C3 and Dark reaction Questions in Gujarati

(N/A) $(1)$ $RuBP$ એટલે Ribulose $1,5$-bisphosphate.
$(2)$ $PGAL$ એટલે Phosphoglyceraldehyde (જેને Glyceraldehyde $3$-phosphate તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે).

(N/A) 'અંધકાર પ્રક્રિયા' એ એક ગેરમાર્ગે દોરતું નામ છે કારણ કે તેને આગળ વધવા માટે સીધી રીતે પ્રકાશની જરૂર હોતી નથી.
આ પ્રક્રિયાઓમાં કેલ્વિન ચક્ર દ્વારા ગ્લુકોઝ બનાવવા માટે $CO_{2}$ નું સ્થાપન થાય છે.
જોકે,અંધકાર પ્રક્રિયા પરોક્ષ રીતે પ્રકાશ પ્રક્રિયા પર આધારિત છે કારણ કે તેને $CO_{2}$ નું કાર્બોદિતમાં રિડક્શન કરવા માટે પ્રકાશ પ્રક્રિયાની નીપજો,ખાસ કરીને $ATP$ અને $NADPH$ ની જરૂર પડે છે.

(N/A) મેલ્વિન કેલ્વિને ખાંડના સંશ્લેષણના જૈવસંશ્લેષણ માર્ગનો અભ્યાસ કરવા માટે લીલી લીલ $Chlorella$ નો ઉપયોગ કર્યો હતો.
- તેમણે પ્રકાશસંશ્લેષણ દરમિયાન કાર્બનનો માર્ગ શોધવા માટે $C^{14}$ રેડિયોએક્ટિવ આઇસોટોપ લેબલિંગનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
- મધ્યવર્તી સંયોજનોને ઓળખવા માટે તેમણે પેપર ક્રોમેટોગ્રાફી અને ઓટોરેડિયોગ્રાફી તકનીકનો ઉપયોગ કર્યો હતો.
- તેમણે શોધ્યું કે પ્રકાશસંશ્લેષણની અંધકાર પ્રક્રિયા દરમિયાન બનતું પ્રથમ સ્થાયી ઉત્પાદન $3$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન છે જેને $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(3-PGA)$ કહેવામાં આવે છે.
- ક્રોમેટોગ્રામ્સનું વધુ વિશ્લેષણ કરીને,તેમણે સમગ્ર ચક્રને મેપ કર્યું,જેને હવે કેલ્વિન ચક્ર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે,જે હેક્સોઝ,ટેટ્રોઝ અને પેન્ટોઝ જેવી વિવિધ શર્કરાઓના નિર્માણ તરફ દોરી જાય છે.

(N/A) કેલ્વિન ચક્ર એ $C_3$ વનસ્પતિઓમાં કાર્બન સ્થાપન માટેનો મુખ્ય માર્ગ છે,જે ત્રણ મુખ્ય તબક્કાઓમાં થાય છે: કાર્બોક્સિલેશન,રિડક્શન અને પુનઃસર્જન.
$1$. કાર્બોક્સિલેશન: આ $CO_2$ નું સ્થાયી કાર્બનિક મધ્યવર્તી સંયોજનમાં સ્થાપન છે. $CO_2$ નો ઉપયોગ $RuBisCO$ ઉત્સેચક દ્વારા $RuBP$ (રીબ્યુલોઝ$-1,5-$બાયફોસ્ફેટ) ના કાર્બોક્સિલેશન માટે થાય છે,જેના પરિણામે $3-PGA$ ($3$-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ) ના બે અણુઓ બને છે.
$2$. રિડક્શન: આ તબક્કામાં ગ્લુકોઝના નિર્માણ તરફ દોરી જતી પ્રતિક્રિયાઓની શ્રેણીનો સમાવેશ થાય છે. સ્થાપિત થયેલા દરેક $CO_2$ ના અણુ માટે,ફોસ્ફોરાયલેશન માટે $2$ $ATP$ અને રિડક્શન માટે $2$ $NADPH$ ના અણુઓ વપરાય છે. આ $2$ $PGA$ અણુઓને $2$ ટ્રાયોઝ ફોસ્ફેટ $(PGAL)$ અણુઓમાં રૂપાંતરિત કરે છે.
$3$. પુનઃસર્જન: ચક્રને ચાલુ રાખવા માટે,$CO_2$ સ્વીકારનાર અણુ $RuBP$ નું પુનઃસર્જન થવું આવશ્યક છે. આ પગલા માટે પ્રતિ $CO_2$ સ્થાપન દીઠ $1$ $ATP$ અણુની જરૂર પડે છે.
ગ્લુકોઝના એક અણુ માટેની ગણતરી:
- કેલ્વિન ચક્રનું દરેક ચક્ર એક $CO_2$ અણુને સ્થાપિત કરે છે.
- ગ્લુકોઝ એ $6$-કાર્બન ધરાવતી શર્કરા $(C_6H_{12}O_6)$ છે.
- તેથી,ગ્લુકોઝનો એક અણુ સંશ્લેષિત કરવા માટે,$6$ $CO_2$ અણુઓનું સ્થાપન થવું જરૂરી છે.
- કારણ કે ચક્રનું એક ચક્ર એક $CO_2$ સ્થાપિત કરે છે,તેથી ગ્લુકોઝનો એક અણુ ઉત્પન્ન કરવા માટે કેલ્વિન ચક્રના $6$ ચક્ર જરૂરી છે.

(N/A) $(1)$ $Pi$ એટલે અકાર્બનિક ફોસ્ફેટ (Inorganic Phosphate).
$(2)$ $PGAL$ એટલે ફોસ્ફોગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ (Phosphoglyceraldehyde) (જેને ગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ-$3$-ફોસ્ફેટ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે).

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયા પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ અને પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર) માં વહેંચાયેલી છે.
$1$. પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ હરિતકણના થાયલેકોઇડ પટલમાં થાય છે.
$2$. $CO_2$ નું સ્થાપન પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર) દરમિયાન થાય છે,જે હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે.

(A) પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયાને બે મુખ્ય તબક્કામાં વહેંચવામાં આવે છે: પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ અને પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર).
$1$. પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ હરિતકણના થાયલેકોઇડ પટલમાં થાય છે.
$2$. શર્કરાના અણુઓ (ગ્લુકોઝ) નું સંશ્લેષણ કેલ્વિન ચક્ર દરમિયાન થાય છે,જે પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયા છે.
$3$. કેલ્વિન ચક્ર હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે,જ્યાં કાર્બન ફિક્સેશન માટે જરૂરી ઉત્સેચકો આવેલા હોય છે.

(A) પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયાને બે મુખ્ય તબક્કામાં વહેંચવામાં આવે છે: પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ અને પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર).
$1$. પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ હરિતકણના થાઇલેકોઇડ પટલમાં થાય છે,જ્યાં $ATP$ અને $NADPH$ ઉત્પન્ન થાય છે.
$2$. પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રતિક્રિયાઓ (કેલ્વિન ચક્ર) હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે,જ્યાં શર્કરા બનાવવા માટે $CO_2$ નું સ્થાપન થાય છે.
$3$. કેલ્વિન ચક્ર દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલા ગ્લુકોઝમાંથી સ્ટાર્ચનું સંશ્લેષણ પણ હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં જ થાય છે,જ્યાં સ્ટાર્ચના જૈવસંશ્લેષણ માટેના ઉત્સેચકો આવેલા હોય છે.

(C) $RuBisCo$ ને $RuBP$ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ કહેવામાં આવે છે કારણ કે તે બેવડી ઉદ્દીપકીય પ્રવૃત્તિ દર્શાવે છે,એટલે કે તે $CO_2$ અને $O_2$ બંને સાથે જોડાઈ શકે છે. તેનું કાર્ય આ બંને વાયુઓની સાપેક્ષ સાંદ્રતા પર આધાર રાખે છે:
$(i)$ જ્યારે $O_2$ ની સાપેક્ષમાં $CO_2$ ની સાંદ્રતા વધુ હોય,ત્યારે ઉત્સેચક કાર્બોક્સિલેઝ તરીકે કાર્ય કરે છે,જે $C_3$ ચક્ર (કેલ્વિન ચક્ર) શરૂ કરવા માટે $RuBP$ સાથે $CO_2$ ના સ્થાપનને સરળ બનાવે છે,જેના પરિણામે ગ્લુકોઝનું નિર્માણ થાય છે.
$(ii)$ જ્યારે $CO_2$ ની સાપેક્ષમાં $O_2$ ની સાંદ્રતા વધુ હોય,ત્યારે ઉત્સેચક ઓક્સિજનેઝ તરીકે કાર્ય કરે છે,જે $RuBP$ ને $O_2$ સાથે જોડીને ફોસ્ફોગ્લાયકોલેટ બનાવે છે,જે પ્રકાશશ્વસન ($C_2$ ચક્ર) શરૂ કરે છે. આ એક ઉર્જાનો વ્યય કરતી પ્રક્રિયા છે.
$(iii)$ $C_4$ વનસ્પતિઓમાં,આ ઉત્સેચક ઓક્સિજનેઝ પ્રવૃત્તિથી સુરક્ષિત રહે છે કારણ કે તેમની પાસે $RuBisCo$ ઉત્સેચકની આસપાસ $CO_2$ ની સાંદ્રતા વધારવાની પદ્ધતિ હોય છે,જે સુનિશ્ચિત કરે છે કે તે મુખ્યત્વે કાર્બોક્સિલેઝ તરીકે કાર્ય કરે છે.

(N/A) $RuBisCo$ (Ribulose$-1,5-$bisphosphate carboxylase-oxygenase) વિશ્વમાં સૌથી વધુ પ્રમાણમાં જોવા મળતો ઉત્સેચક છે કારણ કે તે તમામ પ્રકાશસંશ્લેષી વનસ્પતિઓમાં કેલ્વિન ચક્ર દરમિયાન કાર્બન સ્થાપન (carbon fixation) ના પ્રાથમિક તબક્કામાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે.
એવું અનુમાન છે કે વનસ્પતિના પર્ણોમાં રહેલા કુલ દ્રાવ્ય પ્રોટીન (soluble protein) ના લગભગ $20-25\%$ જેટલો ભાગ $RuBisCo$ ધરાવે છે.
પ્રકાશસંશ્લેષણ એ લગભગ તમામ નિવસનતંત્રોમાં જૈવભાર (biomass) ઉત્પાદન માટેની પાયાની પ્રક્રિયા છે અને $RuBisCo$ આ પ્રક્રિયા માટે અનિવાર્ય હોવાથી,તે સમગ્ર વિશ્વમાં વિશાળ જથ્થામાં હાજર છે.
સામાન્ય રીતે એવું માનવામાં આવે છે કે પૃથ્વી પર ઉત્પન્ન થતા દર $1000 \text{ kg}$ પ્રોટીનમાંથી નોંધપાત્ર હિસ્સો આ ઉત્સેચકનો હોય છે.

$(a)$ કેલ્વિન ચક્રમાં $CO_{2}$ ના એક અણુના સ્થાપન માટે $3$ અણુ $ATP$ અને $2$ અણુ $NADPH$ ની જરૂર પડે છે.
$(b)$ આ પ્રક્રિયા, જેને કેલ્વિન ચક્ર અથવા અંધકાર પ્રક્રિયા કહેવામાં આવે છે, તે હરિતકણના આધારક (સ્ટ્રોમા) માં થાય છે.

(A) કેલ્વિન ચક્ર ($C_{3}$ ચક્ર) એ કાર્બન સ્થાપન માટેનો પ્રાથમિક માર્ગ છે.
$C_{3}$ વનસ્પતિઓમાં,કેલ્વિન ચક્રની સંપૂર્ણ પ્રક્રિયા મધ્યપર્ણ (mesophyll) કોષોમાં થાય છે,જેમાં હરિતકણ આવેલા હોય છે.
$C_{4}$ વનસ્પતિઓમાં,આ પ્રક્રિયાનું વિભાજન થયેલું હોય છે: પ્રારંભિક કાર્બન સ્થાપન મધ્યપર્ણ કોષોમાં થાય છે,પરંતુ કેલ્વિન ચક્ર ($C_{3}$ ચક્ર) ખાસ કરીને પુલકંચુક (bundle sheath) કોષોમાં થાય છે,જેથી RuBisCO ઉત્સેચકની આસપાસ $CO_{2}$ ની સાંદ્રતા ઊંચી જાળવી શકાય.

(A) કેલ્વિન ચક્રમાં,પ્રાથમિક કાર્બોક્સિલેશન તબક્કામાં $RuBisCO$ ઉત્સેચક સામેલ છે,જે $RuBP$ ($5$-કાર્બન શર્કરા) ના એક અણુ અને $CO_2$ ના એક અણુ વચ્ચેની પ્રતિક્રિયાને ઉદ્દીપ્ત કરે છે.
આ પ્રતિક્રિયા એક અસ્થાયી $6$-કાર્બન મધ્યવર્તી સંયોજન બનાવે છે,જે તરત જ જળવિભાજન પામીને $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($PGA$,એક $3$-કાર્બન સંયોજન) ના $2$ અણુઓ ઉત્પન્ન કરે છે.
તેથી,$RuBP$ ના એક અણુના કાર્બોક્સિલેશનથી $PGA$ ના $2$ અણુઓ બને છે.

(C) $C_{3}$ વનસ્પતિઓમાં અંધકાર પ્રક્રિયાનું પ્રથમ પગલું રૂબિસ્કો (Rubisco) ઉત્સેચકની હાજરીમાં વાતાવરણીય $CO_{2}$ દ્વારા રિબ્યુલોઝ $1,5$-બાયફોસ્ફેટનું કાર્બોક્સિલેશન છે, જેનાથી $PGA$ બને છે.
પ્રક્રિયા આ મુજબ છે: $\text{Ribulose } 1,5\text{-bisphosphate} + CO_{2} + H_{2}O \xrightarrow{\text{Rubisco}} 2 \times 3\text{-PGA}$.
આમ, $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(PGA)$ એ કેલ્વિન ચક્રમાં બનતી પ્રથમ સ્થાયી નીપજ છે.

(B) કેલ્વિન ચક્રમાં,કાર્બન સ્થાપનનું પ્રાથમિક પગલું $RuBP$ (રાઇબ્યુલોઝ$-1,5-$બાયફોસ્ફેટ) ના કાર્બોક્સિલેશનનો સમાવેશ કરે છે.
આ પ્રક્રિયા રાઇબ્યુલોઝ બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે,જેને સામાન્ય રીતે $RUBISCO$ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
$RUBISCO$ એ વિશ્વનો સૌથી વધુ પ્રમાણમાં જોવા મળતો ઉત્સેચક છે અને તે વાતાવરણીય $CO_2$ ને કાર્બનિક સંયોજનોમાં સ્થાપિત કરવા માટે જવાબદાર છે.

(D) $C^{14}$ એ કાર્બનનો રેડિયોએક્ટિવ આઇસોટોપ છે. તેનો ઉપયોગ પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રક્રિયામાં કાર્બન સ્થાપનનો માર્ગ શોધવા માટે થાય છે.
જ્યારે $^{14}CO_{2}$ વનસ્પતિ દ્વારા લેવામાં આવે છે,ત્યારે તે $RuBisCO$ ઉત્સેચકની હાજરીમાં $RuBP$ (રીબ્યુલોઝ$-1,5-$બાયફોસ્ફેટ) સાથે પ્રતિક્રિયા આપે છે.
આ પ્રક્રિયાના પરિણામે $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(3-PGA)$ ના બે અણુઓ બને છે,જે $3$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન છે.
$3-PGA$ એ કેલ્વિન ચક્ર દરમિયાન બનતું પ્રથમ સ્થાયી સંયોજન હોવાથી,રેડિયોએક્ટિવ $C^{14}$ સૌપ્રથમ $PGA$ માં જોવા મળે છે.

(A) $RUBISCO$ નું પૂર્ણ નામ Ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase છે.
તે એક ઉત્સેચક છે જે કેલ્વિન ચક્રમાં મહત્વની ભૂમિકા ભજવે છે.
$C_{3}$ વનસ્પતિઓમાં Ribulose $1,5$-bisphosphate $(RuBP)$ એ પ્રાથમિક કાર્બન ડાયોક્સાઇડ ગ્રાહક તરીકે કાર્ય કરે છે,અને $RUBISCO$ એ $RuBP$ ના કાર્બોક્સિલેશનની પ્રક્રિયાને ઉદ્દીપ્ત કરે છે.

(B) કેલ્વિન ચક્ર $C_{3}$ વનસ્પતિઓના હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે અને તે ત્રણ મુખ્ય તબક્કાઓ ધરાવે છે: કાર્બોક્સિલેશન,રિડક્શન અને પુનઃસર્જન.
કાર્બોક્સિલેશનમાં $RUBISCO$ ઉત્સેચકની હાજરીમાં રિબ્યુલોઝ $1,5-$બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ સાથે કાર્બન ડાયોક્સાઇડનો ઉમેરો થઈને $3$-$PGA$ ($3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ) બને છે.
આ પ્રક્રિયામાં એક $CO_{2}$ અણુના સ્થાપન માટે એક જ વાર કાર્બોક્સિલેશન થાય છે,તેથી કેલ્વિન ચક્રમાં માત્ર એક જ કાર્બોક્સિલેશન પ્રક્રિયા જોવા મળે છે.

(B) વાતાવરણીય કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું સરળ,રિડક્શન પામેલા કાર્બનિક સંયોજનોમાં રૂપાંતર થવાની પ્રક્રિયાને કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું સ્થાપન,કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું એસિમિલેશન અથવા કાર્બન ફિક્સેશન કહેવામાં આવે છે.
આ ચયાપચયનો માર્ગ,જે હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થાય છે,તે મેલ્વિન કેલ્વિન દ્વારા સમજાવવામાં આવ્યો હતો અને તેથી તેને કેલ્વિન ચક્ર તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.
આ ચક્રમાં,$CO_2$ નું સ્થાપન RuBisCO ઉત્સેચકની મદદથી $3$-કાર્બન ધરાવતી શર્કરા $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ ($3$-$PGA$) માં થાય છે.

(D) $RuBisCo$ (Ribulose$-1,5-$bisphosphate carboxylase-oxygenase) એ પૃથ્વી પરનો સૌથી વધુ પ્રમાણમાં જોવા મળતો ઉત્સેચક છે.
તે પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયાઓ દરમિયાન કેલ્વિન ચક્રમાં સામેલ એક મુખ્ય ઉત્સેચક છે.
કેલ્વિન ચક્ર હરિતકણના આધારક (Stroma) માં થતું હોવાથી,$RuBisCo$ હરિતકણની અંદર સ્થિત હોય છે.

(A) સ્ટ્રોમામાં,ઉત્સેચકીય પ્રતિક્રિયાઓ $CO_2$ ને વનસ્પતિમાં સમાવિષ્ટ કરે છે,જે શર્કરાના સંશ્લેષણ તરફ દોરી જાય છે,જે અંતે સ્ટાર્ચ બનાવે છે. સ્ટ્રોમા એ અંધકાર પ્રતિક્રિયા (કેલ્વિન ચક્ર) નું સ્થાન છે જ્યાં કાર્બન સ્થાપન થાય છે.

(B) Crassulaceae કુળના સભ્યો $CAM$ (Crassulacean Acid Metabolism) પ્રકાશસંશ્લેષણ દર્શાવે છે. આ ચયાપચયનો માર્ગ શુષ્ક વાતાવરણમાં અનુકૂલન તરીકે કાર્ય કરે છે,જે વનસ્પતિઓને રાત્રિ દરમિયાન $CO_{2}$ નું સ્થાપન કરવાની મંજૂરી આપે છે જેથી બાષ્પોત્સર્જન દ્વારા થતા પાણીના વ્યયને ઘટાડી શકાય.

(B) કેલ્વિન ચક્ર ત્રણ તબક્કામાં આગળ વધે છે: $(1)$ કાર્બોક્સિલેશન,જે દરમિયાન $CO_2$ એ રિબ્યુલોઝ $1,5$-બાયફોસ્ફેટ સાથે જોડાય છે. $(2)$ રિડક્શન,જે દરમિયાન પ્રકાશ-રાસાયણિક રીતે ઉત્પન્ન થયેલ $ATP$ અને $NADPH$ ના ખર્ચે કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ બને છે. $(3)$ પુનઃસર્જન,જે દરમિયાન $CO_2$ સ્વીકારનાર,રિબ્યુલોઝ $1,5$-બાયફોસ્ફેટ ફરીથી બને છે જેથી ચક્ર ચાલુ રહે.
કેલ્વિન ચક્રમાં સ્થિર થયેલા દરેક $CO_2$ અણુ માટે,$CO_2$ સ્વીકારનાર અણુ $RuBP$ ના પુનઃસર્જન માટે રિબ્યુલોઝ $5$-ફોસ્ફેટના ફોસ્ફોરાયલેશન દ્વારા $RuBP$ બનાવવા માટે $1$ અણુ $ATP$ ની જરૂર પડે છે.

(B) કેલ્વિન ચક્ર ત્રણ મુખ્ય તબક્કાઓ ધરાવે છે:
$(i)$ કાર્બોક્સિલેશન: આ $CO_2$ નું સ્થાયી કાર્બનિક મધ્યવર્તી સંયોજન,$3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($3$-$PGA$) માં સ્થાપન છે,જે RuBisCO ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે.
$(ii)$ રિડક્શન: આ તબક્કામાં પ્રક્રિયાઓની શ્રેણીનો સમાવેશ થાય છે જે ગ્લુકોઝના નિર્માણ તરફ દોરી જાય છે. તેમાં પ્રકાશ પ્રક્રિયા દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલ $ATP$ અને $NADPH$ નો ઉપયોગ થાય છે.
$(iii)$ રિજનરેશન (પુનઃસર્જન): આ તબક્કો ચક્રના સતત સંચાલન માટે નિર્ણાયક છે,જ્યાં $CO_2$ સ્વીકારનાર અણુ,રિબ્યુલોઝ $1,5$-બિસફોસ્ફેટ $(RuBP)$,પુનઃસર્જિત થાય છે,જેના માટે ફોસ્ફોરાયલેશન માટે $ATP$ ની જરૂર પડે છે.
તેથી,ત્રણ તબક્કાઓ કાર્બોક્સિલેશન $(I)$,રિડક્શન $(III)$,અને રિજનરેશન $(IV)$ છે.

(D) પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રકાશ પ્રક્રિયા દરમિયાન,$ATP$ અને $NADPH$ ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સપોર્ટ ચેઇન $(ETC)$ દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે.
આ અણુઓ પ્રકાશસંશ્લેષણના જૈવસંશ્લેષણ તબક્કા (કેલ્વિન ચક્ર) માટે આવશ્યક છે.
કેલ્વિન ચક્રમાં,$ATP$ ઊર્જા પૂરી પાડે છે અને $NADPH$ કાર્બન ડાયોક્સાઇડ $(CO_2)$ ના રિડક્શન માટે રિડક્ટિંગ પાવર પૂરો પાડે છે,જેથી કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ (શર્કરા) બને છે.
તેથી,શર્કરાનું સંશ્લેષણ અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું રિડક્શન બંને પ્રક્રિયાઓ માટે આ અણુઓનો ઉપયોગ થાય છે.

(D) $RuBP$ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ $(RUBISCO)$ એ હરિતકણના આધારકમાં (stroma) આવેલો ઉત્સેચક છે.
આ ઉત્સેચક $C_{3}$-વનસ્પતિઓમાં પ્રાથમિક કાર્બોક્સિલેશન માટે જવાબદાર છે.
$5C$ ધરાવતી શર્કરા $RuBP$,આ ઉત્સેચકની હાજરીમાં કાર્બન ડાયોક્સાઈડ ગ્રાહક તરીકે વર્તે છે અને $6C$ ધરાવતું અસ્થાયી સંયોજન બનાવે છે.
આ અસ્થાયી સંયોજન ત્યારબાદ $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ ($3C$ સંયોજન) ના બે અણુઓમાં વિભાજિત થાય છે,જે $C_{3}$-ચક્રની પ્રથમ સ્થાયી નીપજ છે.

(B) અંધકાર પ્રક્રિયા દરમિયાન,$CO_{2}$ નો પ્રાથમિક સ્વીકારકર્તા $RuBP$ (રાઇબ્યુલોઝ $1,5$-બાયફોસ્ફેટ) છે.
કાર્બોક્સિલેશનની પ્રક્રિયામાં,$RuBP$ એ $CO_{2}$ સાથે જોડાઈને એક અસ્થાયી $6$-કાર્બન ધરાવતું મધ્યવર્તી સંયોજન બનાવે છે.
આ મધ્યવર્તી સંયોજન તરત જ વિઘટિત થઈને $3$-કાર્બન ધરાવતા બે સ્થાયી સંયોજનો બનાવે છે,જેને $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(3-PGA)$ કહેવામાં આવે છે.

(A) કેલ્વિન ચક્રમાં,કાર્બન ડાયોક્સાઇડ $(CO_{2})$ ના દરેક અણુના સ્થાપન માટે $3$ અણુ $ATP$ અને $2$ અણુ $NADPH$ ની જરૂર પડે છે.
ગ્લુકોઝ $(C_{6}H_{12}O_{6})$ ના એક અણુમાં $6$ કાર્બન પરમાણુઓ હોવાથી,ગ્લુકોઝના એક અણુના સંશ્લેષણ માટે આ ચક્ર $6$ વાર ફરવું પડે છે.
તેથી,કુલ જરૂરિયાત આ મુજબ છે: $6 \times 3 ATP = 18 ATP$ અને $6 \times 2 NADPH = 12 NADPH$.
આમ,ગ્લુકોઝના એક અણુના સંશ્લેષણ માટે $6 CO_{2}, 18 ATP$ અને $12 NADPH$ ની જરૂર પડે છે.

(C) ગ્લુકોઝ એ હેક્સોઝ શર્કરા છે,જેમાં પ્રતિ અણુ $6$ કાર્બન પરમાણુઓ હોય છે.
કેલ્વિન ચક્રમાં,દરેક ચક્ર $1$ અણુ $CO_2$ નું સ્થાપન કરે છે.
$1$ અણુ ગ્લુકોઝ $(C_6H_{12}O_6)$ ઉત્પન્ન કરવા માટે કેલ્વિન ચક્રના $6$ ચક્રોની જરૂર પડે છે.
તેથી,$5$ અણુ ગ્લુકોઝ ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી ચક્રોની સંખ્યા $5 \times 6 = 30$ ચક્રો છે.

(A) કેલ્વિન ચક્રમાં પ્રવેશતા દરેક $CO_{2}$ અણુ માટે,રિડક્શન અને પુનઃસર્જનના તબક્કાઓ માટે $3$ અણુ $ATP$ અને $2$ અણુ $NADPH$ ની જરૂર પડે છે.
ચોક્કસ રીતે કહીએ તો,રિડક્શન તબક્કા દરમિયાન $2$ અણુ $ATP$ અને $2$ અણુ $NADPH$ વપરાય છે,અને $RuBP$ ના પુનઃસર્જન તબક્કા દરમિયાન $1$ અણુ $ATP$ વપરાય છે.
અંધકાર પ્રક્રિયામાં વપરાતા $ATP$ અને $NADPH$ ની સંખ્યામાં રહેલો તફાવત ચક્રીય ફોટોફોસ્ફોરાયલેશન દ્વારા સંતુલિત થાય છે.

(D) કેલ્વિન ચક્ર એ પ્રકાશસંશ્લેષી સજીવોના હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં થતી જૈવરાસાયણિક રેડોક્સ પ્રતિક્રિયાઓની શ્રેણી છે.
તેને કેલ્વિન-બેન્સન ચક્ર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે,જે મેલ્વિન કેલ્વિન અને એન્ડ્રુ બેન્સનના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે.
કારણ કે તેમાં બનતી પ્રથમ સ્થાયી નીપજ $3$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન ($3$-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ) છે,તેથી તેને $C_{3}$-ચક્ર કહેવામાં આવે છે.
વધુમાં,તેને રિડક્ટિવ પેન્ટોઝ ફોસ્ફેટ પથ પણ કહેવામાં આવે છે કારણ કે તેમાં પ્રકાશ-આધારિત પ્રતિક્રિયાઓ દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલ $ATP$ અને $NADPH$ નો ઉપયોગ કરીને કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું રિડક્શન થાય છે.

(A) ઉચ્ચ કક્ષાની વનસ્પતિઓમાં,જૈવસંશ્લેષણીય પથ અથવા પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયાઓ (અંધકાર પ્રક્રિયાઓ) માટે જરૂરી ઉત્સેચકો હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં આવેલા હોય છે.
પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓ હરિતકણના ગ્રાનામાં થાય છે.
હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં રહેલા રીબોઝોમ્સ $70 S$ પ્રકારના હોય છે,જે પ્રોટીન સંશ્લેષણ માટે જરૂરી છે.
ક્લોરોફિલ એ લીલા રંગનું પ્રકાશસંશ્લેષી રંજકદ્રવ્ય છે જે હરિતકણની થાઈલેકોઈડ પટલ પર જોવા મળે છે.

(C) કેલ્વિન ચક્રનો પુનઃસર્જન તબક્કો વિવિધ શર્કરા ફોસ્ફેટ્સનું રિબ્યુલોઝ-$1,5$-બિસફોસ્ફેટમાં રૂપાંતર કરે છે.
$1$. પ્રથમ, $Triose \text{ } phosphate \text{ } isomerase$ $(IV)$ ગ્લિસરાલ્ડિહાઈડ-$3$-ફોસ્ફેટનું ડાયહાઈડ્રોક્સી એસિટોન ફોસ્ફેટમાં રૂપાંતર કરે છે.
$2$. ત્યારબાદ, $Transketolase$ $(III)$ આ અણુઓ પર કાર્ય કરીને સેડોહેપ્ટ્યુલોઝ-$7$-ફોસ્ફેટ અને અન્ય મધ્યવર્તી સંયોજનો બનાવે છે.
$3$. ત્યારબાદ, $Ribulose-5-phosphate \text{ } isomerase$ $(I)$ રાઈબોઝ-$5$-ફોસ્ફેટનું રિબ્યુલોઝ-$5$-ફોસ્ફેટમાં રૂપાંતર કરે છે.
$4$. અંતે, $Ribulose-5-phosphate \text{ } epimerase$ $(II)$ ઝાયલ્યુલોઝ-$5$-ફોસ્ફેટનું રિબ્યુલોઝ-$5$-ફોસ્ફેટમાં રૂપાંતર કરે છે.
આમ, સાચો ક્રમ $IV, III, I, II$ છે.

(A) $C_3$ વનસ્પતિઓમાં,પ્રાથમિક $CO_2$ સ્વીકારનાર $5$-કાર્બન ધરાવતી કીટોઝ શર્કરા છે જેને રિબ્યુલોઝ $1,5$-બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ કહેવામાં આવે છે.
આ પ્રક્રિયા $RuBisCO$ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે,જે $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(PGA)$ ના બે અણુઓનું નિર્માણ કરે છે.

(A) કેલ્વિન ચક્ર ($C_3$ ચક્ર) માં,RuBisCO ઉત્સેચક $CO_2$ સાથે રિબ્યુલોઝ$-1,5-$બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ ના કાર્બોક્સિલેશનને ઉત્પ્રેરિત કરે છે,જેનાથી એક અસ્થાયી $6$-કાર્બન મધ્યવર્તી સંયોજન બને છે.
આ મધ્યવર્તી સંયોજન તરત જ $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(3-PGA)$ ના બે અણુઓમાં વિભાજિત થાય છે.
કારણ કે $3-PGA$ આ પ્રક્રિયા દરમિયાન બનતું પ્રથમ સ્થાયી સંયોજન છે,તેથી તેને $C_3$ વનસ્પતિઓમાં $CO_2$ ના સ્થાપનનું પ્રથમ સ્થાયી ઉત્પાદન કહેવામાં આવે છે.

(C) કેલ્વિન ચક્ર ત્રણ મુખ્ય તબક્કાઓ ધરાવે છે: $1$. કાર્બોક્સિલેશન,$2$. રિડક્શન,અને $3$. $RuBP$ નું પુનઃસર્જન.
ફોટોફોસ્ફોરાયલેશન એ પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રકાશ પ્રક્રિયા (light reaction) દરમિયાન થતી પ્રક્રિયા છે,જેમાં પ્રકાશ ઉર્જાનો ઉપયોગ કરીને $ADP$ અને અકાર્બનિક ફોસ્ફેટમાંથી $ATP$ નું સંશ્લેષણ થાય છે. તેથી,તે કેલ્વિન ચક્ર (અંધકાર પ્રક્રિયા) નો ભાગ નથી.

(C) $C_3$ વનસ્પતિઓમાં,પ્રાથમિક કાર્બોક્સિલેશન પ્રક્રિયા,જેમાં વાતાવરણીય $CO_2$ નું સ્થાયી કાર્બનિક મધ્યવર્તી સંયોજનમાં સ્થાપન થાય છે,તે રિબ્યુલોઝ-$1,5$-બિસફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત થાય છે,જેને સામાન્ય રીતે $RuBP$ કાર્બોક્સિલેઝ અથવા $RuBisCO$ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આ ઉત્સેચક $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરેટ ($3$-$PGA$) બનાવવા માટે $RuBP$ માં $CO_2$ ના ઉમેરાને સરળ બનાવે છે.

(B) $C_3$ ચક્ર (કેલ્વિન ચક્ર) માં,પુનઃસર્જન તબક્કામાં ટ્રાયોઝ ફોસ્ફેટનું $RuBP$ માં રૂપાંતર થાય છે.
$RuBP$ ના $1$ અણુના પુનઃસર્જન માટે $1$ $ATP$ અણુ વપરાય છે.
તેથી,$RuBP$ ના $4$ અણુઓના પુનઃસર્જન માટે $4 \times 1 = 4$ $ATP$ અણુઓના વપરાશની જરૂર પડે છે.

(A) $RuBP$ કાર્બોક્સિલેઝ (જેને $RuBisCO$ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે) એ કેલ્વિન ચક્રમાં સામેલ મુખ્ય ઉત્સેચક છે. તે $C_3$ અને $C_4$ બંને પ્રકારની વનસ્પતિઓના હરિતકણના સ્ટ્રોમામાં હાજર હોય છે. $C_3$ વનસ્પતિઓમાં,તે સીધું કાર્બોક્સિલેશન કરે છે,જ્યારે $C_4$ વનસ્પતિઓમાં,તે કેલ્વિન ચક્ર પૂર્ણ કરવા માટે બંડલ શીથ કોષોમાં જોવા મળે છે. તેથી,તેની પ્રક્રિયા $C_3$ અને $C_4$ બંને વનસ્પતિઓમાં થાય છે.

(A) $C_3$ ચક્ર,જેને કેલ્વિન ચક્ર અથવા રિડક્ટિવ પેન્ટોઝ ફોસ્ફેટ ચક્ર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે,તે વનસ્પતિઓમાં કાર્બન સ્થાપન માટેનો પ્રાથમિક માર્ગ છે.
આ પ્રક્રિયા દરમિયાન,$CO_2$ નું રિડક્શન થઈને કાર્બોદિતો (ગ્લુકોઝ) બને છે.
આ ચક્રમાં પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓમાં ઉત્પન્ન થયેલા $ATP$ અને $NADPH$ નો ઉપયોગ કરીને $CO_2$ નું રિડક્શન કરવામાં આવે છે,તેથી તે મૂળભૂત રીતે $CO_2$ રિડક્શન ચક્ર છે.

(A) $C_3$ ચક્ર (કેલ્વિન ચક્ર) માં,$1$ અણુ $CO_2$ ના સ્થાપન અને રિડક્શન માટે $3$ અણુ $ATP$ અને $2$ અણુ $NADPH + H^+$ ની જરૂર પડે છે.
ચોક્કસ રીતે કહીએ તો,રિડક્શન તબક્કા દરમિયાન $2$ $ATP$ વપરાય છે અને $RuBP$ ના પુનઃસર્જન તબક્કા દરમિયાન $1$ $ATP$ વપરાય છે.

(B) $C_3$ વનસ્પતિઓમાં,પ્રાથમિક $CO_2$ સ્વીકારનાર $5$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન છે જેને રિબ્યુલોઝ $1,5$-બાયફોસ્ફેટ $(RuBP)$ કહેવામાં આવે છે.
કાર્બોક્સિલેશનના તબક્કા માટે જવાબદાર ઉત્સેચક,જેમાં $CO_2$ નું કાર્બનિક અણુમાં સ્થાપન થાય છે,તે રિબ્યુલોઝ બાયફોસ્ફેટ કાર્બોક્સિલેઝ-ઓક્સિજનેઝ $(RUBISCO)$ છે.

(A) કેલ્વિન ચક્રને મેલ્વિન કેલ્વિન અને તેમના સહયોગીઓ દ્વારા રેડિયોએક્ટિવ આઇસોટોપ ટેકનિકનો ઉપયોગ કરીને સમજાવવામાં આવ્યું હતું. તેમણે શેવાળના પ્રકાશસંશ્લેષણના અભ્યાસમાં (ખાસ કરીને ક્લોરેલા અને સીનેડેસ્મસ સાથે) $^{14}C$ (કાર્બનનો રેડિયોએક્ટિવ આઇસોટોપ) નો ઉપયોગ કર્યો હતો,જેથી કાર્બન ફિક્સેશનના માર્ગને શોધી શકાય,જે $C_3$ ચક્રની શોધ તરફ દોરી ગયું.

(C) $C_3$-વનસ્પતિઓના કેલ્વિન ચક્રમાં,પ્રથમ સ્થાયી નીપજ $3$-ફોસ્ફોગ્લિસેરિક એસિડ $(3-PGA)$ છે.
રિડક્શન તબક્કા દરમિયાન,$3-PGA$ નું $ATP$ નો ઉપયોગ કરીને ફોસ્ફોરાયલેશન થાય છે,જેથી $1,3$-બિસફોસ્ફોગ્લિસરેટ બને છે,જેનું ત્યારબાદ $3$-ફોસ્ફોગ્લિસરાલ્ડિહાઇડ $(3-PGAL)$ માં રિડક્શન થાય છે.
પ્રક્રિયા આ મુજબ છે: $2 \times 3-PGA + 2 ATP \longrightarrow 2 \times 1,3-bisphosphoglycerate + 2 ADP \longrightarrow 2 \times 3-PGAL + 2 Pi$.
આમ,પ્રથમ સ્થાયી નીપજ ફોસ્ફોરાયલેશનની પ્રક્રિયામાંથી પસાર થાય છે.

(D) પ્રકાશસંશ્લેષણનો જૈવ-સંશ્લેષણ તબક્કો (અંધકાર પ્રક્રિયા) સીધો પ્રકાશ પર આધાર રાખતો નથી; તેના બદલે,તે પ્રકાશ પ્રક્રિયાની નીપજો ($ATP$ અને $NADPH$) પર આધાર રાખે છે.
કેલ્વિન ચક્ર દરમિયાન $CO_2$ ને કાર્બોહાઇડ્રેટ્સમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે $ATP$ અને $NADPH$ બંને અત્યંત આવશ્યક છે.
તેથી,વિધાન $(A)$ અને કારણ $(R)$ બંને ખોટા છે.

(B) પ્રકાશસંશ્લેષણના પથોનું $C_{3}$ અને $C_{4}$ માં વર્ગીકરણ કેલ્વિન ચક્ર અને હેચ-સ્લેક પથ દરમિયાન કાર્બન સ્થાપનની પ્રક્રિયામાં બનતા પ્રથમ સ્થાયી ઉત્પાદનમાં રહેલા કાર્બન પરમાણુઓની સંખ્યાના આધારે કરવામાં આવે છે.

$C_{3}$ પથ	$C_{4}$ પથ
બનતું પ્રથમ સ્થાયી ઉત્પાદન $3$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન છે જેને $3-PGA$ ($3-\text{ફોસ્ફોગ્લિસરીક}$ એસિડ) કહેવાય છે.	પર્ણના મધ્યપેશી કોષોમાં બનતું પ્રથમ સ્થાયી ઉત્પાદન $4$-કાર્બન ધરાવતું સંયોજન છે જેને $OAA$ ($\text{ઓક્ઝેલોએસેટિક}$ એસિડ) કહેવાય છે.

(A) પ્રકાશસંશ્લેષણની રાસાયણિક પ્રક્રિયા $6CO_2 + 12H_2O \xrightarrow{Light} C_6H_{12}O_6 + 6H_2O + 6O_2$ છે.
આ પ્રક્રિયામાં,$CO_2$ માં રહેલા કાર્બન અને ઓક્સિજનના પરમાણુઓ ગ્લુકોઝના અણુ $(C_6H_{12}O_6)$ માં સમાવિષ્ટ થાય છે.
ઉપ-પેદાશ તરીકે મુક્ત થતો ઓક્સિજન પાણીના પ્રકાશ-વિભાજન $(H_2O)$ માંથી આવે છે.
તેથી,ગ્લુકોઝના બંધારણમાં જોવા મળતા ઓક્સિજનના પરમાણુઓ પ્રકાશસંશ્લેષણના અંધકાર તબક્કા (કેલ્વિન ચક્ર) દરમિયાન વપરાતા કાર્બન ડાયોક્સાઇડ $(CO_2)$ માંથી આવે છે.

(B) આપેલ અંગિકા હરિતકણ (chloroplast) છે.
આકૃતિમાં,$P$ એ થાઈલેકોઈડ/ગ્રાના દર્શાવે છે,$Q$ એ આધારક (stroma) દર્શાવે છે,$R$ એ બાહ્ય પટલ દર્શાવે છે,અને $S$ એ સ્ટાર્ચ કણ અથવા લિપિડ ટીપું દર્શાવે છે.
પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓ થાઈલેકોઈડ $(P)$ માં થાય છે,જ્યારે અંધકાર પ્રક્રિયા (કેલ્વિન ચક્ર) આધારક $(Q)$ માં થાય છે.
તેથી,સાચો જવાબ $Q$ છે.

(C) અંધકાર પ્રક્રિયા,જેને $C_3$ ચક્ર અથવા કેલ્વિન ચક્ર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે,તે પ્રકાશ-સ્વતંત્ર પ્રક્રિયા છે.
તેને સીધી રીતે પ્રકાશની જરૂર હોતી નથી,પરંતુ તેનો અર્થ એ નથી કે તે માત્ર અંધકારમાં જ થાય છે.
તે $CO_2$ ને ગ્લુકોઝમાં ફેરવવા માટે પ્રકાશ પ્રક્રિયાની નીપજો,ખાસ કરીને $ATP$ અને $NADPH$ પર આધાર રાખે છે.
તેથી,આ પ્રક્રિયા અંધકારમાં થાય છે તે વિધાન ખોટું છે,કારણ કે તે સામાન્ય રીતે દિવસ દરમિયાન થાય છે જ્યારે પ્રકાશ પ્રક્રિયા જરૂરી ઉર્જા વાહકો પૂરા પાડે છે.

(B) $NADPH+H^{+}$ અને $ATP$ એ પ્રકાશસંશ્લેષણની પ્રકાશ-આધારિત પ્રક્રિયાઓની નીપજો છે. આ અણુઓ પ્રકાશસંશ્લેષણના જૈવસંશ્લેષણીય તબક્કા (અંધકાર પ્રક્રિયા અથવા કેલ્વિન ચક્ર) માટે આવશ્યક છે,જ્યાં તેનો ઉપયોગ $CO_2$ નું શર્કરા (ગ્લુકોઝ) માં રિડક્શન કરવા માટે થાય છે.