जैव-अणु (Biomolecules)

कार्बोहाइड्रेटों की आधुनिक परिभाषा:

कार्बोहाइड्रेट प्रकाशिक सक्रिय पॉलिहाइड्रॉक्सी ऐल्डिहाइड अथवा पॉलिहाइड्रॉक्सी कीटोन होते हैं, अथवा वे पदार्थ होते हैं जो जल-अपघटन पर ऐसे एकक देते हैं।

ग्लूकोज ($C_6H_{12}O_6$) की खुली श्रृंखला संरचना के रासायनिक प्रमाण:

1. $HI$ के साथ लंबे समय तक गर्म करने पर: $n$-हेक्सेन बनती है, जो सिद्ध करता है कि ग्लूकोज के सभी 6 कार्बन परमाणु एक सीधी असंसाखित श्रृंखला में जुड़े हैं:

$$C_6H_{12}O_6 + HI \xrightarrow{\Delta} CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3 \quad (n\text{-हेक्सेन})$$

2. हाइड्रॉक्सिलएमीन ($NH_2OH$) तथा $HCN$ से क्रिया: ऑक्सिम तथा सायनोहाइड्रिन बनाता है, जो कार्बोनिल समूह ($>C=O$) की उपस्थिति सिद्ध करता है।
3. ब्रोमीन जल (दुर्बल ऑक्सीकारक) द्वारा ऑक्सीकरण: केवल 6 कार्बन वाला मोनोकार्बोक्सिलिक अम्ल—ग्लूकोनिक अम्ल बनता है, जो सिद्ध करता है कि कार्बोनिल समूह एक ऐल्डिहाइड समूह ($-CHO$) है।
4. एसीटिक एनहाइड्राइड से क्रिया: ग्लूकोज पेन्टा-एसीटेट बनाता है, जो 5 भिन्न कार्बनों पर 5 हाइड्रॉक्सिल समूहों ($-OH$) की उपस्थिति सिद्ध करता है।
5. सांद्र $HNO_3$ द्वारा ऑक्सीकरण: डाइकार्बोक्सिलिक अम्ल सैकैरिक अम्ल ($HOOC-(CHOH)_4-COOH$) बनता है, जो एक प्राथमिक ऐल्कोहॉलिक समूह ($-CH_2OH$) की उपस्थिति सिद्ध करता है।

ग्लूकोज की चक्रीय संरचना एवं हावर्थ प्रक्षेप:

ग्लूकोज $C_1$ के $-CHO$ समूह तथा $C_5$ के $-OH$ समूह के मध्य अंतःआण्विक हेमीऐसीटल बनाकर 6-सदस्यीय चक्रीय वलय (ग्लूकोपाइरानोज) बनाता है।

• एनोमर (Anomers): $C_1$ (एनोमेरी कार्बन) पर $-OH$ समूह के विन्यास में भिन्नता के कारण दो रूप बनते हैं:
  • $\alpha$-D-(+)-ग्लूकोपाइरानोज: $C_1$ पर $-OH$ नीचे की ओर (हावर्थ में)।
  • $\beta$-D-(+)-ग्लूकोपाइरानोज: $C_1$ पर $-OH$ ऊपर की ओर।
• परिवर्ती ध्रुवण घूर्णन (Mutarotation): जब $\alpha$-रूप ($+112^\circ$) अथवा $\beta$-रूप ($+19^\circ$) के क्रिस्टलों को जल में घोला जाता है, तो विशिष्ट घूर्णन समय के साथ स्वतः परिवर्तित होकर एक स्थिर साम्यावस्था मान $+52.7^\circ$ पर स्थिर हो जाता है।

अपवृत्त शर्करा (Invert Sugar):

सुक्रोस ($C_{12}H_{22}O_{11}$) दक्षिणावर्ती (Dextrorotatory, $+66.5^\circ$) होता है।

• जल-अपघटन पर यह समान अणु D-(+)-ग्लूकोज ($+52.7^\circ$) तथा D-(-)-फ्रक्टोज ($-92.4^\circ$) देता है:

$$C_{12}H_{22}O_{11} + H_2O \xrightarrow{H^+} \underset{\text{D-(+)-ग्लूकोज (+52.7°)}}{C_6H_{12}O_6} + \underset{\text{D-(-)-फ्रक्टोज (-92.4°)}}{C_6H_{12}O_6}$$

• चूँकि फ्रक्टोज का वामावर्ती घूर्णन ($-92.4^\circ$) ग्लूकोज के दक्षिणावर्ती घूर्णन ($+52.7^\circ$) से अधिक शक्तिशाली है, अतः जल-अपघटन के पश्चात समस्त परिणामी मिश्रण वामावर्ती (Laevorotatory) हो जाता है!
• ध्रुवण घूर्णन का चिह्न दक्षिणावर्ती (+) से वामावर्ती (-) में उलट जाने (Inversion) के कारण इस जल-अपघटित मिश्रण को अपवृत्त शर्करा कहते हैं।

ऐमीनो अम्ल एवं ज्विटर आयन (Zwitterion):

ऐमीनो अम्लों में एक ही कार्बन पर क्षारीय ऐमीनो समूह ($-NH_2$) तथा अम्लीय कार्बोक्सिल समूह ($-COOH$) दोनों उपस्थित होते हैं:

$$R-CH(NH_2)-COOH$$

• ज्विटर आयन रूप: जलीय विलयन में कार्बोक्सिल समूह प्रोटॉन ($H^+$) त्यागता है और ऐमीनो समूह उस प्रोटॉन को ग्रहण कर लेता है। इसके फलस्वरूप एक द्विध्रुवीय आंतरिक लवण बनता है जिस पर धनावेश व ऋणावेश दोनों होते हैं:

$$R-CH(NH_3^+)-COO^- \quad (\text{Zwitterion - विद्युत उदासीन})$$

• इसी ज्विटर आयन स्वरूप के कारण ऐमीनो अम्ल उभयधर्मी (Amphoteric) होते हैं (अम्ल व क्षार दोनों से क्रिया करते हैं) तथा उच्च गलनांक वाले क्रिस्टलीय ठोस होते हैं।
• सम-विभव बिंदु (Isoelectric Point): वह विशिष्ट $pH$ मान जिस पर ऐमीनो अम्ल का ज्विटर आयन विद्युत क्षेत्र में न तो एनोड की ओर और न ही कैथोड की ओर गमन करता है।

पेप्टाइड आबंध (Peptide Linkage):

दो ऐमीनो अम्ल अणुओं के मध्य एक के $-COOH$ समूह तथा दूसरे के $-NH_2$ समूह के बीच जल ($H_2O$) के निष्कासन से बनने वाला एमाइड आबंध पेप्टाइड आबंध ($-CO-NH-$) कहलाता है:

$$H_2N-CH(R_1)-COOH + H_2N-CH(R_2)-COOH \rightarrow H_2N-CH(R_1)-\mathbf{CO-NH}-CH(R_2)-COOH + H_2O$$

प्रोटीन की संरचना के स्तर:

1. प्राथमिक संरचना (Primary Structure): पॉलिपेप्टाइड श्रृंखला में ऐमीनो अम्लों का विशिष्ट अनुक्रम (Sequence)। यह सहसंयोजी पेप्टाइड आबंधों द्वारा निर्धारित होती है।
2. द्वितीयक संरचना (Secondary Structure): हाइड्रोजन आबंधन द्वारा पॉलिपेप्टाइड का कुंडलन:
   • $\alpha$-हेलिक्स ($\u0007lpha$-Helix): एक ही श्रृंखला में अंतःआण्विक H-आबंध (जैसे किरेटिन - बाल, ऊन)।
   • $\beta$-प्लीटेड शीट ($\beta$-Pleated Sheet): समानांतर श्रृंखलाओं के मध्य अंतर-आण्विक H-आबंध (जैसे रेशम का फाइब्रोइन)।
3. तृतीयक संरचना (Tertiary Structure): द्वितीयक संरचना का त्रिविम वलन (Folding), जिससे गोलीय (Globular) तथा रेशेदार (Fibrous) प्रोटीन बनते हैं।
4. चतुष्क संरचना (Quaternary Structure): दो या अधिक पॉलिपेप्टाइड उप-इकाइयों की स्थानिक व्यवस्था (जैसे हीमोग्लोबिन)।

प्रोटीन का विकृतीकरण (Denaturation of Proteins):

जब किसी प्राकृतिक प्रोटीन को भौतिक परिवर्तनों (ताप में वृद्धि) अथवा रासायनिक परिवर्तनों ($pH$ में परिवर्तन) के अधीन किया जाता है, तो हाइड्रोजन आबंध टूट जाते हैं और कुंडलियां खुल जाती हैं।

• इसके फलस्वरूप प्रोटीन अपनी जैविक सक्रियता (Biological Activity) खो देता है।
• अत्यंत महत्वपूर्ण बिंदु: विकृतीकरण के दौरान द्वितीयक ($2^\circ$) एवं तृतीयक ($3^\circ$) संरचनाएं नष्ट हो जाती हैं, किंतु प्राथमिक संरचना (पेप्टाइड आबंधों का क्रम) पूरी तरह अप्रभावित रहती है!
• दैनिक उदाहरण: (1) अंडे को उबालने पर अंडे की सफेद जर्दी (एल्बुमिन) का स्कंदन होना, (2) दूध से दही का जमना (लैक्टोबैसिलस बैक्टीरिया द्वारा लैक्टिक अम्ल बनने से $pH$ घटना)।

न्यूक्लिक अम्ल न्यूक्लियोटाइडों के बहुलक (Polynucleotides) हैं, जो आनुवंशिक सूचनाओं के भंडारण, संचरण तथा प्रोटीन संश्लेषण के लिए उत्तरदायी हैं।

न्यूक्लियोटाइड के 3 घटक:

1. पेन्टोस शर्करा: $DNA$ में $\beta$-D-2-डिऑक्सीराइबोज तथा $RNA$ में $\beta$-D-राइबोज शर्करा होती है।
2. फॉस्फोरिक अम्ल ($H_3PO_4$): शर्करा के $C_5'$ तथा $C_3'$ के मध्य फॉस्फोडाइएस्टर आबंध (Phosphodiester linkage) बनाता है।
3. नाइट्रोजनी क्षारक:
   • प्यूरीन (Purines): एडेनिन ($A$) तथा ग्वानिन ($G$) [दोनों में उपस्थित]।
   • पिरिमिडीन (Pyrimidines): साइटोसिन ($C$) [दोनों में], थाइमिन ($T$) [केवल DNA में], तथा यूरेसिल ($U$) [केवल RNA में]।

$DNA$ बनाम $RNA$ तुलनात्मक सारणी:

वाटसन एवं क्रिक का $DNA$ द्विकुंडलिनी मॉडल:

1. $DNA$ अणु दो प्रति-समानांतर (Antiparallel, एक $5' \rightarrow 3'$ तथा दूसरा $3' \rightarrow 5'$) पॉलिन्यूक्लियोटाइड श्रृंखलाओं से बना होता है जो एक केंद्रीय अक्ष के चारों ओर दाईं ओर कुंडलित होती हैं।
2. शर्करा-फॉस्फेट श्रृंखला बाहर रीढ़ (Backbone) बनाती है और नाइट्रोजनी क्षारक अंदर की ओर व्यवस्थित होते हैं।
3. दो रज्जुकों के पूरक क्षारक विशिष्ट हाइड्रोजन आबंधों द्वारा जुड़े होते हैं:
   • एडेनिन ($A$) और थाइमिन ($T$) के मध्य 2 हाइड्रोजन आबंध ($A = T$)
   • ग्वानिन ($G$) और साइटोसिन ($C$) के मध्य 3 हाइड्रोजन आबंध ($G \equiv C$)

विटामिन वे आवश्यक कार्बनिक यौगिक हैं जो हमारे आहार में सूक्ष्म मात्रा में आवश्यक होते हैं, क्योंकि हमारा शरीर अधिकांश विटामिनों का संश्लेषण स्वयं नहीं कर सकता (विटामिन D को छोड़कर)।

विलेयता के आधार पर वर्गीकरण:

1. वसा में विलेय विटामिन (Fat-Soluble Vitamins - A, D, E, K):
   • ये वसा तथा तेलों में विलेय होते हैं किंतु जल में अविलेय होते हैं।
   • ये यकृत (Liver) तथा वसा ऊतकों (Adipose tissue) में संगृहीत रहते हैं, अतः इनकी अत्यधिक मात्रा हानिकारक (हाइपरविटामिनोसिस) हो सकती है।
2. जल में विलेय विटामिन (Water-Soluble Vitamins - B-कॉम्प्लेक्स एवं C):
   • ये जल में विलेय होते हैं और मूत्र के साथ शरीर से उत्सर्जित होते रहते हैं।
   • अतः इन्हें नियमित रूप से दैनिक आहार में लेना अनिवार्य है (विटामिन $B_{12}$ अपवाद है जो यकृत में संचित रहता है)।

प्रमुख विटामिनों की सारणी: