को निकालकर उससे water या H2O2 बना देते हैं।
1. Cytochrome oxidase एक iron एवं copper युक्त hemoprotein है जिसमें hemoglobin एवं myoglobin की भांति heme prosthetic group मिलता है। यह respiratory chain के terminal component पर electron transfer में मदद करते हैं।
2. इसके अतिरिक्त अन्य oxidases हैं, riboflavin से बनने वाले FMN एवं FAD से युक्त enzymes जैसे xanthine oxidase, L-amino acid oxidase एवं aldehyde dehydrogenase।
Dehydrogenases
Oxidation की अनेक प्रक्रियाओं में oxygen को जोड़ने के स्थान पर hydrogen को निकलने की प्रक्रिया अपनायी जाती है जो dehydrogenases enzymes द्वारा संपन्न होती है। यह विशेषरूप से anaerobic reactions (जैसे glycolysis) के लिए उपयोगी है।
यह अधिकतर coupled oxidation-reduction reactions के रूप में कार्य करती हैं जिसमें एक hydrogen acceptor molecule पहले substrate A से hydrogen निकालकर इसे oxidise करता है एवं इस प्रक्रिया में स्वयं hydrogen प्राप्त करके reduce हो जाता है। इसके अगले चरण में यह reduced hydrogen acceptor molecule इस hydrogen को एक अन्य substrate B से जोड़ देता है। इस प्रक्रिया में substrate B यह hydrogen acceptor पुनः
Hydrogen acceptors in the body
2. Vitamin niacin से दो प्रकार के coenzymes बनते हैं।
1. Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) - यह oxidative metabolic pathways जैसे glycolysis, citric acid cycle एवं mitochondrial respiratory chain में प्रयुक्त होते हैं।
2. Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP+) - यह reductive syntheses pathways जैसे fatty acid synthesis, steroid synthesis एवं pentose phosphate pathways में प्रयुक्त होते हैं।
1. Vitamin riboflavin से भी oxidases की भांति दो प्रकार के coenzymes बनते हैं। यह respiratory chain में electron transport में सहायक होते हैं।
• Flavin mononucleotide (FMN) - Riboflavin के phosphorylation से flavin mononucleotide (FMN) बनता है।
• Flavin adenine dinucleotide (FAD) - FMN के AMP के साथ जुड़ने से flavin adenine dinucleotide (FAD) बनता है। यह FAD, hydrogen acceptor की भूमिका निभाता है जिससे यह एक H+ ग्रहण करके FADH एवं फिर दूसरा H+ ग्रहण करके FADH2 बनाता है। Oxidation की प्रक्रिया में एक H+ ग्रहण करके NAD+ या NADP+ क्रमशः NADH एवं NADPH बना लेते हैं।
अगले चरण में NADH एवं NADPH इस H+ को FAD को दे देते हैं जिससे वह पहले FADH एवं इसके बाद FADH2 में बदल जाता है। FAD, flavoprotein cytochrome system का प्रथम hydrogen acceptor है जिसके बाद एक के बाद एक करके अनेकों enzymes से होते हुए यह H+, cytochrome C oxidase तक पहुँचता है जो इसे O2 से मिलकर H2O में बदल देता है।
Oxygenases
यह दो प्रकार के होते हैं। • Dioxygenases - जो molecular oxygen के दोनों oxygen atoms को substrate के साथ जोड़ देते हैं।
• Monooxygenases - जो केवल एक oxygen atom को substrate के साथ जोड़ते हैं।
• Cytochrome P450 - यह heme युक्त monooxygenases हैं जो मुख्यतः liver एवं intestine के endoplasmic reticulum में रहते हुए शरीर के बाहरी substances (xenobiotics; xeno = foreigner; जैसे drugs एवं toxins) को शरीर से बाहर निकालने में मदद करते हैं। Cytochrome P450, steroidogenic organs (जैसे adrenals, testes, ovaries एवं placenta) के mitochondria में भी मिलते हैं जहाँ वह steroid hormones biosynthesis में मदद करते हैं।
Oxidoreductases
Oxidation एवं reduction में प्रयुक्त होने वाले enzymes को oxidoreductases कहते हैं। यह चार प्रकार के हो सकते हैं,
⁃ Oxidases - जो hydrogen acceptor के रूप में oxygen का प्रयोग करते हैं।
⁃ Dehydrogenases - जो hydrogen acceptor के रूप में oxygen के अतिरिक्त कुछ अन्य पदार्थ (जैसे NAD+ एवं FAD+) का प्रयोग करते हैं।
⁃ Hydroperoxidases - जो hydrogen peroxide या अन्य peroxides को electron acceptor के रूप में प्रयोग करते हैं।
⁃ Oxygenases - जो oxygen को सीधे ही किसी अन्य substrate molecule में पहुंचा देते हैं।

Miscellaneous
जरा सोचो दो व्यक्ति जिनमें से एक carbohydrate rich fat free diet पर है व दूसरा fat rich low carbohydrate diet पर, fatty acid synthesis किसमें अधिक होंगी। वास्तव में जब हम carbohydrate rich fat free diet लेते हैं, तब तात्कालिक आवश्यकता से अधिक carbohydrate को संग्रहित करने की आवश्यकता हेतु fatty acid synthesis की आवश्यकता बढ़ जाती है। इस के लिये इन व्यक्तियों Acetyl Co | carboxytase एवं fatty acid synthase enzymes की activity बढ़ जाती है।