C3 and Dark reaction Questions in Gujarati

(A) $RuBP$ કાર્બોક્સિલેઝ,જેને $RuBisCO$ (રાયબ્યુલોઝ$-1,5-$બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ) તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે,તે હરિતકણમાં અને પૃથ્વી પરનું સૌથી વધુ પ્રમાણમાં જોવા મળતું પ્રોટીન છે.
તે પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન $RuBP$ ના કાર્બોક્સિલેશનને ઉત્પ્રેરિત કરીને કેલ્વિન ચક્રમાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે.
જોકે કોષોમાં હેક્સોકાઈનેઝ,ફોસ્ફેટેઝ અને ન્યુક્લિએઝ જેવા અન્ય ઉત્સેચકો હાજર હોય છે,પરંતુ $RuBisCO$ હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં રહેલા કુલ દ્રાવ્ય પ્રોટીનનો નોંધપાત્ર હિસ્સો ધરાવે છે.

(A) મેલ્વિન કેલ્વિને શેવાળમાં પ્રકાશસંશ્લેષણના અભ્યાસ માટે રેડિયોએક્ટિવ $ ^{14}C $ નો ઉપયોગ કર્યો હતો.
તેમણે કેલ્વિન ચક્રમાં કાર્બનનો માર્ગ શોધવા માટે રેડિયોએક્ટિવ લેબલિંગ અને ત્યારબાદ પેપર ક્રોમેટોગ્રાફી અને ઓટોરેડિયોગ્રાફી પદ્ધતિનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
તેથી,કાર્બન ફિક્સેશનની પ્રક્રિયા દરમિયાન બનતા રેડિયોએક્ટિવ સંયોજનોને અલગ કરવા અને ઓળખવા માટે ક્રોમેટોગ્રાફી એ આવશ્યક પદ્ધતિ હતી.

(A) મેલ્વિન કેલ્વિન $(1954)$ એ પ્રકાશસંશ્લેષણમાં કાર્બનના પથને ટ્રેસ કર્યો અને $C_3$ ચક્રનું વર્ણન કર્યું,જેને હવે કેલ્વિન ચક્ર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ મહત્વપૂર્ણ કાર્ય માટે તેમને $1960$ માં નોબેલ પુરસ્કાર આપવામાં આવ્યો હતો.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયા દરમિયાન,ગ્લુકોઝ $(C_6H_{12}O_6)$ બનાવવા માટે $CO_2$ નું રિડક્શન થાય છે.
ગ્લુકોઝના અણુમાં રહેલા કાર્બન પરમાણુઓ કેલ્વિન ચક્ર દરમિયાન સ્થાપિત થયેલા કાર્બન ડાયોક્સાઇડ $(CO_2)$ ના અણુઓમાંથી મેળવવામાં આવે છે.
પ્રકાશસંશ્લેષણ દરમિયાન આડપેદાશ તરીકે મુક્ત થતો ઓક્સિજન પાણી $(H_2O)$ ના પ્રકાશવિઘટન (photolysis) માંથી આવે છે,$CO_2$ માંથી નહીં.
તેથી,ગ્લુકોઝના સંશ્લેષણ માટે $CO_2$ માંથી કાર્બન મેળવવામાં આવે છે.

(B) મેલ્વિન કેલ્વિને પ્રકાશસંશ્લેષણની અંધકાર પ્રક્રિયામાં કાર્બનનો માર્ગ સફળતાપૂર્વક શોધ્યો હતો.
તેમણે $C^{14}O_2$ ના સ્વરૂપમાં કાર્બનના રેડિયોએક્ટિવ આઇસોટોપ $C^{14}$ નો ઉપયોગ કર્યો હતો.
આ રેડિયોએક્ટિવ ટ્રેસરનો ઉપયોગ કરીને,તેઓ કેલ્વિન ચક્રમાં $CO_2$ ના રિડક્શન દરમિયાન બનતા મધ્યવર્તી સંયોજનોને ઓળખવામાં સક્ષમ બન્યા હતા,જે અંધકાર પ્રક્રિયાનો એક મુખ્ય ભાગ છે.

(C) હેક્સોઝ શર્કરા (ગ્લુકોઝ) નું સંશ્લેષણ પ્રકાશસંશ્લેષણના જૈવસંશ્લેષણ તબક્કા (કેલ્વિન ચક્ર) દરમિયાન થાય છે,જે હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે.
થાયલેકોઇડ્સ મુખ્યત્વે પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ (ફોટોફોસ્ફોરાયલેશન) માટે જવાબદાર છે,જ્યાં $ATP$ અને $NADPH$ ઉત્પન્ન થાય છે.
કેલ્વિન ચક્ર માટે જરૂરી ઉત્સેચકો (જેમ કે $RuBisCO$) સ્ટ્રોમામાં આવેલા હોય છે,થાયલેકોઇડ્સમાં નહીં.
જ્યારે થાયલેકોઇડ્સને દૂર કરીને $CO_2$ અને $H_2O$ વાળા માધ્યમમાં રાખવામાં આવે છે,ત્યારે પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ થઈ શકે છે,પરંતુ કાર્બન ફિક્સેશન અને શર્કરાના સંશ્લેષણ માટે જરૂરી ઉત્સેચકો માધ્યમમાં ગેરહાજર હોય છે. તેથી,હેક્સોઝ શર્કરા બનતી નથી.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણમાં કાર્બનનો માર્ગ મેલ્વિન કેલ્વિન અને તેમના સહયોગીઓ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવ્યો હતો. તેમણે કાર્બન ફિક્સેશનના માર્ગને ટ્રેસ કરવા માટે લીલી લીલ $Chlorella$ માં રેડિયોએક્ટિવ આઇસોટોપ $^{14}C$ નો ઉપયોગ કર્યો હતો,જેને હવે કેલ્વિન ચક્ર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

(A) પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયા દરમિયાન,પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર) માં બનતી પ્રાથમિક નીપજ ટ્રાયોઝ ફોસ્ફેટ શર્કરા છે,જે એક સાદી શર્કરા (ખાસ કરીને $G3P$ અથવા $PGAL$) છે.
જોકે વનસ્પતિઓ અંતે ઉર્જાનો સંગ્રહ સ્ટાર્ચ તરીકે કરે છે,તેનું વહન સુક્રોઝ તરીકે કરે છે,અથવા તેનો ઉપયોગ સેલ્યુલોઝ બનાવવા માટે કરે છે,પરંતુ $CO_2$ અને પાણીમાંથી સંશ્લેષિત થતી તાત્કાલિક કાર્બનિક નીપજ એક સાદી શર્કરા છે.

(B) Ribulose$-1,5-$bisphosphate carboxylase-oxygenase ઉત્સેચક,જેને સામાન્ય રીતે $RuBisCO$ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે,તે મુખ્યત્વે હરિતકણના આધારક (stroma) માં આવેલું હોય છે.
તે પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર) દરમિયાન મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે.
$RuBisCO$ એ હરિતકણના કુલ પ્રોટીનનો આશરે $16\%$ ભાગ બનાવે છે.
તે આ પૃથ્વી પરનું સૌથી વધુ પ્રમાણમાં જોવા મળતું પ્રોટીન છે.

(B) સાચો જવાબ $B$ છે.
પ્રકાશસંશ્લેષણ દરમિયાન વનસ્પતિમાં ખોરાક બનાવવા માટે $CO_2$ એ સૌથી આવશ્યક કાચો માલ છે.
કેલ્વિન ચક્ર દરમિયાન,$CO_2$ નું સ્થાપન થાય છે અને તેનું રિડક્શન થઈને કાર્બોદિતો (ગ્લુકોઝ) બને છે,જે વનસ્પતિ માટે પ્રાથમિક ખોરાક તરીકે કાર્ય કરે છે.

(B) અલગ કરેલા થાઇલેકોઇડ્સના નિલંબનમાં પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓ માટેની મશીનરી હોય છે,જે $ATP$ અને $NADPH$ ઉત્પન્ન કરે છે.
જોકે,હેક્સોઝ (ગ્લુકોઝ) નું સંશ્લેષણ પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર) દરમિયાન થાય છે,જે હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે.
સ્ટ્રોમામાં જરૂરી ઉત્સેચકો હોય છે,જેમ કે $RuBisCO$,જે $CO_2$ નું કાર્બોહાઇડ્રેટ્સમાં સ્થાપન કરવા માટે જરૂરી છે.
કારણ કે અલગ કરેલા થાઇલેકોઇડ્સમાં આ સ્ટ્રોમા-સ્થિત ઉત્સેચકોનો અભાવ હોય છે,તેથી તેઓ $CO_2$ અને $H_2O$ ની હાજરીમાં પણ હેક્સોઝ ઉત્પન્ન કરી શકતા નથી.

(B) કેલ્વિન ચક્ર ($C_3$ ચક્ર) માં,ફોસ્ફોકેટૉપેન્ટોઝ એપિમરેઝ ઉત્સેચક (જેને રાઈબ્યુલોઝ-ફોસ્ફેટ $3$-એપિમરેઝ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) ઝાયલ્યુલોઝ-$5$-ફોસ્ફેટ અને રાઈબ્યુલોઝ-$5$-ફોસ્ફેટના પ્રતિવર્તી આંતરરૂપાંતરણને ઉદ્દીપિત કરે છે.
આ તબક્કો કેલ્વિન ચક્રના પુનઃસર્જન તબક્કા માટે નિર્ણાયક છે,જ્યાં રાઈબ્યુલોઝ-$5$-ફોસ્ફેટનું ફોસ્ફોરાઈબ્યુલોકાઈનેઝ દ્વારા ફોસ્ફોરાઈલેશન થાય છે જેથી રાઈબ્યુલોઝ-$1,5$-બિસફોસ્ફેટ $(RuBP)$ પુનઃનિર્માણ પામે છે,જે મુખ્ય $CO_2$ ગ્રાહક છે.

(D) કેલ્વિન ચક્ર દ્વારા એક મોલ હેક્સોઝ $(C_6H_{12}O_6)$ ના પ્રકાશસંશ્લેષી ઉત્પાદન માટે ચક્રના $6$ ચક્રોની જરૂર પડે છે.
કેલ્વિન ચક્રના દરેક ચક્રમાં $3$ $ATP$ અને $2$ $NADPH$ અણુઓ વપરાય છે.
$6$ ચક્રો માટે,કુલ જરૂરિયાત $18$ $ATP$ અને $12$ $NADPH$ છે.
કારણ કે ઉર્જાની દ્રષ્ટિએ $1$ $NADPH$ એ $3$ $ATP$ ની સમકક્ષ છે,તેથી $12$ $NADPH$ એ $36$ $ATP$ બરાબર થાય છે.
તેથી,વપરાતી કુલ ઉર્જા $18$ $ATP + 36$ $ATP = 54$ $ATP$ સમકક્ષ છે.

(C) પ્રકાશસંશ્લેષણની અંધકાર પ્રક્રિયાને $Blackman's$ પ્રક્રિયા તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
આનું કારણ એ છે કે પ્રકાશ-સ્વતંત્ર તબક્કાના જૈવરાસાયણિક પગલાં સૌપ્રથમ વૈજ્ઞાનિક $F.F. Blackman$ દ્વારા $1905$ માં સમજાવવામાં આવ્યા હતા અને સ્થાપિત કરવામાં આવ્યા હતા.
જોકે તેને 'અંધકાર પ્રક્રિયા' કહેવામાં આવે છે,પરંતુ તેનો અર્થ એ નથી કે તેને અંધકારની જરૂર છે; તે પ્રકાશથી સ્વતંત્ર છે અને પ્રકાશ પ્રક્રિયાની નીપજો ($ATP$ અને $NADPH$) પર આધાર રાખે છે.

(A) $1,3-$બિસફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(1,3-BPGA)$ નું $3-$ફોસ્ફોગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ $(3-PGAL)$ માં રૂપાંતર એ કેલ્વિન ચક્રનું રિડક્શન તબક્કો છે.
આ પ્રક્રિયા $Triose\ phosphate\ dehydrogenase$ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે.
આ પ્રક્રિયા નીચે મુજબ દર્શાવી શકાય છે: $1,3-BPGA + 12 NADPH + 12 H^+ \xrightarrow{Triose\ phosphate\ dehydrogenase} 3-PGAL + 12 NADP^+ + 12 H_3PO_4$.

(B) કેલ્વિન ચક્રનું પ્રથમ પગલું રિબ્યુલોઝ-$1,5$-બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ નું કાર્બોક્સિલેશન છે.
$RuBP$ એ $CO_2$ ગ્રાહક તરીકે કાર્ય કરે છે.
તે $RuBisCO$ ઉત્સેચકની હાજરીમાં $CO_2$ સાથે પ્રક્રિયા કરીને $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($3$-$PGA$) બનાવે છે.
$3$-$PGA$ એ $C_3$ ચક્રની પ્રથમ સ્થાયી મધ્યવર્તી નીપજ છે અને તેમાં $3$ કાર્બન પરમાણુઓ હોય છે.

(B) ફોસ્ફેટેઝ ઉત્સેચકો ફોસ્ફેટ એસ્ટર્સના જળવિભાજન (hydrolysis) ને ઉદ્દીપ્ત કરે છે। $C_3$ ચક્ર (કેલ્વિન ચક્ર) માં, ખાસ કરીને પુનઃસર્જનના તબક્કા દરમિયાન, ફોસ્ફેટેઝ ઉત્સેચકો ફ્રુક્ટોઝ-$1,6$-બાયફોસ્ફેટ જેવા સબસ્ટ્રેટમાંથી ફોસ્ફેટ જૂથને દૂર કરીને ફ્રુક્ટોઝ-$6$-ફોસ્ફેટ બનાવવા માટે જવાબદાર છે.
પ્રક્રિયા આ મુજબ છે: $\text{Fructose-}1,6\text{-bisphosphate} + H_2O \xrightarrow{\text{Phosphatase}} \text{Fructose-}6\text{-phosphate} + H_3PO_4$.

(A) અંધકાર પ્રક્રિયા (કેલ્વિન ચક્ર) નું પ્રથમ પગલું કાર્બોક્સિલેશન છે.
આ પ્રક્રિયામાં,$CO_2$ નું સ્થાપન $RuBisCO$ (રાઇબ્યુલોઝ-$1,5$-બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ) ઉત્સેચક દ્વારા $5$-કાર્બન ધરાવતી શર્કરા રાઇબ્યુલોઝ-$1,5$-બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ સાથે કરવામાં આવે છે.
આ પ્રક્રિયાના પરિણામે $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($3$-$PGA$) ના બે અણુઓ બને છે.
આ પ્રક્રિયા નીચે મુજબ દર્શાવી શકાય છે:
$6$ રાઇબ્યુલોઝ-$1,5$-બાયફોસ્ફેટ + $6$ $CO_2$ + $6$ $H_2O$ $\xrightarrow{RuBisCO}$ $12$ અણુઓ $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ.

(D) પ્રકાશસંશ્લેષણની અંધકાર પ્રક્રિયા, જેને કેલ્વિન ચક્ર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, તેમાં કાર્બોહાઈડ્રેટ્સ બનાવવા માટે $CO_2$ નું રિડક્શન થાય છે.
ચોક્કસ રીતે કહીએ તો, $1,3$-બાયફોસ્ફોગ્લિસરિક એસિડનું રિડક્શન થઈને $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ (જેને ગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ $3$-ફોસ્ફેટ અથવા $G3P$ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) બને છે, જેમાં $NADPH$ અને $ATP$ નો ઉપયોગ થાય છે.
આ પ્રક્રિયા ટ્રાયોઝ ફોસ્ફેટ ડીહાઈડ્રોજનેઝ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે:
$1,3\text{-બાયફોસ્ફોગ્લિસરિક એસિડ} + 12 NADPH + 12 H^+ \xrightarrow{\text{ટ્રાયોઝ ફોસ્ફેટ ડીહાઈડ્રોજનેઝ}} 12 \text{ ફોસ્ફોગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ} + 12 NADP^+ + 12 H_3PO_4$.
આમ, ફોસ્ફોગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ એ અંધકાર પ્રક્રિયાની મુખ્ય નીપજ છે.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણનો પથ બે મુખ્ય તબક્કામાં વહેંચાયેલો છે: પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયા અને પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયા,જેને સામાન્ય રીતે અંધકાર પ્રક્રિયા અથવા કેલ્વિન ચક્ર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
પ્રકાશ પ્રક્રિયા દરમિયાન,$ATP$ અને $NADPH$ ઉત્પન્ન કરવા માટે સૌર ઉર્જાનો ઉપયોગ થાય છે.
અંધકાર પ્રક્રિયામાં,આ ઉત્પાદનો ($ATP$ અને $NADPH$) નો ઉપયોગ વાતાવરણીય $CO_2$ ને કાર્બોદિતમાં સ્થાપિત કરવા માટે થાય છે.
તેથી,$CO_2$ નું સ્થાપન ખાસ કરીને પ્રકાશસંશ્લેષણની અંધકાર પ્રક્રિયા દરમિયાન થાય છે.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણની અંધકાર પ્રક્રિયાને આ નામ આપવામાં આવ્યું છે કારણ કે તેને આગળ વધવા માટે સીધી રીતે પ્રકાશ ઉર્જાની જરૂર હોતી નથી.
તે પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓથી વિપરીત,પ્રકાશથી સ્વતંત્ર છે.
જો કે,તે $CO_2$ નું કાર્બોહાઇડ્રેટ્સમાં સ્થાપન કરવા માટે પ્રકાશ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલા ઉત્પાદનો,ખાસ કરીને $ATP$ અને $NADPH$ પર આધાર રાખે છે.

(A) કેલ્વિન ચક્રનો પ્રારંભિક ઉત્સેચક રીબ્યુલોઝ $1, 5$-બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ છે,જેને સામાન્ય રીતે $RuBisCO$ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
આ ઉત્સેચક કેલ્વિન ચક્રના પ્રથમ તબક્કાને ઉદ્દીપિત કરે છે,જે રીબ્યુલોઝ $1, 5$-બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ નું કાર્બોક્સિલેશન કરીને $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($3$-$PGA$) બનાવે છે.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $A$ છે.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણના કેલ્વિન ચક્ર દરમિયાન,$PGA$ (ફોસ્ફોગ્લિસરિક એસિડ) ફોસ્ફોગ્લિસરાલ્ડિહાઇડ (જેને $G3P$ અથવા $PGAL$ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) બનાવવા માટે રિડક્શન પ્રક્રિયામાંથી પસાર થાય છે.
આ પ્રક્રિયા ટ્રાયોઝ ફોસ્ફેટ ડિહાઇડ્રોજનેઝ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે અને ફોસ્ફોરાયલેશન માટે $ATP$ નો ઉપયોગ કરે છે,તેમજ $NADPH$ રિડ્યુસિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે,જે કાર્બોક્સિલ ગ્રુપના આલ્ડિહાઇડ ગ્રુપમાં રિડક્શન માટે જરૂરી ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન પૂરા પાડે છે.

(B) $RuBisCO$ (રિબ્યુલોઝ-$1, 5$-બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ) ઉત્સેચક કેલ્વિન ચક્રનો મુખ્ય ઉત્સેચક છે.
તે $C_3$ વનસ્પતિઓમાં પ્રાથમિક કાર્બોક્સિલેશન તબક્કાને ઉદ્દીપિત કરે છે.
આ પ્રક્રિયામાં,$CO_2$ નું સ્થાપન $5$-કાર્બન ધરાવતી શર્કરા,રિબ્યુલોઝ $1, 5$-બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ સાથે જોડાઈને થાય છે.
આ પ્રક્રિયાના પરિણામે $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરિક એસિડ ($3$-$PGA$) ના બે અણુઓ બને છે.

(A) કેલ્વિન ચક્ર હરિતકણના આધારક (Stroma) માં થાય છે.
આ પ્રક્રિયામાં,પ્રકાશ પ્રક્રિયાની નીપજો,જે $NADPH + ATP$ તરીકે ઓળખાતી એસિમિલેટરી શક્તિ છે,તેનો ઉપયોગ $CO_2$ ને કાર્બોદિતમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે થાય છે.
આધારક (Stroma) માં $CO_2$ ના સ્થાપન અને શર્કરાના સંશ્લેષણ માટે જરૂરી તમામ ઉત્સેચકો આવેલા હોય છે.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણની અંધકાર પ્રક્રિયાને જૈવસંશ્લેષણ તબક્કો અથવા કાર્બન એસિમિલેશન (કાર્બન સ્થાપન) તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે. આ તબક્કા દરમિયાન,પ્રકાશ પ્રક્રિયામાં ઉત્પન્ન થયેલી ઉર્જા ($ATP$ અને $NADPH$) નો ઉપયોગ $CO_2$ ને કાર્બનિક સંયોજનો જેવા કે ગ્લુકોઝમાં સ્થાપિત કરવા માટે થાય છે. તેથી,$CO_2$ નું રિડક્શન થઈને કાર્બોદિત પદાર્થો બને છે.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણ બે મુખ્ય તબક્કામાં થાય છે: પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયા અને પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયા (જેને અંધકાર પ્રક્રિયા અથવા કેલ્વિન ચક્ર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે).
$1$. પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓ હરિતકણના થાઇલેકોઇડ પટલ (ગ્રાના) માં થાય છે,જ્યાં પ્રકાશ ઉર્જાનું રાસાયણિક ઉર્જા ($ATP$ અને $NADPH$) માં રૂપાંતર થાય છે.
$2$. અંધકાર પ્રક્રિયા (કેલ્વિન ચક્ર) હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે.
$3$. સ્ટ્રોમામાં,પ્રકાશ પ્રક્રિયામાં ઉત્પન્ન થયેલ $ATP$ અને $NADPH$ નો ઉપયોગ $CO_2$ ને કાર્બોદિત (શર્કરા) માં ફેરવવા માટે થાય છે.
તેથી,અંધકાર પ્રક્રિયા માટેનું યોગ્ય સ્થાન સ્ટ્રોમા છે.

(A) $C_3$ વનસ્પતિઓમાં,કેલ્વિન ચક્રના પ્રાથમિક કાર્બોક્સિલેશન તબક્કામાં રૂબિસ્કો $(RuBisCO)$ ઉત્સેચક ભાગ લે છે,જે રિબ્યુલોઝ $1,5$-બિસફોસ્ફેટ $(RuBP)$ સાથે $CO_2$ ની પ્રક્રિયાને ઉદ્દીપ્ત કરે છે.
આ પ્રક્રિયાના પરિણામે $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($3$-$PGA$) ના બે અણુઓ બને છે.
$3$-$PGA$ એ $3$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન છે અને તે $C_3$ વનસ્પતિઓમાં પ્રકાશસંશ્લેષણની અંધકાર પ્રક્રિયા દરમિયાન બનતી પ્રથમ સ્થાયી નીપજ છે.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયાને બે મુખ્ય તબક્કામાં વહેંચવામાં આવે છે: પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયા અને પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયા (જેને અંધકાર પ્રતિક્રિયા અથવા જૈવસંશ્લેષણ તબક્કો પણ કહેવાય છે).
$1$. પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયા (પ્રકાશ-રાસાયણિક તબક્કો) માટે પ્રકાશની જરૂર હોય છે અને તેમાં પાણીનું વિભાજન તથા $ATP$ અને $NADPH$ નું ઉત્પાદન થાય છે.
$2$. પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયા,જેને $Blackman$ ની પ્રતિક્રિયા અથવા કેલ્વિન ચક્ર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે,તેને સીધા પ્રકાશની જરૂર હોતી નથી. જોકે,તે તાપમાન પ્રત્યે અત્યંત સંવેદનશીલ છે કારણ કે તે $CO_2$ ને કાર્બોહાઇડ્રેટ્સમાં ફેરવવા માટે ઉત્સેચકીય પ્રતિક્રિયાઓ (જેમ કે $RuBisCO$ ની પ્રવૃત્તિ) પર આધાર રાખે છે.
તેથી,$Blackman$ ની પ્રતિક્રિયા સાચો જવાબ છે.

(B) કેલ્વિન ચક્રને પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયા અથવા અંધકાર પ્રક્રિયા તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે.
તેની રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ માટે તેને સીધી રીતે પ્રકાશ ઉર્જાની જરૂર હોતી નથી.
તેના બદલે,તે પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓની નીપજો,ખાસ કરીને $ATP$ અને $NADPH$ નો ઉપયોગ કરીને વાતાવરણીય $CO_2$ નું ગ્લુકોઝમાં સ્થાપન કરે છે.
તેથી,તેને પ્રકાશ પર આધારિત ન હોય તેવી પ્રક્રિયા તરીકે વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે.

(B) કેલ્વિન ચક્ર દરેક ચક્રમાં $CO_2$ નો એક અણુ સ્થાપિત કરે છે.
હેક્સોઝ અણુ (ગ્લુકોઝ,$C_6H_{12}O_6$) માં $6$ કાર્બન પરમાણુઓ હોવાથી,ગ્લુકોઝનો એક અણુ બનાવવા માટે $6$ અણુ $CO_2$ ને સ્થાપિત કરવા માટે કેલ્વિન ચક્રના $6$ ચક્ર પૂર્ણ કરવા જરૂરી છે.

(C) $C_3$ વનસ્પતિઓમાં,પ્રાથમિક $CO_2$ ગ્રાહક એ $5$-કાર્બન ધરાવતી કીટોઝ શર્કરા છે જેને રીબ્યુલોઝ $1,5$-બિસફોસ્ફેટ $(RuBP)$ કહેવામાં આવે છે.
આ પ્રક્રિયા રૂબિસ્કો $(RuBisCO)$ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે,જે $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($3$-$PGA$) ના બે અણુઓ બનાવે છે,જે કેલ્વિન ચક્રની પ્રથમ સ્થાયી નીપજ છે.

(C) કેલ્વિન ચક્રમાં રિડક્ટિવ કાર્બોક્સિલેશનની પ્રક્રિયાનો સમાવેશ થાય છે.
કાર્બોક્સિલેશન તબક્કામાં,$CO_2$ નું $5$-કાર્બન ધરાવતી શર્કરા,રિબ્યુલોઝ $1,5$-બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ સાથે જોડાણ થઈને $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ ($3$-$PGA$) બને છે.
આ પ્રક્રિયા $RuBisCO$ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે.
ત્યારબાદ,રિડક્શન તબક્કામાં પ્રકાશ પ્રક્રિયામાં ઉત્પન્ન થયેલ $ATP$ અને $NADPH$ નો ઉપયોગ કરીને $3$-$PGA$ નું ટ્રાયોઝ ફોસ્ફેટમાં રૂપાંતર થાય છે,જે એક રિડક્ટિવ પ્રક્રિયા છે.
તેથી,સમગ્ર પથને રિડક્ટિવ કાર્બોક્સિલેશન તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

(B) કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું સ્થાપન $Calvin$ ચક્ર દરમિયાન થાય છે,જેને પ્રકાશસંશ્લેષણની $Dark$ પ્રક્રિયા અથવા પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયા તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે.
આ પ્રક્રિયામાં,$CO_2$ ને $Ribulose$ $1,5-bisphosphate$ $(RuBP)$ સાથે જોડવામાં આવે છે જેથી ગ્લુકોઝ ઉત્પન્ન થાય,જેમાં પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલ $ATP$ અને $NADPH$ નો ઉપયોગ થાય છે.

(A) કેલ્વિન ચક્ર (અંધકાર પ્રક્રિયા) માં,પ્રાથમિક કાર્બોક્સિલેશન તબક્કામાં $CO_2$ નું $5$-કાર્બન ધરાવતા સંયોજન રિબ્યુલોઝ $1,5$-બિસફોસ્ફેટ $(RuBP)$ માં સ્થાપન થાય છે.
આ પ્રક્રિયા $RuBisCO$ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે.
પરિણામી ઉત્પાદન એક અસ્થાયી $6$-કાર્બન ધરાવતું મધ્યવર્તી સંયોજન છે,જે તરત જ $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($3$-$PGA$) ના બે અણુઓમાં વિભાજિત થાય છે.
$3$-$PGA$ એ આ પ્રક્રિયામાં બનતું પ્રથમ સ્થાયી સંયોજન હોવાથી,તેને અંધકાર પ્રક્રિયાનું પ્રથમ સ્થાયી ઉત્પાદન માનવામાં આવે છે.

(C) અંધકાર પ્રક્રિયા (કેલ્વિન ચક્ર) કાર્બોક્સિલેશન તબક્કાથી શરૂ થાય છે.
આ સોપાનમાં,$CO_2$ ને રિબ્યુલોઝ $1,5$-બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ નામની $5$-કાર્બન ધરાવતી શર્કરા (પેન્ટોઝ શર્કરા) સાથે જોડીને સ્થાપિત કરવામાં આવે છે.
આ પ્રક્રિયા $RuBisCO$ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે,જેના પરિણામે $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ $(3-PGA)$ બને છે.

(A) $C_3$ વનસ્પતિઓમાં,કેલ્વિન ચક્રની સંપૂર્ણ પ્રક્રિયા,જેમાં સ્ટાર્ચ અથવા સુક્રોઝનું સંશ્લેષણ પણ સામેલ છે,તે મેસોફિલ કોષોના હરિતકણમાં થાય છે.
$C_4$ વનસ્પતિઓમાં,મેસોફિલ કોષોમાં RuBisCO ઉત્સેચકનો અભાવ હોય છે અને તેઓ મુખ્યત્વે $CO_2$ ના $4$-કાર્બન સંયોજન (ઓક્સાલોએસીટેટ) માં પ્રાથમિક સ્થાપન માટે જવાબદાર હોય છે,જે ત્યારબાદ બંડલ શીથ કોષોમાં મોકલવામાં આવે છે.
$C_4$ વનસ્પતિઓમાં સ્ટાર્ચ અથવા સુક્રોઝનું સંશ્લેષણ બંડલ શીથ કોષોના હરિતકણમાં થાય છે,મેસોફિલ કોષોમાં નહીં.
તેથી,માત્ર $C_3$ વનસ્પતિઓના મેસોફિલ હરિતકણ જ સ્ટાર્ચ અથવા સુક્રોઝનું સંશ્લેષણ કરવા માટે સક્ષમ છે.

(B) કેલ્વિન ચક્ર ત્રણ અલગ-અલગ તબક્કાઓમાં વહેંચાયેલું છે: કાર્બોક્સિલેશન,રિડક્શન અને પુનઃસર્જન (Regeneration).
કાર્બોક્સિલેશન એ કેલ્વિન ચક્રનો પ્રથમ તબક્કો છે,જેમાં $CO_2$ નું સ્થાપન RuBisCO ઉત્સેચક દ્વારા થઈને $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ ($3$-$PGA$) બને છે.
આ પ્રક્રિયા દરેક $CO_2$ ના અણુ માટે ચક્રમાં માત્ર એક જ વાર થાય છે.
તેથી,સાચો જવાબ $1$ છે.

(B) $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ $(3PGAL)$ અને ડાયહાઇડ્રોક્સી એસિટોન ફોસ્ફેટ $(DHAP)$ નું ફ્રુક્ટોઝ $1,6$-ડાયફોસ્ફેટમાં રૂપાંતર એ પ્રકાશસંશ્લેષણના કેલ્વિન ચક્ર (અંધકાર પ્રક્રિયા) નું એક મહત્વપૂર્ણ પગલું છે.
આ પ્રક્રિયા $Aldolase$ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે.
આ પ્રક્રિયાને નીચે મુજબ દર્શાવી શકાય છે:
$3PGAL + DHAP \xrightarrow{Aldolase} Fructose-1,6-diphosphate$.
તેથી,સાચો વિકલ્પ $B$ છે.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણના અંધકાર તબક્કા (કેલ્વિન ચક્ર) માં,કાર્બન સ્થાપનની પ્રક્રિયા રિબ્યુલોઝ$-1,5-$બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ ના કાર્બોક્સિલેશનથી શરૂ થાય છે.
$RuBP$ એ $5$-કાર્બન ધરાવતી શર્કરા છે જે પ્રાથમિક કાર્બન ડાયોક્સાઇડ સ્વીકારનાર તરીકે કાર્ય કરે છે.
આ પ્રક્રિયા $RuBisCO$ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે,જેના પરિણામે $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ $(3-PGA)$ ના બે અણુઓ બને છે.

(D) $C_3$ વનસ્પતિઓમાં,કેલ્વિન ચક્રનું પ્રથમ પગલું $RuBP$ (રાઇબ્યુલોઝ$-1,5-$બાયફોસ્ફેટ) નું કાર્બોક્સિલેશન છે.
આ પ્રક્રિયા દરમિયાન,$CO_2$ ને $RuBisCO$ ઉત્સેચક દ્વારા સ્થાપિત કરવામાં આવે છે જેથી એક $6$-કાર્બન ધરાવતું અસ્થાયી મધ્યવર્તી સંયોજન બને છે.
આ અસ્થાયી મધ્યવર્તી સંયોજન તરત જ $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(PGA)$ ના બે અણુઓમાં વિભાજિત થાય છે.
જેহেতু રેડિયોએક્ટિવ $C^{14}$ એ $CO_2$ અણુનો ભાગ છે,તેથી તે સૌપ્રથમ $3$-કાર્બન ધરાવતા સ્થાયી સંયોજનમાં જોવા મળશે,જે $PGA$ છે.

(A) $CAM$ (Crassulacean Acid Metabolism) ચક્ર એ શુષ્ક પરિસ્થિતિઓમાં રહેતા છોડમાં જોવા મળતી એક વિશિષ્ટ પ્રકાશસંશ્લેષણ અનુકૂલન પદ્ધતિ છે.
આ છોડમાં,રાત્રિ દરમિયાન વાયુરંધ્રો ખુલે છે અને $CO_2$ ગ્રહણ કરે છે,જે $PEP$ કાર્બોક્સિલેઝ ઉત્સેચક દ્વારા કાર્બનિક એસિડ (મુખ્યત્વે મેલિક એસિડ) માં રૂપાંતરિત થાય છે,જેને 'નાઈટ એસિડિફિકેશન' કહેવામાં આવે છે.
દિવસ દરમિયાન,પાણીના વ્યયને રોકવા માટે વાયુરંધ્રો બંધ રહે છે અને સંગ્રહિત કાર્બનિક એસિડનું ડિકાર્બોક્સિલેશન થાય છે,જેનાથી કેલ્વિન ચક્ર માટે $CO_2$ મુક્ત થાય છે,આ પ્રક્રિયાને 'લાઈટ ડી-એસિડિફિકેશન' કહેવામાં આવે છે.

(C) $RuBP$ કાર્બોક્સિલેઝ (જેને $Rubisco$ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) એ હરિતકણમાં અને પૃથ્વી પરનું સૌથી વધુ પ્રમાણમાં જોવા મળતું પ્રોટીન છે. તે હરિતકણના કુલ પ્રોટીનનો આશરે $16\%$ હિસ્સો ધરાવે છે. તે $RuBP$ ના કાર્બોક્સિલેશનની પ્રક્રિયાને ઉદ્દીપ્ત કરીને કેલ્વિન ચક્રમાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે.

(A) પ્રકાશસંશ્લેષણ બે મુખ્ય તબક્કાઓમાં થાય છે: પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ અને પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર).
$1$. પ્રથમ પ્રણાલી પ્રકાશ પ્રતિક્રિયા છે,જે $ATP$ અને $NADPH$ ઉત્પન્ન કરવા માટે પ્રકાશ ઉર્જાને ગ્રહણ કરે છે.
$2$. બીજી પ્રણાલી પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયા (કેલ્વિન ચક્ર) છે,જે પ્રથમ તબક્કામાં ઉત્પન્ન થયેલ $ATP$ અને $NADPH$ નો ઉપયોગ કરીને $CO_2$ નું કાર્બનિક સંયોજનો (શર્કરા) માં સ્થાપન કરે છે.
તેથી,બીજી પ્રણાલી $CO_2$ ના સ્થાપન માટે જવાબદાર છે.

(C) કેલ્વિન ચક્રના કાર્બોક્સિલેશન તબક્કામાં,રિબ્યુલોઝ-$1,5$-બિસફોસ્ફેટ $(RuBP)$,જે $5$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન છે,તે પ્રાથમિક $CO_2$ ગ્રાહક તરીકે કાર્ય કરે છે.
$RuBP$ નો દરેક અણુ $RuBisCO$ ઉત્સેચકની હાજરીમાં $CO_2$ ના એક અણુ સાથે પ્રતિક્રિયા આપીને એક અસ્થાયી $6$-કાર્બન ધરાવતું મધ્યવર્તી સંયોજન બનાવે છે.
આ મધ્યવર્તી સંયોજન તરત જ $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(PGA)$ ના બે અણુઓમાં વિભાજિત થાય છે,જે $3$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન છે.
તેથી,$PGA$ માં રહેલા કાર્બન પરમાણુઓ $5$-કાર્બન ધરાવતા $RuBP$ અને $1$-કાર્બન ધરાવતા $CO_2$ ના અણુ બંનેમાંથી મેળવવામાં આવે છે.

(D) કેલ્વિન ચક્ર,જેને $C_3$ ચક્ર અથવા રિડક્ટિવ પેન્ટોઝ ફોસ્ફેટ પથ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે,તે વનસ્પતિઓમાં કાર્બન સ્થાપન માટેનો પ્રાથમિક પથ છે.
તે હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે.
આ ચક્ર તમામ પ્રકાશસંશ્લેષી વનસ્પતિઓમાં જોવા મળે છે,પછી ભલે તે $C_3$,$C_4$ કે $CAM$ પથ અનુસરતી હોય,કારણ કે તે પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલી ઊર્જાનો ઉપયોગ કરીને $CO_2$ અને $H_2O$ માંથી શર્કરાના સંશ્લેષણ માટેની મૂળભૂત પદ્ધતિ છે.