जैव-अणु — कार्बोहाइड्रेट, प्रोटीन व न्यूक्लिक अम्ल

जैव-अणु वह एक कार्बनिक अध्याय है जहाँ पर्चा अधिकतर स्मरण पूछता है, और वह उसकी तैयारी असामान्य रूप से कार्यकुशल बनाता है: प्रश्न दोहराए जाते हैं, और तथ्यों का संहत समुच्चय उनमें लगभग सभी सँभाल लेता है। परंतु यह ध्यान देने योग्य है कि नीचे का रसायन पूर्णतः परिचित है। कार्बोहाइड्रेट बहुहाइड्रॉक्सी ऐल्डिहाइड या कीटोन है, अतः वह ऐल्डिहाइड अभिक्रियाएँ करता है। प्रोटीन बहु-ऐमाइड है। न्यूक्लिक अम्ल फ़ॉस्फ़ेट एस्टर है। कुछ नया प्रस्तुत नहीं हो रहा — आप पिछले पाँच अध्यायों के क्रियात्मक समूहों को बड़े अणुओं में जुड़ते देख रहे हैं, इसीलिए अभिक्रियाएँ ठीक वैसा व्यवहार करती हैं जैसी आप भविष्यवाणी करेंगे।

कार्बोहाइड्रेट

वर्गीकरण, पर्चा जिन उदाहरणों को नामित करता है सहित
वर्गपरिभाषाउदाहरण
एकलशर्कराआगे जल-अपघटित नहीं हो सकताग्लूकोस, फ़्रुक्टोस, राइबोस
द्विशर्करादो एकलशर्कराएँ देती हैसुक्रोस, माल्टोस, लैक्टोस
बहुशर्कराअनेक इकाइयाँ; मीठी नहीं, अपचायक नहींस्टार्च, सेलुलोस, ग्लाइकोजन
अपचायक शर्करामुक्त ऐल्डिहाइड या कीटोन समूह हैग्लूकोस, फ़्रुक्टोस, माल्टोस, लैक्टोस
अनपचायक शर्करादोनों ऐनोमेरिक कार्बन बंधनी में बँधे हैंसुक्रोस — मानक अपवाद
🎯 फ़्रुक्टोस कीटोन होने पर भी टॉलेन अभिकर्मक क्यों अपचयित करता है
कीटोन को टॉलेन अभिकर्मक अपचयित नहीं करना चाहिए, अतः फ़्रुक्टोस विरोधाभास दिखता है। समाधान यह है कि टॉलेन अभिकर्मक क्षारीय है, और क्षार में फ़्रुक्टोस कीटो–ईनॉल चलावयवता करके ग्लूकोस व मैनोस में पुनर्विन्यस्त हो जाता है, जो दोनों ऐल्डिहाइड हैं। अतः अपचयन करता ऐल्डिहाइड आरंभ में वहाँ था ही नहीं; क्षार ने उसे बनाया। इसीलिए फ़्रुक्टोस कीटोस होने के बावजूद अपचायक शर्करा गिना जाता है, और वह यह स्मरण भी है कि परीक्षण आपको बताता है कि परीक्षण-स्थितियों में यौगिक क्या बन जाता है, केवल यह नहीं कि वह क्या था।

ग्लूकोस की संरचना अभिक्रियाओं की छोटी सूची से तय होती है। वह पंचऐसीटेट बनाता है, अतः उसमें पाँच OH समूह हैं; वह टॉलेन व फ़ेलिंग अभिकर्मक अपचयित करता है व ऑक्सिम देता है, अतः उसमें ऐल्डिहाइड है; ब्रोमीन जल सहित मंद ऑक्सीकरण ग्लूकोनिक अम्ल देता है, और नाइट्रिक अम्ल सहित प्रबलतर ऑक्सीकरण द्विकार्बोक्सिलिक सैकेरिक अम्ल देता है, जो दूर के सिरे पर प्राथमिक ऐल्कोहॉल दर्शाता है। HI सहित अपचयन n-हेक्सेन देता है, सीधी शृंखला सिद्ध करते हुए। चक्रीय पायरैनोस रूप में C-1 हाइड्रॉक्सिल किसी भी ओर संकेत कर सकता है, ऐल्फ़ा व बीटा ऐनोमर देते हुए, और विलयन में उनका परस्पर परिवर्तन ही परिघूर्णन का कारण है।

ऐमीनो अम्ल व प्रोटीन

ऐमीनो अम्ल क्षारीय ऐमीनो समूह व अम्लीय कार्बोक्सिल समूह दोनों वहन करता है, अतः विलयन में वह ज़्विटर आयन के रूप में रहता है — आंतरिक रूप से आयनित, द्विध्रुवी व कुल मिलाकर उदासीन। वह उसका उच्च गलनांक व जल में परंतु कार्बनिक विलायकों में नहीं उसकी विलेयता समझाता है, और वह उभयधर्मी व्यवहार समझाता है: वही अणु अम्ल से व क्षार से क्रिया करता है। जिस pH पर ज़्विटर आयन का कोई नेट आवेश न हो वह समविभव बिंदु है, और उस pH पर ऐमीनो अम्ल विद्युत् क्षेत्र में अभिगमन नहीं करता, इसी प्रकार मिश्रण पृथक् होते हैं।

प्रोटीन संरचना के चार स्तर
स्तरवह क्या वर्णित करता हैकिससे बँधा
प्राथमिकऐमीनो अम्लों का क्रमपेप्टाइड (सहसंयोजी) आबंध
द्वितीयकस्थानीय आकृति — ऐल्फ़ा हेलिक्स या बीटा शीटहाइड्रोजन आबंध
तृतीयकसमग्र त्रि-आयामी वलनडाइसल्फ़ाइड सेतु, जलविरोधी व आयनिक बल
चतुष्कअनेक वलित शृंखलाएँ कैसे जुड़ती हैंउप-इकाइयों के बीच वही दुर्बल बल
📖 अंडा उबालना विकृतीकरण है, और वह सम्पूर्ण अनुक्रम समझाता है
अंडे का सफ़ेद भाग विलेय ऐल्ब्यूमिन है; उसे गरम करें और वह अपारदर्शी ठोस बन जाता है जो पुनः कभी नहीं घुलेगा। जो हुआ है वह यह कि द्वितीयक व तृतीयक संरचना रखते हाइड्रोजन आबंध व जलविरोधी संपर्क टूट गए हैं, अतः शृंखलाएँ खुलकर अनुत्क्रमणीय रूप से उलझ जाती हैं। परंतु पेप्टाइड आबंध अछूते हैं — प्राथमिक क्रम ठीक वही है जो था, इसीलिए पकाया प्रोटीन अभी भी पौष्टिक है। वह एक प्रेक्षण अनुक्रम मन में बैठा देता है: ऊष्मा, अम्ल व ऐल्कोहॉल उच्चतर स्तर नष्ट करते हैं प्राथमिक संरचना अखंड छोड़ते हुए, और केवल जल-अपघटन पेप्टाइड आबंध तोड़ता है। विकृतीकरण क्या नष्ट करता है पूछता प्रश्न "द्वितीयक व तृतीयक संरचना, प्राथमिक नहीं" चाहता है।

एन्ज़ाइम प्रोटीन हैं जो असाधारण विशिष्टता सहित उत्प्रेरण करते हैं, 310 K व सँकरे pH के निकट सर्वोत्तम चलते हैं, और उन सीमाओं के बाहर विकृत हो जाते हैं — इसीलिए ज्वर ख़तरनाक है और इसीलिए एन्ज़ाइम उत्प्रेरण का उच्च ताप पर कोई औद्योगिक तुल्य नहीं। विटामिन जल-विलेय (B समूह व C, उत्सर्जित अतः नियमित आवश्यक) व वसा-विलेय (A, D, E, K, यकृत में संचित व आधिक्य में विषैले) में बँटते हैं। सर्वाधिक बार पूछी न्यूनता-रोग C हेतु स्कर्वी, B₁ हेतु बेरीबेरी, B₁₂ हेतु घातक अरक्तता, A हेतु रतौंधी, D हेतु रिकेट्स व K हेतु बाधित स्कंदन हैं।

न्यूक्लिक अम्ल

DNA की RNA से तुलना
लक्षणDNARNA
शर्करा2-डीऑक्सी-D-राइबोसD-राइबोस
क्षारA, G, C व थायमीनA, G, C व यूरैसिल
रज्जुद्वि-कुंडलीप्रायः एकल
कार्यआनुवंशिक सूचना संचित व संचारित करता हैप्रोटीन संश्लेषण करता है
क्षार युग्मनदो H आबंधों से A–T, तीन से G–Cजहाँ युग्मन हो वहाँ A–U
🎯 G–C समृद्ध DNA पिघलाना कठिन क्यों है
ऐडेनीन व थायमीन दो हाइड्रोजन आबंधों से बँधे हैं, परंतु ग्वानीन व साइटोसीन तीन से। अतः G–C युग्मों में समृद्ध DNA खंड को अलग करने में अधिक ऊर्जा लगती है, और उसका गलन ताप मापनीय रूप से उच्चतर है — प्रभाव इतना वास्तविक कि गरम झरनों में रहते जीवों के जीनोम G–C समृद्ध होते हैं। वही युग्मन नियम समझाता है कि दोनों रज्जु पूरक क्यों हैं, अतः एक क्रम जानना आपको दूसरा निःशुल्क देता है, और यह भी कि प्रतिकृतीयन यथार्थ हो ही कैसे सकता है। परीक्षा हेतु पकड़ने योग्य दो तथ्य युग्मन साथी व आबंध-संख्याएँ हैं, क्योंकि अधिकांश प्रश्न किसी एक पर सिमटते हैं।

न्यूक्लियोसाइड शर्करा से जुड़ा क्षार है; फ़ॉस्फ़ेट जोड़ें और वह न्यूक्लियोटाइड बन जाता है, जो शृंखला की पुनरावर्ती इकाई है। पीठ शर्करा–फ़ॉस्फ़ेट शृंखला है और क्षार भीतर की ओर संकेत करते हैं। नामकरण जाल ध्यान दें: ऐडेनोसीन न्यूक्लियोसाइड है, ऐडेनोसीन मोनोफ़ॉस्फ़ेट न्यूक्लियोटाइड, और बहुलक में केवल फ़ॉस्फ़ेट-युक्त रूप आता है — वह भेद जिसे प्रश्न यह पूछकर जाँचते हैं कि चार सूचीबद्ध स्पीशीज़ में कौन न्यूक्लियोटाइड है।

मुख्य बिंदु

  • सुक्रोस मानक अनपचायक शर्करा है, क्योंकि दोनों ऐनोमेरिक कार्बन बंधनी में प्रयुक्त हैं।
  • फ़्रुक्टोस टॉलेन अपचयित करता है क्योंकि क्षार पहले उसे ग्लूकोस व मैनोस में चलावयवित करता है।
  • ग्लूकोस में पाँच OH समूह, एक ऐल्डिहाइड व सीधी शृंखला है — प्रत्येक विशिष्ट अभिक्रिया से स्थापित।
  • ऐमीनो अम्ल ज़्विटर आयनों के रूप में रहते हैं, इसीलिए वे ऊँचे गलते व उभयधर्मी हैं।
  • प्राथमिक संरचना पेप्टाइड आबंध है; द्वितीयक हाइड्रोजन आबंध; तृतीयक डाइसल्फ़ाइड सेतु जोड़ती है।
  • विकृतीकरण द्वितीयक व तृतीयक संरचना नष्ट करता है परंतु प्राथमिक क्रम अखंड छोड़ता है।
  • DNA में थायमीन व डीऑक्सीराइबोस है; RNA में यूरैसिल व राइबोस। A–T दो H आबंध, G–C तीन प्रयोग करता है।
  • न्यूक्लियोसाइड क्षार तथा शर्करा है; फ़ॉस्फ़ेट जोड़ना उसे न्यूक्लियोटाइड बनाता है, शृंखला की इकाई।

अभ्यास प्रश्न (8)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. निम्न में से कौन अनपचायक शर्करा है?

    1. ग्लूकोस
    2. माल्टोस
    3. सुक्रोस
    4. लैक्टोस
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — सुक्रोस

    सुक्रोस में ग्लाइकोसाइडी बंधनी ग्लूकोस व फ़्रुक्टोस दोनों का ऐनोमेरिक कार्बन प्रयोग करती है, अतः कोई मुक्त ऐल्डिहाइड या कीटोन समूह शेष नहीं और शर्करा टॉलेन या फ़ेलिंग अभिकर्मक अपचयित नहीं कर सकती। माल्टोस व लैक्टोस प्रत्येक एक ऐनोमेरिक कार्बन मुक्त रखते हैं अतः अपचायक हैं, और ग्लूकोस में उसके वलय रूप के साथ साम्य में खुला ऐल्डिहाइड समूह है।

  2. फ़्रुक्टोस कीटोस होने के बावजूद धनात्मक टॉलेन परीक्षण देता है। इसका कारण है:

    1. कीटोन सामान्यतः टॉलेन अभिकर्मक अपचयित करते हैं
    2. क्षारीय माध्यम में वह ग्लूकोस व मैनोस में चलावयवित होता है, जो ऐल्डिहाइड हैं
    3. उसमें कार्बोक्सिलिक अम्ल समूह है
    4. फ़्रुक्टोस वस्तुतः ऐल्डोस है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — क्षारीय माध्यम में वह ग्लूकोस व मैनोस में चलावयवित होता है, जो ऐल्डिहाइड हैं

    टॉलेन अभिकर्मक क्षारीय है, और क्षार कीटो–ईनॉल चलावयवता को बढ़ावा देता है जो फ़्रुक्टोस को ऐल्डोस ग्लूकोस व मैनोस में बदल देती है; तत्पश्चात् वे ऐल्डिहाइड सिल्वर आयन अपचयित करते हैं। अतः ऐल्डिहाइड समूह आरंभ में उपस्थित होने के बजाय परीक्षण-स्थितियों से बनता है — इसीलिए उदासीन माध्यम में पृथक् कीटोन कोई अभिक्रिया ही नहीं देता।

  3. प्रोटीन का विकृतीकरण नष्ट करता है:

    1. केवल प्राथमिक संरचना
    2. द्वितीयक व तृतीयक संरचना, प्राथमिक अखंड छोड़ते हुए
    3. संरचना के चारों स्तर
    4. कुछ नहीं — वह उत्क्रमणीय भौतिक परिवर्तन है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — द्वितीयक व तृतीयक संरचना, प्राथमिक अखंड छोड़ते हुए

    ऊष्मा, अम्ल या ऐल्कोहॉल वलित आकृति रखते हाइड्रोजन आबंध व जलविरोधी संपर्क तोड़ते हैं, अतः शृंखला खुल जाती व अपनी जैविक सक्रियता खो देती है, परंतु प्राथमिक क्रम के सहसंयोजी पेप्टाइड आबंध बचे रहते हैं। इसीलिए उबला अंडा अभी भी पौष्टिक है यद्यपि ऐल्ब्यूमिन पुनः कभी नहीं घुलेगा, और इसीलिए केवल जल-अपघटन, विकृतीकरण नहीं, प्रोटीन को ऐमीनो अम्लों में तोड़ता है।

  4. RNA में उपस्थित परंतु DNA में नहीं वह क्षार है:

    1. थायमीन
    2. यूरैसिल
    3. साइटोसीन
    4. ग्वानीन
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — यूरैसिल

    ऐडेनीन, ग्वानीन व साइटोसीन दोनों न्यूक्लिक अम्लों में आते हैं; चौथा क्षार भिन्न है, DNA में थायमीन व RNA में यूरैसिल। शर्करा भी भिन्न है — DNA में डीऑक्सीराइबोस व RNA में राइबोस — और वे दो प्रतिस्थापन मिलकर वही हैं जो इस तुलना पर अधिकांश प्रश्न जाँचते हैं।

  5. ऐमीनो अम्लों के गलनांक असामान्य रूप से उच्च हैं क्योंकि वे रहते हैं:

    1. उदासीन सहसंयोजी अणुओं के रूप में
    2. आंतरिक आवेश पृथक्करण सहित ज़्विटर आयनों के रूप में
    3. हाइड्रोजन आबंधों से बँधे द्विलकों के रूप में
    4. मुक्त मूलकों के रूप में
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — आंतरिक आवेश पृथक्करण सहित ज़्विटर आयनों के रूप में

    कार्बोक्सिल समूह ऐमीनो समूह को आंतरिक रूप से प्रोटोनित करता है, अतः अणु धन व ऋण स्थान दोनों वहन करता है और लवण जैसा व्यवहार करता है: पड़ोसियों के बीच प्रबल स्थिरवैद्युत आकर्षण गलनांक को उससे बहुत ऊपर धकेलते हैं जो उस आकार के अणु का अन्यथा होता। वही ज़्विटर आयनी संरचना जल में परंतु कार्बनिक विलायकों में नहीं विलेयता, तथा अम्ल व क्षार दोनों सहित उभयधर्मी अभिक्रियाशीलता समझाती है।

  6. ऐसीटिक ऐनहाइड्राइड से उपचार पर ग्लूकोस पंचऐसीटेट बनाता है। यह दर्शाता है कि ग्लूकोस में है:

    1. पाँच हाइड्रॉक्सिल समूह
    2. एक ऐल्डिहाइड समूह
    3. छह कार्बनों की सीधी शृंखला
    4. एक सिरे पर प्राथमिक ऐल्कोहॉल
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — पाँच हाइड्रॉक्सिल समूह

    ऐसीटिलन प्रत्येक मुक्त हाइड्रॉक्सिल को ऐसीटेट एस्टर में बदलता है, अतः पाँच ऐसीटेट समूह गिनना पाँच OH समूह गिनना है। अन्य तीन तथ्यों में प्रत्येक भिन्न अभिक्रिया से स्थापित है: ऐल्डिहाइड हेतु टॉलेन या ऑक्सिम निर्माण, सीधी शृंखला हेतु HI सहित n-हेक्सेन तक अपचयन, और सिरे के प्राथमिक ऐल्कोहॉल हेतु नाइट्रिक अम्ल ऑक्सीकरण से द्विकार्बोक्सिलिक अम्ल।

  7. किस विटामिन की न्यूनता स्कर्वी उत्पन्न करती है?

    1. विटामिन A
    2. विटामिन B₁
    3. विटामिन C
    4. विटामिन D
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — विटामिन C

    स्कर्वी ऐस्कॉर्बिक अम्ल, विटामिन C की न्यूनता से आता है, जो जल-विलेय है और अतः संचित होने के बजाय उत्सर्जित — अतः उसकी नियमित आपूर्ति चाहिए। विटामिन A की न्यूनता रतौंधी देती है, B₁ बेरीबेरी व D रिकेट्स; वसा-विलेय विटामिन A, D, E व K यकृत में संचित होते व आधिक्य में विषैले हो सकते हैं, जो जल-विलेय सामान्यतः नहीं।

  8. G–C युग्मों में समृद्ध DNA का गलन ताप A–T समृद्ध DNA से उच्चतर है क्योंकि:

    1. G–C युग्म तीन हाइड्रोजन आबंधों से बँधे हैं, A–T हेतु दो के सामने
    2. G व C बड़े क्षार हैं
    3. G–C युग्म सहसंयोजी रूप से आबंधित हैं
    4. A–T युग्म हाइड्रोजन आबंध नहीं बनाते
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — G–C युग्म तीन हाइड्रोजन आबंधों से बँधे हैं, A–T हेतु दो के सामने

    ग्वानीन साइटोसीन से तीन हाइड्रोजन आबंधों द्वारा युग्मित होता है जबकि ऐडेनीन थायमीन से केवल दो द्वारा, अतः G–C समृद्ध द्विक अलग करने हेतु अधिक ऊर्जा चाहिए। क्षार युग्म हाइड्रोजन आबंधों से बँधे हैं, सहसंयोजी से नहीं — सहसंयोजी आबंध प्रत्येक पीठ के साथ चलते हैं — ठीक इसीलिए प्रतिकृतीयन के दौरान रज्जु पृथक् व पुनर्युग्मित हो सकते हैं।