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WBB • कक्षा XII • Chemistry • अध्याय 5
अनुमानित समय: 45 Mins
प्रगति: अध्ययनरत

जैव अणु

जैव अणु (Biomolecules) वे जटिल कार्बनिक यौगिक हैं जो सजीवों के संरचनात्मक आधार, रासायनिक गतिविधियों और जीवन की निरंतरता का नियमन करते हैं। सरल मोनोसैकेराइड इकाइयों से लेकर वृहदाकार पॉलीन्यूक्लियोटाइड तक, जीवन का संपूर्ण रासायनिक चक्र चार प्रमुख जैव अणुओं द्वारा संचालित होता है: कार्बोहाइड्रेट, प्रोटीन, न्यूक्लिक अम्ल एवं लिपिड; जिनके साथ जैव उत्प्रेरक के रूप में एन्जाइम, विटामिन तथा हॉर्मोन सक्रिय भूमिका निभाते हैं। कार्बोहाइड्रेट ऊर्जा के मुख्य स्रोत तथा कोशिका की सहायक संरचना का निर्माण करते हैं, जिसका प्रत्यक्ष प्रमाण ग्लूकोस की चक्रीय हेमीऐसीटैल पायरानोस संरचना, परिवर्ती ध्रुवण घूर्णन (mutarotation), डाइसैकेराइड में ग्लाइकोसिडी आबंध तथा स्टार्च व सेलुलोस की भिन्नता है। प्रोटीन ऐमीनो अम्लों के समतलीय पेप्टाइड आबंधों से निर्मित होकर चार जटिल स्तरों में व्यवस्थित होते हैं और ताप या अम्ल से विकृतीकरण प्रदर्शित करते हैं। डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक अम्ल (DNA) तथा राइबोन्यूक्लिक अम्ल (RNA) आनुवंशिक सूचनाओं के वाहक हैं, जो वाटसन-क्रिक द्विकुंडलिनी मॉडल और चारगाफ के नियमों के आधार पर कार्य करते हैं। पश्चिम बंगाल उच्च माध्यमिक शिक्षा परिषद (WBCHSE) कक्षा 12 रसायन विज्ञान के लिए यह अध्याय अत्यंत महत्वपूर्ण है।

यह अध्याय क्यों महत्वपूर्ण है

जैव अणुओं के रासायनिक संगठन और त्रिविम विन्यास की समझ आधुनिक आण्विक जीवविज्ञान, चिकित्सा शास्त्र, औषध निर्माण तथा जैव प्रौद्योगिकी की रीढ़ है। ग्लूकोस के चक्रीय वलय साम्यावस्था का ज्ञान रक्त में शर्करा स्तर (मधुमेह जांच) तथा फेहलिंग व टॉलेन परीक्षण के क्रियाविधि को स्पष्ट करता है। प्रोटीन की त्रिविम वलन तथा विकृतीकरण का सिद्धांत इंसुलिन के निर्माण, टीकों के संरक्षण तथा एंटीबॉडी क्रियाविधि को समझने में सहायता करता है। वाटसन-क्रिक मॉडल और पूरक क्षारक युग्मन के आधार पर DNA फिंगरप्रिंटिंग, आनुवंशिक अभियांत्रिकी (CRISPR) तथा आधुनिक mRNA टीकों का विकास संभव हुआ है। पोषण विज्ञान में वसा-विलेय तथा जल-विलेय विटामिनों का वर्गीकरण और बेरी-बेरी, स्कर्वी, रिकेट्स या प्रणाशी रक्ताल्पता (pernicious anemia) जैसे हीनताजन्य रोगों की रोकथाम अत्यंत आवश्यक है। बोर्ड परीक्षा में यह अध्याय संतुलित समीकरणों, संरचनात्मक प्रमाणों तथा बहुविकल्पीय प्रश्नों के लिए उच्च अंकदायी है।

अध्याय रूपरेखा एवं प्रगति

1 Module 1: कार्बोहाइड्रेट — वर्गीकरण...
2 Module 2: डाइसैकेराइड एवं पॉलीसैकेर...
3 Module 3: ऐमीनो अम्ल — ज्विटर आयन,...
4 Module 4: प्रोटीन — पेप्टाइड आबंध,...
5 Module 5: न्यूक्लिक अम्ल — DNA, RNA...
6 Module 6: एन्जाइम, विटामिन एवं हॉर्...

सम्पूर्ण सैद्धांतिक एवं वैचारिक अध्ययन

Module 1: कार्बोहाइड्रेट — वर्गीकरण, D/L-विन्यास एवं ग्लूकोस की संरचना

1. कार्बोहाइड्रेट की परिभाषा एवं वर्गीकरण

ऐतिहासिक रूप से कार्बोहाइड्रेट को कार्बन के हाइड्रेट मानकर सामान्य सूत्र Cx(H2O)y दिया गया था। परंतु आधुनिक रासायनिक परिभाषा के अनुसार कार्बोहाइड्रेट प्रकाशिक सक्रिय पॉलीहाइड्रॉक्सी ऐल्डिहाइड अथवा पॉलीहाइड्रॉक्सी कीटोन होते हैं, या वे पदार्थ होते हैं जो जल-अपघटन पर ऐसे उत्पाद देते हैं। रैम्नोस (C6H12O5) तथा डीऑक्सीराइबोस (C5H10O4) सामान्य सूत्र का पालन न करने पर भी कार्बोहाइड्रेट हैं; जबकि फॉर्मैल्डिहाइड (CH2O) तथा ऐसीटिक अम्ल (C2H4O2) सूत्र का पालन करने पर भी कार्बोहाइड्रेट नहीं हैं।

  • मोनोसैकेराइड (Monosaccharides): वे सरलतम कार्बोहाइड्रेट जिनका और अधिक सरल पॉलीहाइड्रॉक्सी इकाइयों में जल-अपघटन नहीं किया जा सकता (जैसे: ग्लूकोस, फ्रक्टोस, राइबोस)। कार्बन परमाणु संख्या व क्रियात्मक समूह के आधार पर इन्हें ऐल्डोट्रायोस, ऐल्डोहेक्सोस या कीटोहेक्सोस कहते हैं।
  • ऑलिगोसैकेराइड (Oligosaccharides): जल-अपघटन पर 2 से 10 मोनोसैकेराइड इकाइयां देते हैं। जैसे—डाइसैकेराइड (सुक्रोस, माल्टोस, लैक्टोस), ट्राइसैकेराइड (रैफिनोस)।
  • पॉलीसैकेराइड (Polysaccharides): जल-अपघटन पर अत्यधिक संख्या में मोनोसैकेराइड अणु देते हैं (जैसे: स्टार्च, सेलुलोस, ग्लाइकोजन)। ये स्वादहीन, जल में अविलेय होते हैं तथा 'नॉन-शुगर' कहलाते हैं।
  • अपचायक एवं अन-अपचायक शर्करा (Reducing vs Non-reducing): जिन शर्कराओं में ऐनोमरी कार्बन पर मुक्त हेमीऐसीटैल या हेमीकीटैल समूह उपस्थित होता है, वे टॉलेन अभिकर्मक तथा फेहलिंग विलयन को अपचयित करती हैं (सभी मोनोसैकेराइड, माल्टोस, लैक्टोस)। सुक्रोस में दोनों ऐनोमरी कार्बन बंधित होने के कारण यह अन-अपचायक शर्करा है।
2. D- एवं L-विन्यास (फिशर त्रिविम रसायन)

मोनोसैकेराइडों का आपेक्षिक विन्यास मानक संदर्भ ग्लिसरैल्डिहाइड के आधार पर निर्धारित किया जाता है। फिशर प्रक्षेप में सर्वाधिक ऑक्सीकृत कार्बन (C-1) को शीर्ष पर रखने पर पेनल्टीमेट असममित कार्बन (सर्वोच्च क्रमांक वाला काइरल कार्बन, हेक्सोस में C-5) पर –OH समूह की स्थिति देखी जाती है:

  • D-श्रेणी: C-5 काइरल कार्बन पर –OH समूह फिशर प्रक्षेप के दायीं ओर स्थित होता है। प्राकृतिक ग्लूकोस D-(+)-ग्लूकोस है।
  • L-श्रेणी: C-5 काइरल कार्बन पर –OH समूह बायीं ओर स्थित होता है। D एवं L परस्पर अनाध्यारोपणीय दर्पण प्रतिबिंब (प्रतिबिंबरूप / enantiomers) हैं।
  • महत्वपूर्ण बिंदु: D तथा L केवल त्रिविम विन्यास को दर्शाते हैं; इसका ध्रुवण घूर्णकता के चिन्ह [(+) दक्षिणावर्त या (−) वामावर्त] से कोई सीधा संबंध नहीं होता।
3. D-(+)-ग्लूकोस की विवृत श्रृंखला संरचना के रासायनिक प्रमाण

ग्लूकोस एक ऐल्डोहेक्सोस है जिसका अणुसूत्र C6H12O6 तथा विवृत संरचना HOCH2–(CHOH)4–CHO है। इसके पक्ष में प्रमाण:

अभिकर्मक एवं परिस्थितियाँ प्राप्त उत्पाद संरचनात्मक निष्कर्ष
HI / लाल P के साथ दीर्घकाल तक गर्म (Δ) n-हेक्सेन [CH3(CH2)4CH3] सिद्ध करता है कि सभी 6 कार्बन परमाणु एक सीधी अशाखित श्रृंखला में जुड़े हैं।
हाइड्रॉक्सिलऐमीन (NH2OH) ग्लूकोस ऑक्सिम [CH(=NOH)–(CHOH)4–CH2OH] अणु में कार्बोनिल समूह (>C=O) की उपस्थिति पुष्ट करता है।
हाइड्रोजन सायनाइड (HCN) ग्लूकोस साइनोहाइड्रिन इलेक्ट्रॉनरागी कार्बोनिल समूह पर नाभिकरागी योग का प्रमाण।
ब्रोमीन जल (मृदु ऑक्सीकारक) ग्लूकोनिक अम्ल [HOOC–(CHOH)4–CH2OH] कार्बोनिल समूह ऐल्डिहाइड (–CHO) है, क्योंकि मृदु ऑक्सीकारक कीटोन को ऑक्सीकृत नहीं करता।
ऐसीटिक ऐनहाइड्राइड / पिरिडीन ग्लूकोस पेन्टाऐसीटेट 5 –OH समूहों की उपस्थिति दर्शाता है; यौगिक स्थायी होने के कारण 5 –OH भिन्न 5 कार्बनों पर स्थित हैं।
सांद्र नाइट्रिक अम्ल (सांद्र HNO3) सैकैरिक अम्ल / ग्लूकेरिक अम्ल [HOOC–(CHOH)4–COOH] सिरे पर प्राथमिक ऐल्कोहॉलिक समूह (–CH2OH) की उपस्थिति प्रमाणित करता है।
4. विवृत श्रृंखला की सीमाएं, चक्रीय हॉवर्थ पायरानोस संरचना एवं परिवर्ती ध्रुवण घूर्णन

विवृत ऐल्डिहाइड संरचना निम्नलिखित प्रयोगात्मक तथ्यों की व्याख्या करने में असमर्थ रही:

  1. –CHO समूह होने के उपरांत भी ग्लूकोस शिफ अभिकर्मक के साथ गुलाबी रंग नहीं देता तथा NaHSO3 के साथ योगोत्पाद नहीं बनाता।
  2. ग्लूकोस पेन्टाऐसीटेट हाइड्रॉक्सिलऐमीन के साथ क्रिया नहीं करता, जो पेन्टाऐसीटेट में मुक्त –CHO की अनुपस्थिति दर्शाता है।
  3. ग्लूकोस दो भिन्न क्रिस्टलीय रूपों में पाया जाता है: α-D-ग्लूकोस (गलनांक 419 K, [α]D = +112°) तथा β-D-ग्लूकोस (गलनांक 423 K, [α]D = +19°)।

इन सीमाओं को दूर करने के लिए टॉलेन्स ने प्रस्तावित किया कि C-5 –OH समूह C-1 कार्बोनिल कार्बन के साथ आंतरिक योग कर 6-सदस्यीय चक्रीय हेमीऐसीटैल बनाता है, जिसे पायरान वलय के सादृश्य पर ग्लूकोपायरानोस कहते हैं।

  • ऐनोमरी कार्बन (C-1) एवं ऐनोमर: वलय निर्माण से अ-काइरल C-1 नया काइरल केंद्र बन जाता है।
    • α-D-ग्लूकोपायरानोस: हॉवर्थ प्रक्षेप में C-1 का –OH समूह नीचे की ओर (C-5 के –CH2OH से trans) होता है।
    • β-D-ग्लूकोपायरानोस: C-1 का –OH समूह ऊपर की ओर (C-5 के –CH2OH से cis) होता है। कुर्सी रूप में सभी बड़े समूह निरक्षीय (equatorial) होने के कारण β-रूप अधिक स्थायी है।
  • परिवर्ती ध्रुवण घूर्णन (Mutarotation): जब शुद्ध α-D-ग्लूकोस ([α]D = +112°) अथवा शुद्ध β-D-ग्लूकोस ([α]D = +19°) का जलीय विलयन रखा जाता है, तो समय के साथ इसका विशिष्ट घूर्णन परिवर्तित होकर अंततः साम्यावस्था मान +52.7° पर स्थिर हो जाता है। वलय के खुलने तथा विवृत श्रृंखला (<0.02%) के माध्यम से यह साम्यावस्था प्राप्त होती है, जिसमें लगभग 36% α-रूप तथा 64% β-रूप उपस्थित रहता है।
5. D-(−)-फ्रक्टोस एवं लोब्री डी ब्रुइन पुनर्विन्यास

D-(−)-फ्रक्टोस अणुसूत्र C6H12O6 युक्त एक कीटोहेक्सोस है। इसके C-2 पर कीटोनिक समूह होता है। यह C-2 तथा C-5 –OH के योग से 5-सदस्यीय फ्यूरानोस वलय बनाता है।

महत्वपूर्ण बोर्ड तथ्य — कीटोन होने पर भी फ्रक्टोस टॉलेन व फेहलिंग अभिकर्मक को अपचयित क्यों करता है?

परीक्षण के क्षारीय माध्यम में फ्रक्टोस एक मध्यवर्ती ईनडाईऑल (enediol) के माध्यम से चलावयवता प्रदर्शित कर D-ग्लूकोस तथा D-मैनोस में रूपांतरित हो जाता है। इसे लोब्री डी ब्रुइन-अल्बर्डा वैन एकेंस्टीन पुनर्विन्यास कहते हैं। उत्पन्न ऐल्डोस में मुक्त –CHO समूह होने से यह टॉलेन व फेहलिंग अभिकर्मक को अपचयित कर देता है।

Module 2: डाइसैकेराइड एवं पॉलीसैकेराइड — ग्लाइकोसिडी आबंध एवं प्रतीप शर्करा

1. ग्लाइकोसिडी आबंध (Glycosidic Linkage)

दो मोनोसैकेराइड इकाइयां जल के एक अणु के विलोपन द्वारा जिस ऑक्साइड आबंध के माध्यम से परस्पर जुड़ती हैं, उसे ग्लाइकोसिडी आबंध कहते हैं। यह एक शर्करा के ऐनोमरी –OH समूह तथा दूसरी शर्करा के –OH समूह के संघनन से बनता है।

2. प्रमुख डाइसैकेराइड: सुक्रोस, माल्टोस एवं लैक्टोस
डाइसैकेराइड मोनोसैकेराइड इकाइयाँ ग्लाइकोसिडी आबंध अपचायक प्रकृति परिवर्ती घूर्णन
सुक्रोस (C12H22O11) α-D-ग्लूकोस + β-D-फ्रक्टोस ग्लूकोस का C-1 → फ्रक्टोस का C-2 (α-1 → β-2) अन-अपचायक शर्करा अनुपस्थित
माल्टोस (C12H22O11) α-D-ग्लूकोस + α-D-ग्लूकोस प्रथम का C-1 → द्वितीय का C-4 (α-1 → 4) अपचायक शर्करा उपस्थित
लैक्टोस (C12H22O11) β-D-गैलैक्टोस + β-D-ग्लूकोस गैलैक्टोस का C-1 → ग्लूकोस का C-4 (β-1 → 4) अपचायक शर्करा उपस्थित
3. इक्षु शर्करा का प्रतीपन एवं प्रतीप शर्करा (Inversion of Cane Sugar)

सुक्रोस प्राकृतिक रूप से दक्षिणावर्त (Dextrorotatory) होता है, जिसका विशिष्ट घूर्णन [α]D = +66.5° है। तनु खनिज अम्ल अथवा इन्वर्टेस एन्जाइम द्वारा जल-अपघटित होने पर यह सममोलर D-(+)-ग्लूकोस एवं D-(−)-फ्रक्टोस देता है:

C12H22O11 (+66.5°) + H2O → C6H12O6 [ग्लूकोस, +52.7°] + C6H12O6 [फ्रक्टोस, −92.4°]

चूंकि D-(−)-फ्रक्टोस के वामावर्त घूर्णन का मान (−92.4°) ग्लूकोस के दक्षिणावर्त मान (+52.7°) से कहीं अधिक होता है, अतः सममोलर मिश्रण का परिणामी विशिष्ट घूर्णन:

[α]D, मिश्रण = (+52.7° − 92.4°) / 2 = −19.85° (वामावर्त / Levorotatory)

घूर्णन का चिन्ह (+) से (−) में परिवर्तित होने के कारण इस जल-अपघटन को इक्षु शर्करा का प्रतीपन तथा प्राप्त मिश्रण को प्रतीप शर्करा (Invert Sugar) कहते हैं (शहद इसका प्राकृतिक उदाहरण है)।

4. पॉलीसैकेराइड: स्टार्च, सेलुलोस एवं ग्लाइकोजन
  • स्टार्च (Starch): पादपों का मुख्य संचित भोजन। दो घटकों से निर्मित:
    • ऐमिलोस (15–20%): जल में विलेय। 200 से 1000 α-D-ग्लूकोस इकाइयां केवल α-1 → 4 ग्लाइकोसिडी आबंधों द्वारा जुड़ी अशाखित सर्पिलाकार श्रृंखला बनाती हैं। यह आयोडीन (I2) के साथ गहरा नीला रंग देता है।
    • ऐमिलोपेक्टिन (80–85%): जल में अविलेय शाखित बहुलक। मुख्य श्रृंखला में α-1 → 4 आबंध होते हैं तथा प्रत्येक 24 से 30 इकाइयों के अंतराल पर α-1 → 6 आबंधों द्वारा शाखाएं निकलती हैं। यह आयोडीन के साथ लाल-बैंगनी रंग देता है।
  • सेलुलोस (Cellulose): पादप कोशिका भित्ति का प्रमुख घटक तथा पृथ्वी पर सर्वाधिक पाया जाने वाला जैव अणु। यह β-D-ग्लूकोस इकाइयों का पूर्णतः अशाखित बहुलक है जो केवल β-1 → 4 ग्लाइकोसिडी आबंधों द्वारा बनता है।
    • दृढ़ संरचना: β-आबंध के कारण वलय 180° घूमकर व्यवस्थित होते हैं तथा व्यापक हाइड्रोजन आबंधों द्वारा अत्यधिक मजबूत माइक्रोफाइब्रिल बनाते हैं।
    • मानव पाचन: मानव पाचन तंत्र में β-आबंध को तोड़ने वाला एन्जाइम सेल्युलेस अनुपस्थित होने के कारण मनुष्य सेलुलोस का पाचन नहीं कर सकता।
  • ग्लाइकोजन (Glycogen - जंतु स्टार्च): जंतुओं के यकृत तथा पेशियों में संचित शर्करा। यह ऐमिलोपेक्टिन के समान परंतु उससे भी अधिक सघन शाखित (प्रत्येक 8 से 12 इकाइयों पर शाखा) होता है। आवश्यकता पड़ने पर यह तत्काल ग्लूकोस में विखंडित होता है।

Module 3: ऐमीनो अम्ल — ज्विटर आयन, समविभव बिंदु (pI) एवं वर्गीकरण

1. α-ऐमीनो अम्लों की संरचना एवं वर्गीकरण

वे कार्बनिक यौगिक जिनमें एक क्षारीय ऐमीनो समूह (–NH2) तथा एक अम्लीय कार्बोक्सिलिक समूह (–COOH) दोनों उपस्थित होते हैं, ऐमीनो अम्ल कहलाते हैं। प्रोटीन में पाए जाने वाले सभी ऐमीनो अम्ल α-ऐमीनो अम्ल होते हैं, जिनमें दोनों समूह एक ही α-कार्बन से जुड़े होते हैं:

R–CH(NH2)–COOH
  • ध्रुवण घूर्णकता एवं L-विन्यास: केवल ग्लाइसिन (R = H) को छोड़कर सभी प्राकृतिक α-ऐमीनो अम्ल प्रकाशिक सक्रिय होते हैं। प्रोटीन के सभी प्राकृतिक ऐमीनो अम्ल L-श्रेणी के होते हैं (फिशर प्रक्षेप में –COOH शीर्ष पर होने पर –NH2 बायीं ओर होता है)।
  • पोषण संबंधी वर्गीकरण:
    • आवश्यक ऐमीनो अम्ल (10): मानव शरीर में संश्लेषित नहीं हो सकते, आहार द्वारा लेना अनिवार्य है: वैलीन, ल्यूसीन, आइसोल्यूसीन, फेनिलऐलानिन, ट्रिप्टोफैन, मेथियोनीन, थ्रिओनीन, लाइसीन, हिस्टिडीन, आर्जीनीन।
    • अनावश्यक ऐमीनो अम्ल (10): मानव शरीर में उपापचयी क्रियाओं द्वारा निर्मित होते हैं: ग्लाइसिन, ऐलानिन, सेरीन, सिस्टीन, ऐस्पार्टिक अम्ल, ग्लूटैमिक अम्ल, आदि।
  • अम्ल-क्षार प्रकृति:
    • उदासीन: –NH2 एवं –COOH की संख्या समान (ग्लाइसिन, ऐलानिन)।
    • अम्लीय: –COOH समूह अधिक (ऐस्पार्टिक अम्ल, ग्लूटैमिक अम्ल)।
    • क्षारीय: –NH2 समूह अधिक (लाइसीन, आर्जीनीन, हिस्टिडीन)।
2. ज्विटर आयन संरचना एवं उभयधर्मी व्यवहार

जलीय विलयन में ऐमीनो अम्ल आंतरिक उदासीनीकरण करते हैं। अम्लीय –COOH समूह एक प्रोटॉन त्यागता है जिसे क्षारीय –NH2 ग्रहण कर लेता है, जिससे एक द्विध्रुवीय आंतरिक आयन बनता है जिसे ज्विटर आयन (Zwitterion) कहते हैं:

H2N–CH(R)–COOH ↔ H3N+–CH(R)–COO− (ज्विटर आयन, कुल आवेश = 0)

लवण सदृश द्विध्रुवीय संरचना के कारण ऐमीनो अम्ल उच्च गलनांक वाले क्रिस्टलीय ठोस होते हैं तथा जल में विलेय परंतु कार्बनिक विलायकों में अविलेय होते हैं। ज्विटर आयन उभयधर्मी व्यवहार प्रदर्शित करता है:

  • अम्लीय माध्यम में (कम pH): –COO− प्रोटॉन ग्रहण कर धनायन [H3N+–CH(R)–COOH] बनाता है जो वैद्युत क्षेत्र में कैथोड की ओर गमन करता है।
  • क्षारीय माध्यम में (अधिक pH): –NH3+ प्रोटॉन त्यागकर ऋणायन [H2N–CH(R)–COO−] बनाता है जो ऐनोड की ओर गमन करता है।
3. समविभव बिंदु (Isoelectric Point, pI)

वह निश्चित pH जिस पर ऐमीनो अम्ल का कुल परिणामी आवेश शून्य होता है तथा वैद्युत क्षेत्र में किसी भी इलेक्ट्रोड की ओर कोई गमन नहीं होता, उस pH को ऐमीनो अम्ल का समविभव बिंदु (pI) कहते हैं।

उदासीन ऐमीनो अम्ल हेतु: pI = (pKa1 + pKa2) / 2

उदाहरणार्थ, ग्लाइसिन का pI = (2.34 + 9.60)/2 = 5.97। समविभव बिंदु पर ऐमीनो अम्ल की जल-विलेयता न्यूनतम होती है।

4. निनहाइड्रिन परीक्षण

ऐमीनो अम्ल को निनहाइड्रिन के साथ गर्म करने पर ऑक्सीकारी विअमीनीकरण होता है तथा तीव्र बैंगनी-नीला संकुल बनता है जिसे रुहमान्स पर्पल (Ruhemann's purple) कहते हैं।

अपवाद:

प्रोलिन तथा 4-हाइड्रॉक्सीप्रोलिन में द्वितीयक ऐमीनो (इमीनो) समूह होने के कारण ये निनहाइड्रिन के साथ बैंगनी के स्थान पर पीला रंग देते हैं।

Module 4: प्रोटीन — पेप्टाइड आबंध, संरचना के 4 स्तर एवं विकृतीकरण

1. पेप्टाइड आबंध एवं समतलीय अनुनाद

प्रोटीन α-ऐमीनो अम्लों के बहुलक होते हैं जो परस्पर पेप्टाइड आबंध (–CO–NH–) द्वारा जुड़े रहते हैं। यह एक ऐमीनो अम्ल के –COOH तथा दूसरे के –NH2 के मध्य जल अणु निकलने से बनता है:

H2N–CH(R1)–COOH + H2N–CH(R2)–COOH → H2N–CH(R1)–CO–NH–CH(R2)–COOH + H2O
  • अनुनाद व समतलीयता: नाइट्रोजन के एकाकी युग्म के कार्बोनिल समूह के साथ अनुनाद के कारण C–N आबंध में लगभग 40% द्वि-आबंध लक्षण आ जाता है (आबंध लंबाई 1.32 Å)। इससे आबंध के परितः मुक्त घूर्णन अवरुद्ध हो जाता है तथा पेप्टाइड इकाई के परमाणु समतलीय trans रूप में स्थिर रहते हैं।
  • पेप्टाइड बनाम प्रोटीन: 10 से 100 ऐमीनो अम्ल युक्त श्रृंखला पॉलीपेप्टाइड कहलाती है। 100 से अधिक ऐमीनो अम्ल तथा 10,000 u से अधिक आण्विक द्रव्यमान वाले बहुलक प्रोटीन कहलाते हैं (अपवाद: इंसुलिन में 51 ऐमीनो अम्ल तथा 5733 u द्रव्यमान होने पर भी सुस्पष्ट त्रिविम संरचना के कारण यह प्रोटीन है)।
2. आण्विक आकृति के आधार पर प्रोटीन का वर्गीकरण
लक्षण रेशेदार प्रोटीन (Fibrous) गोलिकाकार प्रोटीन (Globular)
आण्विक आकृति पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएं समानांतर रहकर लंबे रेशे बनाती हैं। श्रृंखलाएं कुंडलित होकर गोलाकार या अंडाकार रूप ले लेती हैं।
जल-विलेयता जल में पूर्णतः अविलेय। जल तथा तनु लवण विलयन में विलेय।
स्थायित्वकारी बल प्रबल अंतरा-आण्विक हाइड्रोजन आबंध व डाइसल्फाइड बंध। अंतःआण्विक H-आबंध, आयनिक लवण सेतु, जलविरोधी बल।
जैविक कार्य संरचनात्मक यांत्रिक आधार व सुरक्षा। जैव उत्प्रेरण (एन्जाइम), परिवहन (हीमोग्लोबिन), हॉर्मोन।
प्रमुख उदाहरण α-किरेटिन (बाल, नाखून), कोलेजन (हड्डी, टेंडन), मायोसिन। सीरम ऐल्बुमिन, हीमोग्लोबिन, इंसुलिन, पेप्सिन।
3. प्रोटीन संरचना के चार स्तर (1° से 4°)
  • 1. प्राथमिक (1°) संरचना: पेप्टाइड आबंधों द्वारा जुड़े ऐमीनो अम्लों का विशिष्ट रैखिक अनुक्रम। यह आनुवंशिक रूप से निर्धारित होता है। एक भी ऐमीनो अम्ल बदलने से गंभीर विकृति हो सकती है (जैसे: सिकल सेल एनीमिया में हीमोग्लोबिन की β-श्रृंखला के 6वें स्थान पर ग्लूटैमिक अम्ल के स्थान पर वैलीन आ जाता है)।
  • 2. द्वितीयक (2°) संरचना: पॉलीपेप्टाइड रीढ़ का स्थानीय विन्यास, जो पेप्टाइड आबंध के >C=O तथा –NH– के मध्य हाइड्रोजन आबंध द्वारा स्थिर रहता है:
    • α-हेलिक्स: दक्षिणावर्त सर्पिल कुंडली। प्रत्येक n-वें ऐमीनो अम्ल का –NH– समूह n+4 वें ऐमीनो अम्ल के >C=O के साथ अंतःआण्विक H-आबंध बनाता है। प्रति घुमाव 3.6 ऐमीनो अम्ल होते हैं।
    • β-प्लीटेड शीट: पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएं पूर्णतः फैली रहकर एक-दूसरे के समानांतर स्थित होती हैं तथा अंतरा-आण्विक H-आबंधों द्वारा चादर की भांति जुड़ी रहती हैं (जैसे रेशम का फाइब्रोइन)।
  • 3. तृतीयक (3°) संरचना: द्वितीयक संरचना का संपूर्ण त्रिविम वलन जो प्रोटीन को सघन गोलिकाकार रूप देता है। यह 5 बलों द्वारा स्थिर रहता है: (i) डाइसल्फाइड आबंध (–S–S– सहसंयोजक), (ii) लवण सेतु (आयनिक आकर्षण), (iii) हाइड्रोजन आबंध, (iv) जलविरोधी बल (अध्रुवीय समूह भीतर सिमट जाते हैं), तथा (v) वान्डर वाल्स बल।
  • 4. चतुष्क (4°) संरचना: जब दो या दो से अधिक स्वतंत्र पॉलीपेप्टाइड उप-इकाइयां (protomers) परस्पर जुड़कर एक सक्रिय बहु-इकाई संकुल बनाती हैं। जैसे: वयस्क हीमोग्लोबिन एक α2β2 चतुष्टय है जिसमें 2 α-श्रृंखलाएं तथा 2 β-श्रृंखलाएं होती हैं।
4. प्रोटीन का विकृतीकरण (Denaturation of Proteins)

भौतिक परिवर्तन (ताप, विकिरण) अथवा रासायनिक परिवर्तन (pH परिवर्तन, यूरिया, भारी धातुएं) के प्रभाव से प्रोटीन की द्वितीयक, तृतीयक एवं चतुष्क संरचनाओं के दुर्बल आबंध टूट जाते हैं, कुंडलियां खुल जाती हैं तथा प्रोटीन अपनी जैविक सक्रियता खो बैठता है। इस प्रक्रम को प्रोटीन का विकृतीकरण कहते हैं।

अति महत्वपूर्ण बोर्ड तथ्य — प्राथमिक संरचना अक्षुण्ण रहती है:

विकृतीकरण के दौरान 2°, 3° तथा 4° संरचनाएं नष्ट हो जाती हैं, परंतु सहसंयोजक पेप्टाइड आबंध न टूटने के कारण प्राथमिक (1°) संरचना पूर्णतः अपरिवर्तित रहती है। उदाहरण: (1) अंडे को उबालने पर द्रव ऐल्बुमिन का श्वेत अघुलनशील ठोस में स्कंदन; (2) जीवाणुओं द्वारा लैक्टिक अम्ल बनाने से दूध का फटना तथा पनीर/दही बनना।

Module 5: न्यूक्लिक अम्ल — DNA, RNA, न्यूक्लियोटाइड एवं वाटसन-क्रिक मॉडल

1. न्यूक्लिक अम्ल के रासायनिक घटक

न्यूक्लिक अम्ल न्यूक्लियोटाइडों के बहुलक (पॉलीन्यूक्लियोटाइड) हैं जो आनुवंशिक सूचनाओं का भंडारण व प्रकटीकरण करते हैं। पूर्ण जल-अपघटन पर तीन घटक प्राप्त होते हैं:

  • पेन्टोस शर्करा:
    • β-D-2-डीऑक्सीराइबोस: DNA में उपस्थित (C-2' कार्बन पर ऑक्सीजन अनुपस्थित होती है)।
    • β-D-राइबोस: RNA में उपस्थित (C-2' एवं C-3' दोनों पर –OH उपस्थित)।
  • नाइट्रोजनी क्षारक: विषमचक्रीय ऐरोमैटिक यौगिक:
    • प्यूरीन (द्वि-वलयी): ऐडेनीन (A) तथा ग्वानीन (G) — DNA व RNA दोनों में।
    • पिरिमिडीन (एक-वलयी): साइटोसीन (C) दोनों में; थायमीन (T) केवल DNA में; यूरैसिल (U) केवल RNA में।
  • फॉस्फोरिक अम्ल (H3PO4): एस्टर आबंध बनाकर श्रृंखला को जोड़ता है।
2. न्यूक्लियोसाइड बनाम न्यूक्लियोटाइड तथा 3',5'-फॉस्फोडाइएस्टर आबंध
लक्षण न्यूक्लियोसाइड न्यूक्लियोटाइड
संघटन पेन्टोस शर्करा + नाइट्रोजनी क्षारक पेन्टोस शर्करा + नाइट्रोजनी क्षारक + फॉस्फेट समूह
आबंध शर्करा के C-1' से क्षारक का N-ग्लाइकोसिडी आबंध। N-ग्लाइकोसिडी आबंध + C-5' –OH पर फॉस्फोएस्टर आबंध।
उदाहरण ऐडीनोसिन, ग्वानोसिन, साइटिडीन, डीऑक्सीथाइमिडीन। ऐडिनिलिक अम्ल (AMP), dGMP, ATP।

पॉलीन्यूक्लियोटाइड श्रृंखला में निकटवर्ती न्यूक्लियोटाइड परस्पर 3',5'-फॉस्फोडाइएस्टर आबंधों द्वारा जुड़ते हैं: एक शर्करा का 3'-OH समूह अगले न्यूक्लियोटाइड के 5'-फॉस्फेट समूह के साथ एस्टर बंध बनाता है।

3. वाटसन-क्रिक का DNA द्विकुंडलिनी मॉडल (B-DNA)
  1. प्रतिसमांतर कुंडलित रज्जुक: DNA में दो पॉलीन्यूक्लियोटाइड रज्जुक एक केंद्रीय अक्ष के चारों ओर दक्षिणावर्त द्विकुंडलिनी बनाते हैं। दोनों रज्जुक विपरीत ध्रुवता रखते हैं (एक 5'→3' दिशा में, दूसरा 3'→5' दिशा में)।
  2. पूरक क्षारक युग्मन: क्षारक भीतर की ओर स्थित होते हैं। एक प्यूरीन सदैव एक विशिष्ट पिरिमिडीन से H-आबंधों द्वारा जुड़ता है:
    • ऐडेनीन एवं थायमीन: 2 हाइड्रोजन आबंधों द्वारा जुड़े रहते हैं (A = T)।
    • ग्वानीन एवं साइटोसीन: 3 हाइड्रोजन आबंधों द्वारा जुड़े रहते हैं (G ≡ C)। 3 आबंधों के कारण GC-प्रचुर DNA अधिक ऊष्मा-स्थायी होता है।
  3. विमाएँ:
    • द्विकुंडलिनी का व्यास = 20 Å (2.0 nm)।
    • पिच (एक पूर्ण घुमाव की लंबाई) = 34 Å (3.4 nm)।
    • प्रति घुमाव क्षारक युग्मों की संख्या = 10 युग्म।
    • दो उत्तरोत्तर क्षारक युग्मों के मध्य दूरी = 34 / 10 = 3.4 Å (0.34 nm)।
  4. चारगाफ के नियम (Chargaff's Rules): किसी भी द्विरज्जुकी DNA में:
    • प्यूरीन की कुल मात्रा पिरिमिडीन के बराबर होती है: [A] + [G] = [T] + [C]।
    • ऐडेनीन व थायमीन का अनुपात एक होता है: [A]/[T] = 1; तथा ग्वानीन व साइटोसीन का अनुपात एक होता है: [G]/[C] = 1। एकल रज्जुकी RNA पर यह नियम लागू नहीं होता।

Module 6: एन्जाइम, विटामिन एवं हॉर्मोन — उत्प्रेरण, हीनता सारणी व वर्गीकरण

1. एन्जाइम: जैव उत्प्रेरक एवं क्रियाविधि

एन्जाइम विशिष्ट जैविक उत्प्रेरक हैं जो सजीव कोशिकाओं में रासायनिक अभिक्रियाओं की दर को 106 से 1012 गुना तक बढ़ा देते हैं। राइबोजाइम को छोड़कर सभी एन्जाइम गोलिकाकार प्रोटीन होते हैं।

  • क्रियाविधि: एन्जाइम अभिक्रिया की सक्रियण ऊर्जा (Ea) को घटाकर दर बढ़ाते हैं। ये कुल मुक्त ऊर्जा परिवर्तन (ΔG) या साम्य स्थिरांक को प्रभावित नहीं करते।
  • विशिष्टता: एन्जाइम अत्यधिक विशिष्ट होते हैं (ताला-चाबी मॉडल)। उदाहरण: यूरिएस केवल यूरिया का जल-अपघटन करता है, मेथिलयूरिया पर कोई क्रिया नहीं करता।
  • सह-कारक: कई एन्जाइमों की सक्रियता के लिए अप्रोटिन भाग की आवश्यकता होती है (जैसे विटामिन से प्राप्त NAD+, FAD अथवा धातु आयन Zn2+, Mg2+)।
2. विटामिन: वर्गीकरण एवं हीनताजन्य रोगों की सम्पूर्ण सारणी
विटामिन एवं रासायनिक नाम विलेयता वर्ग प्रमुख स्रोत हीनताजन्य रोग एवं लक्षण
विटामिन A (रेटिनॉल) वसा-विलेय (Fat-Soluble) गाजर, कॉड लिवर तेल, मक्खन, दूध रतौंधी (Night Blindness), जीरोफ्थैल्मिया (कॉर्निया का सूखना)।
विटामिन B1 (थायमीन) जल-विलेय (Water-Soluble) खमीर, बिना पॉलिश चावल, दालें बेरी-बेरी (पॉलीन्यूराइटिस, पेशियों का क्षय, कमजोरी)।
विटामिन B2 (राइबोफ्लेविन) जल-विलेय दूध, अंडे की सफेदी, यकृत चिलोसिस (होठों के कोनों का फटना), जीभ में सूजन।
विटामिन B3 (नियासिन / निकोटिनिक अम्ल) जल-विलेय मांस, मछली, खमीर, अनाज पेलाग्रा (त्वचा रोग, अतिसार, स्मृतिलोप)।
विटामिन B12 (सायनोकोबैलामिन) जल-विलेय (यकृत में संचित) मांस, मछली, अंडा, पनीर (पादपों में नहीं) प्रणाशी रक्ताल्पता (Pernicious Anemia, RBC की भारी कमी)।
विटामिन C (ऐस्कॉर्बिक अम्ल) जल-विलेय आंवला, नींबू, संतरा, हरी मिर्च स्कर्वी (मसूड़ों से रक्त आना, दांत हिलना, घाव भरने में देरी)।
विटामिन D (कैल्सीफेरॉल) वसा-विलेय सूर्य का प्रकाश, मछली का तेल, अंडे की जर्दी बच्चों में रिकेट्स (हड्डियों का मुड़ना), वयस्कों में अस्थिमृदुता।
विटामिन E (टोकोफेरॉल) वसा-विलेय गेहूं के अंकुर का तेल, वनस्पति तेल, बादाम जनन क्षमता में कमी (बांझपन), RBC की भंगुरता में वृद्धि।
विटामिन K (फाइलोक्विनोन) वसा-विलेय हरी पत्तेदार सब्जियां (पालक, पत्तागोभी) रक्त का थक्का बनने में देरी, अत्यधिक रक्तस्राव (Hemorrhage)।
संचय एवं विसर्जन नियम:

वसा-विलेय विटामिन (A, D, E, K) यकृत तथा वसीय ऊतकों में संचित रहते हैं। इनकी अत्यधिक मात्रा विषाक्तता (Hypervitaminosis) उत्पन्न कर सकती है।
जल-विलेय विटामिन (B-कॉम्प्लेक्स एवं C) मूत्र द्वारा शरीर से नियमित विसर्जित होते रहते हैं और संचित नहीं किए जा सकते (अपवाद: विटामिन B12 यकृत में संचित रहता है)। अतः इन्हें दैनिक आहार में ग्रहण करना अनिवार्य है। इसके अलावा, पकाने के ताप से विटामिन C आसानी से नष्ट हो जाता है।

3. हॉर्मोन: रासायनिक संदेशवाहक

हॉर्मोन अंतःस्रावी ग्रंथियों द्वारा सीधे रक्त में स्रावित होने वाले रासायनिक संदेशवाहक हैं जो लक्ष्य अंगों की क्रियाओं को नियंत्रित करते हैं। रासायनिक आधार पर:

  • स्टेरॉयड हॉर्मोन: स्टेरॉयड वलय युक्त (जैसे: कोर्टिसोन, टेस्टोस्टेरोन, एस्ट्रोजन, प्रोजेस्टेरोन)।
  • पेप्टाइड एवं प्रोटीन हॉर्मोन: अग्न्याशय की β-कोशिकाओं से स्रावित इंसुलिन (रक्त शर्करा कम करता है; कमी से मधुमेह होता है), ग्लूकागॉन, ऑक्सीटोसिन।
  • ऐमीन व्युत्पन्न हॉर्मोन: थाइरॉयड ग्रंथि का थायरोक्सिन (उपापचय दर BMR नियंत्रित करता है; कमी से घेंघा रोग होता है), ऐड्रिनैलिन।

महत्वपूर्ण रासायनिक सूत्र, अभिक्रियाएँ एवं समीकरण

विशिष्ट ध्रुवण घूर्णन एवं परिवर्ती घूर्णन सूत्र
विशिष्ट घूर्णन का सूत्र जहाँ αobs प्रेक्षित कोण, l डेसीमीटर में नलिका की लंबाई तथा c g/mL में सांद्रता है। ग्लूकोस का α-ऐनोमर (+112°) तथा β-ऐनोमर (+19°) साम्यावस्था पर +52.7° पर स्थिर हो जाते हैं (36% α एवं 64% β)।
इक्षु शर्करा प्रतीपन एवं प्रतीप शर्करा का परिणामी घूर्णन
इक्षु शर्करा का प्रतीपन: दक्षिणावर्त सुक्रोस ([α]D = +66.5°) जल-अपघटन पर सममोलर ग्लूकोस व फ्रक्टोस देता है। फ्रक्टोस का प्रबल वामावर्त मान (-92.4°) प्रभावी होकर विलयन को वामावर्ती (-19.85°) प्रतीप शर्करा में बदल देता है।
ऐमीनो अम्ल का समविभव बिंदु (pI)
वह निश्चित pH जिस पर ज्विटर आयन का परिणामी आवेश शून्य होता है। pH < pI पर यह धनायन के रूप में कैथोड की ओर तथा pH > pI पर ऋणायन के रूप में ऐनोड की ओर गमन करता है।
द्विरज्जुकी DNA हेतु चारगाफ का तुल्यता नियम
पूरक क्षारक युग्मन के कारण द्विरज्जुकी DNA में प्यूरीन की सांद्रता सदैव पिरिमिडीन के बराबर होती है (A=T 2 H-आबंध, G≡C 3 H-आबंध)। एकल रज्जुकी RNA पर लागू नहीं होता।
B-DNA द्विकुंडलिनी के ज्यामितीय माप
वाटसन-क्रिक B-DNA की संरचनात्मक विमाएँ: प्रति घुमाव 10 क्षारक युग्म, प्रतिसमांतर रज्जुक (5'→3' तथा 3'→5') 3',5'-फॉस्फोडाइएस्टर आबंधों द्वारा जुड़े रहते हैं।
पेप्टाइड आबंध का अनुनाद स्थायित्व
ऐमाइड अनुनाद के कारण C–N आबंध 40% द्वि-आबंध लक्षण (1.32 Å) प्राप्त कर लेता है, जो पेप्टाइड आबंध को दृढ़ एवं समतलीय trans रूप प्रदान करता है।

अवधारणात्मक हल उदाहरण एवं अनुप्रयोग (Solved Examples)

उदाहरण 1
D-ग्लूकोस की दो रासायनिक अभिक्रियाएं लिखिए जो सिद्ध करती हैं: (a) इसमें एक ऐल्डिहाइड (–CHO) समूह उपस्थित है, तथा (b) इसमें एक प्राथमिक ऐल्कोहॉलिक (–CH2OH) समूह उपस्थित है।
विस्तृत समाधान / उत्तर:

(a) ऐल्डिहाइड (–CHO) समूह की उपस्थिति का प्रमाण:
जब D-ग्लूकोस को मृदु ब्रोमीन जल [Br2 / H2O] से ऑक्सीकृत किया जाता है, तो केवल कार्बोनिल समूह कार्बोक्सिलिक अम्ल में बदलकर ग्लूकोनिक अम्ल बनाता है। मृदु ऑक्सीकारक कीटोन या प्राथमिक ऐल्कोहॉल को ऑक्सीकृत नहीं करते, जो सिद्ध करता है कि कार्बोनिल समूह एक ऐल्डिहाइड है:

CHO–(CHOH)4–CH2OH + [O] (Br2/जल) → HOOC–(CHOH)4–CH2OH (ग्लूकोनिक अम्ल)

(b) प्राथमिक ऐल्कोहॉलिक (–CH2OH) समूह की उपस्थिति का प्रमाण:
ग्लूकोस को प्रबल ऑक्सीकारक सांद्र नाइट्रिक अम्ल [सांद्र HNO3] द्वारा ऑक्सीकृत करने पर सिरा स्थित –CHO तथा –CH2OH दोनों समूह ऑक्सीकृत होकर डाइकार्बोक्सिलिक अम्ल सैकैरिक अम्ल (ग्लूकेरिक अम्ल) बनाते हैं। यह प्रमाणित करता है कि अंतिम कार्बन पर एक प्राथमिक ऐल्कोहॉलिक समूह है:

CHO–(CHOH)4–CH2OH + 3[O] (सांद्र HNO3) → HOOC–(CHOH)4–COOH (सैकैरिक अम्ल) + 2H2O
उदाहरण 2
'इक्षु शर्करा का प्रतीपन' (Inversion of cane sugar) से क्या तात्पर्य है? सुक्रोस के जल-अपघटन का संतुलित रासायनिक समीकरण तथा विशिष्ट घूर्णन मानों के आधार पर व्याख्या कीजिए।
विस्तृत समाधान / उत्तर:

परिभाषा: सुक्रोस का जलीय विलयन प्राकृतिक रूप से दक्षिणावर्त (+) होता है, परंतु जल-अपघटन के पश्चात प्राप्त उत्पाद मिश्रण वामावर्त (−) हो जाता है। घूर्णन के चिन्ह में इस परिवर्तन को इक्षु शर्करा का प्रतीपन तथा प्राप्त मिश्रण को प्रतीप शर्करा कहते हैं।

रासायनिक समीकरण:

C12H22O11 (सुक्रोस) + H2O → (H+ / इन्वर्टेस) → C6H12O6 [D-(+)-ग्लूकोस] + C6H12O6 [D-(−)-फ्रक्टोस]

विशिष्ट घूर्णन मानों द्वारा व्याख्या:

  • सुक्रोस का प्रारंभिक विशिष्ट घूर्णन: [α]D = +66.5° (दक्षिणावर्त)।
  • उत्पन्न D-(+)-ग्लूकोस का विशिष्ट घूर्णन: [α]D = +52.7° (दक्षिणावर्त)।
  • उत्पन्न D-(−)-फ्रक्टोस का विशिष्ट घूर्णन: [α]D = −92.4° (वामावर्त)।

चूंकि जल-अपघटन पर सममोलर (1:1) मिश्रण प्राप्त होता है और D-(−)-फ्रक्टोस के वामावर्त घूर्णन का परिमाण (-92.4°) ग्लूकोस के दक्षिणावर्त घूर्णन (+52.7°) से अधिक है, अतः मिश्रण का परिणामी घूर्णन:
[α]D, मिश्रण = (+52.7° − 92.4°) / 2 = −19.85° (वामावर्त)।
अतः विलयन का घूर्णन धनात्मक से ऋणात्मक हो जाता है।

उदाहरण 3
(a) ग्लाइसिन की ज्विटर आयन संरचना लिखिए। (b) अम्लीय तथा क्षारीय विलयन में ग्लाइसिन के उभयधर्मी व्यवहार को रासायनिक साम्यावस्थाओं द्वारा समझाइए। (c) समविभव बिंदु (pI = 5.97) पर वैद्युत कण संचलन कराने पर ग्लाइसिन किस इलेक्ट्रोड की ओर गमन करेगा?
विस्तृत समाधान / उत्तर:

(a) ग्लाइसिन का ज्विटर आयन रूप:

H3N+–CH2–COO− (कुल परिणामी आवेश = 0)

(b) जलीय विलयन में उभयधर्मी साम्यावस्था:

  • अम्लीय माध्यम में (कम pH < pI): कार्बोक्सिलेट समूह (–COO−) प्रोटॉन ग्रहण कर धनावेशित धनायन बनाता है:
    H3N+–CH2–COO− + H+ ↔ H3N+–CH2–COOH (धनायन)
  • क्षारीय माध्यम में (अधिक pH > pI): अमोनियम समूह (–NH3+) हाइड्रॉक्साइड आयन को प्रोटॉन दान कर ऋणावेशित ऋणायन बनाता है:
    H3N+–CH2–COO− + OH− ↔ H2N–CH2–COO− (ऋणायन) + H2O

(c) pI पर वैद्युत कण संचलन:
समविभव बिंदु (pI = 5.97) पर परिणामी वैद्युत आवेश शून्य होता है। अतः ग्लाइसिन किसी भी इलेक्ट्रोड (कैथोड या ऐनोड) की ओर गमन नहीं करेगा।

उदाहरण 4
(a) आण्विक आकृति, जल-विलेयता तथा जैविक कार्य के आधार पर रेशेदार तथा गोलिकाकार प्रोटीन में विभेद कीजिए (प्रत्येक का एक उदाहरण दीजिए)। [2 अंक] (b) प्रोटीन के विकृतीकरण से क्या अभिप्राय है? विकृतीकरण में प्रोटीन के कौन से स्तर नष्ट होते हैं और कौन सा स्तर अपरिवर्तित रहता है? [2 अंक]
विस्तृत समाधान / उत्तर:

(a) रेशेदार तथा गोलिकाकार प्रोटीन में तुलनात्मक अंतर:

गुण रेशेदार प्रोटीन (Fibrous) गोलिकाकार प्रोटीन (Globular)
आकृति पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएं समानांतर रहकर लंबे रेशे बनाती हैं। श्रृंखलाएं कुंडलित होकर गोलाकार रूप धारण करती हैं।
जल-विलेयता जल में पूर्णतः अविलेय। जल व तनु लवणों में विलेय।
जैविक कार्य व उदाहरण यांत्रिक सुरक्षा व संरचनात्मक आधार (उदा: α-किरेटिन)। जैव उत्प्रेरण, परिवहन व हॉर्मोन (उदा: हीमोग्लोबिन)।

(b) प्रोटीन का विकृतीकरण एवं संरचना स्तर:
भौतिक कारकों (ताप) या रासायनिक कारकों (pH परिवर्तन) के प्रभाव से सक्रिय प्रोटीन का त्रिविम विन्यास नष्ट होकर जैविक सक्रियता खोने का प्रक्रम विकृतीकरण कहलाता है।

  • नष्ट होने वाले स्तर: हाइड्रोजन आबंध व दुर्बल बल टूटने से द्वितीयक (2°), तृतीयक (3°) तथा चतुष्क (4°) संरचनाएं नष्ट हो जाती हैं।
  • अपरिवर्तित रहने वाला स्तर: सहसंयोजक पेप्टाइड आबंध न टूटने से प्राथमिक (1°) संरचना पूर्णतः सुरक्षित रहती है।
  • उदाहरण: उबलने पर अंडे की सफेदी का जमना।
उदाहरण 5
(a) न्यूक्लियोसाइड एवं न्यूक्लियोटाइड में अंतर स्पष्ट कीजिए। 3',5'-फॉस्फोडाइएस्टर आबंध के निर्माण को रेखांकित कीजिए। [2 अंक] (b) एक द्विरज्जुकी DNA अणु में 28% साइटोसीन उपस्थित है। चारगाफ के नियम की सहायता से ऐडेनीन, ग्वानीन तथा थायमीन का प्रतिशत परिकलित कीजिए। [2 अंक]
विस्तृत समाधान / उत्तर:

(a) न्यूक्लियोसाइड बनाम न्यूक्लियोटाइड:

  • न्यूक्लियोसाइड: पेन्टोस शर्करा और नाइट्रोजनी क्षारक C-1' पर N-ग्लाइकोसिडी आबंध द्वारा जुड़े होते हैं (उदा: ऐडीनोसिन)। इसमें फॉस्फेट नहीं होता।
  • न्यूक्लियोटाइड: जब न्यूक्लियोसाइड के C-5' –OH समूह पर फॉस्फेट समूह जुड़ जाता है (उदा: AMP)। न्यूक्लियोटाइड = न्यूक्लियोसाइड + फॉस्फेट।
  • 3',5'-फॉस्फोडाइएस्टर आबंध: एक न्यूक्लियोटाइड के 3'-OH तथा अगले न्यूक्लियोटाइड के 5'-फॉस्फेट के संघनन से बनता है:
    ... − शर्करा(3') − O − P(=O)(OH) − O − शर्करा(5') − ...

(b) चारगाफ के नियम अनुसार गणना:

द्विरज्जुकी DNA में चारगाफ के नियमानुसार:
1. ग्वानीन (G) का प्रतिशत साइटोसीन (C) के बराबर होता है: %G = %C।
दिया है %C = 28%, अतः: %G = 28%।

2. कुल (G + C) = 28% + 28% = 56%।
3. शेष प्रतिशत ऐडेनीन (A) तथा थायमीन (T) का होगा:
%A + %T = 100% − 56% = 44%।

4. चूंकि %A = %T, अतः:
%A = 44% / 2 = 22% तथा %T = 44% / 2 = 22%।
उत्तर: ग्वानीन = 28%, ऐडेनीन = 22%, थायमीन = 22%।

उदाहरण 6
(a) D-(+)-ग्लूकोस की निम्नलिखित अभिकर्मकों के साथ अभिक्रियाओं के रासायनिक समीकरण लिखिए तथा उत्पादों के नाम दीजिए: (i) HCN, (ii) हाइड्रॉक्सिलऐमीन (NH2OH), तथा (iii) ऐसीटिक ऐनहाइड्राइड [(CH3CO)2O]। [3 अंक] (b) विटामिन C मानव शरीर में संचित क्यों नहीं रह सकता, जबकि विटामिन A संचित रहता है? प्रत्येक के हीनताजन्य रोग का नाम लिखिए। [2 अंक]
विस्तृत समाधान / उत्तर:

(a) D-ग्लूकोस की अभिक्रियाएं एवं उत्पाद:

  1. HCN के साथ अभिक्रिया: ऐल्डिहाइड समूह पर नाभिकरागी योग से साइनोहाइड्रिन बनता है:
    CHO–(CHOH)4–CH2OH + HCN → CH(OH)(CN)–(CHOH)4–CH2OH (ग्लूकोस साइनोहाइड्रिन)
  2. हाइड्रॉक्सिलऐमीन के साथ अभिक्रिया: कार्बोनिल समूह के साथ संघनन से जल निकलकर ऑक्सिम बनता है:
    CHO–(CHOH)4–CH2OH + NH2OH → CH(=N–OH)–(CHOH)4–CH2OH (ग्लूकोस ऑक्सिम) + H2O
  3. ऐसीटिक ऐनहाइड्राइड के साथ अभिक्रिया: 5 –OH समूहों का ऐसीटिलीकरण होकर पेन्टाऐसीटेट बनता है:
    CHO–(CHOH)4–CH2OH + 5(CH3CO)2O → CHO–(CHOCOCH3)4–CH2OCOCH3 (ग्लूकोस पेन्टाऐसीटेट) + 5CH3COOH

(b) विटामिन संचय एवं हीनताजन्य रोग:

  • विटामिन C (ऐस्कॉर्बिक अम्ल): यह एक जल-विलेय विटामिन है। उच्च ध्रुवीयता व जल-विलेयता के कारण यह गुर्दों द्वारा छनकर मूत्र के साथ नियमित उत्सर्जित होता रहता है; शरीर में संचित नहीं हो सकता और दैनिक आहार में लेना आवश्यक है।
    हीनताजन्य रोग: स्कर्वी (मसूड़ों से रक्तस्राव, दांत ढीले होना, घाव भरने में विलंब)।
  • विटामिन A (रेटिनॉल): यह एक वसा-विलेय (Fat-soluble) विटामिन है। यह लिपिड में घुलकर आंतों द्वारा अवशोषित होकर यकृत तथा वसीय ऊतकों में महीनों तक सुरक्षित संचित रहता है।
    हीनताजन्य रोग: रतौंधी (Night Blindness) तथा जीरोफ्थैल्मिया (कॉर्निया की असामान्य शुष्कता)।

सामान्य गलतियाँ एवं परीक्षक के जाल (Examiner Traps)

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

सामान्य भ्रम / गलत उत्तर

सही वैज्ञानिक तथ्य

चित्रात्मक व्याख्या एवं मॉडल

WBCHSE कक्षा 12 रसायन विज्ञान: जैव अणु (Biomolecules) कार्बोहाइड्रेट ऐनोमर, ज्विटर आयन, प्रोटीन संरचना एवं DNA द्विकुंडलिनी 1. ग्लूकोस एवं परिवर्ती ध्रुवण घूर्णन (Mutarotation) विवृत श्रृंखला बनाम चक्रीय हॉवर्थ पायरानोस संरचना: • α-D-ग्लूकोस: C-1 ऐनोमरी -OH नीचे (Trans), [α] = +112° • β-D-ग्लूकोस: C-1 ऐनोमरी -OH ऊपर (Cis), [α] = +19° परिवर्ती ध्रुवण घूर्णन: साम्यावस्था पर घूर्णन मान +52.7° हो जाता है सुक्रोस एवं प्रतीप शर्करा (अन-अपचायक शर्करा): α-ग्लूकोस (1➔2) β-फ्रक्टोस बंध | जल-अपघटन पर दक्षिण से वाम घूर्णन 2. ऐमीनो अम्ल, ज्विटर आयन एवं समविभव बिंदु (pI) जलीय विलयन में द्विध्रुवीय उभयधर्मी ज्विटर आयन: H₃N⁺–CH(R)–COO⁻ (कुल आवेश = 0, उच्च गलनांक) समविभव बिंदु (pI): विद्युत क्षेत्र में कोई गमन नहीं होता • pH < pI: धनायन (H₃N⁺–CH(R)–COOH), कैथोड की ओर गमन • pH > pI: ऋणायन (H₂N–CH(R)–COO⁻), ऐनोड की ओर गमन निनहाइड्रिन परीक्षण: ऐमीनो अम्ल तीव्र जामुनी-बैंगनी रंग देते हैं Glycine is the only achiral α-amino acid; all others possess L-configuration 3. प्रोटीन की 4 संरचनाएँ एवं विकृतीकरण (Denaturation) पेप्टाइड आबंध (-CO-NH-): अनुनाद के कारण दृढ़ एवं समतलीय • 1° संरचना: ऐमीनो अम्लों का विशिष्ट सहसंयोजक अनुक्रम • 2° संरचना: α-हेलिक्स (H-आबंध n➔n+4) एवं β-प्लीटेड शीट • 3° संरचना: -S-S- डाइसल्फाइड आबंध, लवण सेतु, जलविरोधी बल • 4° संरचना: बहु-इकाई प्रोटीनों का त्रिविम विन्यास (हीमोग्लोबिन) विकृतीकरण: 2°, 3°, 4° संरचनाएं नष्ट होती हैं, 1° अक्षुण्ण रहती है • Biuret Test: Alkaline CuSO₄ gives violet color with peptide bonds (-CONH-) 4. न्यूक्लिक अम्ल एवं DNA द्विकुंडलिनी (वाटसन-क्रिक मॉडल) न्यूक्लियोटाइड = शर्करा + नाइट्रोजनयुक्त क्षारक + 3',5'-फॉस्फेट पूरक क्षारक युग्मन (चारगाफ नियम: A+G = T+C): • ऐडेनीन एवं थायमीन: 2 हाइड्रोजन आबंध (A = T) • ग्वानीन एवं साइटोसीन: 3 हाइड्रोजन आबंध (G ≡ C) DNA द्विकुंडलिनी की विमाएँ: व्यास = 20 Å • पिच = 34 Å (प्रति घुमाव 10 क्षारक युग्म, अंतराल 3.4 Å) DNA has Deoxyribose & Thymine (T) • RNA has Ribose & Uracil (U) Vitamins: B & C are water-soluble; A, D, E, K are fat-soluble (stored in liver)

अध्याय का सार संक्षेप एवं 10 मुख्य निष्कर्ष

मुख्य बिंदु 1
कार्बोहाइड्रेट पॉलीहाइड्रॉक्सी ऐल्डिहाइड या कीटोन होते हैं; प्राकृतिक ग्लूकोस मुख्य रूप से 6-सदस्यीय α- व β-पायरानोस हेमीऐसीटैल रूप में रहता है।
मुख्य बिंदु 2
परिवर्ती ध्रुवण घूर्णन ऐनोमरों के विशिष्ट घूर्णन का साम्यावस्था मान (+52.7°) पर स्थिर होने का प्रक्रम है (α: +112°, β: +19°)।
मुख्य बिंदु 3
इक्षु शर्करा के प्रतीपन से दक्षिणावर्त सुक्रोस (+66.5°) जल-अपघटित होकर वामावर्ती प्रतीप शर्करा (-19.85°) में बदल जाता है क्योंकि फ्रक्टोस तीव्र वामावर्ती (-92.4°) है।
मुख्य बिंदु 4
स्टार्च का ऐमिलोस अशाखित α-1→4 आबंधों युक्त व आयोडीन के साथ नीला रंग देता है; ऐमिलोपेक्टिन α-1→6 शाखाओं युक्त व लाल-बैंगनी रंग देता है।
मुख्य बिंदु 5
सेलुलोस केवल β-1→4 ग्लाइकोसिडी आबंधों युक्त अशाखित बहुलक है, जिसका पाचन मनुष्य सेल्युलेस एन्जाइम के अभाव में नहीं कर सकता।
मुख्य बिंदु 6
ऐमीनो अम्ल जलीय विलयन में ज्विटर आयन (H3N+–CH(R)–COO−) बनाते हैं; समविभव बिंदु (pI) पर कुल आवेश शून्य और गमन अवरुद्ध रहता है।
मुख्य बिंदु 7
पेप्टाइड आबंध (-CO-NH-) में अनुनाद के कारण 40% द्वि-आबंध लक्षण होता है जो इसे दृढ़, समतलीय trans रूप प्रदान करता है।
मुख्य बिंदु 8
विकृतीकरण में 2°, 3° व 4° संरचनाएं नष्ट होती हैं, परंतु सहसंयोजक पेप्टाइड आबंध और 1° प्राथमिक अनुक्रम पूर्णतः अक्षुण्ण रहते हैं।
मुख्य बिंदु 9
वाटसन-क्रिक B-DNA प्रतिसमांतर द्विकुंडलिनी है (व्यास 20 Å, पिच 34 Å, 10 bp प्रति घुमाव), जिसमें A=T (2 H-आबंध) व G≡C (3 H-आबंध) होते हैं।
मुख्य बिंदु 10
जल-विलेय विटामिन (B-कॉम्प्लेक्स, C) मूत्र द्वारा उत्सर्जित होने से रोज लेने पड़ते हैं (अपवाद: B12 यकृत में संचित रहता है); वसा-विलेय विटामिन (A, D, E, K) यकृत में संचित होते हैं।

स्व-मूल्यांकन अभ्यास (Check Your Understanding)

मूल वैचारिक स्पष्टता की जांच के लिए नैदानिक प्रश्न। पहले स्वयं हल करें, फिर उत्तर देखें।

1
D-ग्लूकोस हाइड्रॉक्सिलऐमीन के साथ ऑक्सिम बनाता है, परंतु ग्लूकोस पेन्टाऐसीटेट नहीं बनाता, क्यों?
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: मुक्त D-ग्लूकोस जलीय विलयन में अल्प मात्रा (<0.02%) विवृत श्रृंखला ऐल्डिहाइड के साथ साम्यावस्था में रहता है, जो हाइड्रॉक्सिलऐमीन के साथ ऑक्सिम बना लेता है। परंतु ग्लूकोस पेन्टाऐसीटेट में C-1 ऐनोमरी –OH ऐसीटेट एस्टर में परिवर्तित होने के कारण वलय खुल नहीं पाता; मुक्त ऐल्डिहाइड के अभाव में यह ऑक्सिम नहीं बनाता।
चक्रीय हेमीऐसीटैल के विवृत होने की संभावना पर विचार कीजिए।
2
ऐलानिन के –COOH का pKa = 2.34 तथा –NH3+ का pKa = 9.69 है। इसका pI ज्ञात कीजिए तथा pH = 3.0 व pH = 10.0 पर गमन की दिशा बताइए।
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: pI = (2.34 + 9.69) / 2 = 6.02। pH = 3.0 (pH < pI) पर ऐलानिन प्रोटॉन ग्रहण कर धनायन [H3N+–CH(CH3)–COOH] के रूप में कैथोड की ओर जाएगा। pH = 10.0 (pH > pI) पर प्रोटॉन त्यागकर ऋणायन [H2N–CH(CH3)–COO−] के रूप में ऐनोड की ओर जाएगा।
pI = (pKa1 + pKa2)/2 का प्रयोग कीजिए।
3
ऐमिलोस और ऐमिलोपेक्टिन में मुख्य संरचनात्मक अंतर क्या है और आयोडीन परीक्षण में इनका व्यवहार कैसा होता है?
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: ऐमिलोस α-D-ग्लूकोस का अशाखित बहुलक (α-1→4 आबंध, जल-विलेय) है जो सर्पिलाकार कुंडली में आयोडीन को फंसाकर गहरा नीला रंग देता है। ऐमिलोपेक्टिन एक शाखित बहुलक (α-1→4 रीढ़ व α-1→6 शाखाएं, जल-अविलेय) है जो आयोडीन के साथ लाल-बैंगनी रंग देता है।
अशाखित सर्पिलाकार बनाम शाखित संरचना पर ध्यान दीजिए।
4
प्रोटीन की α-हेलिक्स तथा β-प्लीटेड शीट संरचना को 'द्वितीयक संरचना' क्यों कहते हैं? इन्हें कौन से आबंध स्थिर रखते हैं?
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: इन्हें द्वितीयक संरचना इसलिए कहते हैं क्योंकि ये पार्श्व श्रृंखलाओं के त्रिविम वलन के बिना केवल पॉलीपेप्टाइड रीढ़ के स्थानीय नियमित विन्यास को दर्शाते हैं। ये दोनों संरचनाएं पेप्टाइड रीढ़ के >C=O तथा –NH– समूहों के मध्य नियमित हाइड्रोजन आबंधों द्वारा स्थिर रहती हैं।
रीढ़ के नियमित हाइड्रोजन आबंधों की भूमिका बताइए।
5
एक द्विरज्जुकी DNA खंड में 1000 क्षारक युग्म (bp) हैं। (a) इस DNA खंड की नैनोमीटर में लंबाई क्या होगी? (b) यदि इसमें 320 ऐडेनीन हैं, तो साइटोसीन की संख्या क्या होगी?
उत्तर एवं व्याख्या देखें
उत्तर: (a) दो उत्तरोत्तर क्षारक युग्मों के मध्य दूरी 0.34 nm; अतः 1000 bp की लंबाई = 1000 × 0.34 nm = 340 nm (3400 Å)। (b) कुल क्षारक = 2000। चारगाफ नियमानुसार A = T = 320, A + T = 640। शेष क्षारक = G + C = 2000 − 640 = 1360। चूंकि G = C, अतः साइटोसीन = 1360 / 2 = 680।
प्रति क्षारक युग्म अंतराल 0.34 nm तथा चारगाफ नियम का प्रयोग करें।
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