શરીરમાં રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓની સુમેળભરી અને સમકાલીન પ્રગતિ જ જીવન તરફ દોરી જાય છે.

એક જીવંત પ્રણાલી વિકસે છે, ટકાવી રાખે છે અને પોતાની પ્રતિકૃતિ બનાવે છે. જીવંત પ્રણાલી વિશેની સૌથી આશ્ચર્યજનક વાત એ છે કે તે બિન-જીવંત અણુઓ અને અણુસમૂહોથી બનેલી છે. જીવંત પ્રણાલીની અંદર રાસાયણિક રીતે શું થાય છે તેના જ્ઞાનની શોધ બાયોકેમિસ્ટ્રીના ક્ષેત્રમાં આવે છે. જીવંત પ્રણાલીઓ વિવિધ જટિલ બાયોમોલેક્યુલ્સ જેવા કે કાર્બોદિત પદાર્થો, પ્રોટીન્સ, ન્યુક્લિક એસિડ, લિપિડ્સ વગેરેથી બનેલી છે. પ્રોટીન્સ અને કાર્બોદિત પદાર્થો આપણા ખોરાકના આવશ્યક ઘટકો છે. આ બાયોમોલેક્યુલ્સ એકબીજા સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે અને જીવન પ્રક્રિયાઓના આણ્વિક તર્કની રચના કરે છે. ઉપરાંત, કેટલાક સરળ અણુસમૂહો જેવા કે વિટામિન્સ અને ખનિજ ક્ષાર પણ સજીવોના કાર્યોમાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. આમાંના કેટલાક બાયોમોલેક્યુલ્સની રચના અને કાર્યો આ એકમમાં ચર્ચા કરવામાં આવ્યા છે.

14.1 કાર્બોદિત પદાર્થો

કાર્બોદિત પદાર્થો મુખ્યત્વે વનસ્પતિઓ દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે અને કુદરતી રીતે મળી આવતા કાર્બનિક સંયોજનોનો એક ખૂબ જ મોટો સમૂહ બનાવે છે. કાર્બોદિત પદાર્થોના કેટલાક સામાન્ય ઉદાહરણો છે ખાંડ, ગ્લુકોઝ, સ્ટાર્ચ વગેરે. તેમાંના મોટાભાગના એક સામાન્ય સૂત્ર, $\mathrm{C_\mathrm{x}}\left(\mathrm{H_2} \mathrm{O}\right)_{\mathrm{y}}$, ધરાવે છે, અને તેમને કાર્બનના હાઇડ્રેટ તરીકે ગણવામાં આવતા હતા જ્યાંથી કાર્બોદિત પદાર્થો નામ ઉદ્ભવ્યું હતું. ઉદાહરણ તરીકે, ગ્લુકોઝ $\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}\right)$ નું આણ્વિક સૂત્ર આ સામાન્ય સૂત્ર, $\mathrm{C_6}\left(\mathrm{H_2} \mathrm{O}\right)_6$, માં બંધબેસે છે. પરંતુ આ સૂત્રમાં બંધબેસતા બધા જ સંયોજનોને કાર્બોદિત પદાર્થો તરીકે વર્ગીકૃત કરી શકાય નહીં. ઉદાહરણ તરીકે એસિટિક એસિડ $\left(\mathrm{CH_3} \mathrm{COOH}\right)$ આ સામાન્ય સૂત્ર, $\mathrm{C_2}\left(\mathrm{H_2} \mathrm{O}\right)_2$, માં બંધબેસે છે પરંતુ તે કાર્બોદિત પદાર્થ નથી. તે જ રીતે, રેમ્નોઝ, $\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_5}$ એ કાર્બોદિત પદાર્થ છે પરંતુ આ વ્યાખ્યામાં બંધબેસતો નથી. તેમની પ્રતિક્રિયાઓની મોટી સંખ્યાએ દર્શાવ્યું છે કે તેમાં ચોક્કસ કાર્યાત્મક સમૂહો હોય છે. રાસાયણિક રીતે, કાર્બોદિત પદાર્થોને ઑપ્ટિકલી સક્રિય પોલિહાઇડ્રોક્સી એલ્ડિહાઇડ્સ અથવા કિટોન્સ અથવા એવા સંયોજનો તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય કે જે જળવિભાજન પર આવા એકમો ઉત્પન્ન કરે છે. કેટલાક કાર્બોદિત પદાર્થો, જે સ્વાદમાં મીઠા હોય છે, તેમને ખાંડ પણ કહેવામાં આવે છે. આપણા ઘરોમાં વપરાતી સૌથી સામાન્ય ખાંડને સુક્રોઝ તરીકે નામ આપવામાં આવ્યું છે જ્યારે દૂધમાં હાજર ખાંડને લેક્ટોઝ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. કાર્બોદિત પદાર્થોને સેકેરાઇડ્સ (ગ્રીક: સેકેરોનનો અર્થ ખાંડ) પણ કહેવામાં આવે છે.

14.1.1 કાર્બોદિત પદાર્થોનું વર્ગીકરણ

કાર્બોદિત પદાર્થોનું વર્ગીકરણ જળવિભાજન પર તેમના વર્તણૂકના આધારે કરવામાં આવે છે. તેમને મોટેભાગે નીચેના ત્રણ જૂથોમાં વિભાજિત કરવામાં આવ્યા છે.

(i) મોનોસેકેરાઇડ્સ: એક કાર્બોદિત પદાર્થ જેને પોલિહાઇડ્રોક્સી એલ્ડિહાઇડ અથવા કિટોનના સરળ એકમ આપવા માટે વધુ જળવિભાજિત કરી શકાતો નથી તેને મોનોસેકેરાઇડ કહેવામાં આવે છે. કુદરતમાં લગભગ 20 મોનોસેકેરાઇડ્સ જોવા મળે છે તે જાણીતા છે. કેટલાક સામાન્ય ઉદાહરણો છે ગ્લુકોઝ, ફ્રુક્ટોઝ, રાઇબોઝ વગેરે.

(ii) ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ: કાર્બોદિત પદાર્થો જે જળવિભાજન પર બેથી દસ મોનોસેકેરાઇડ એકમો આપે છે, તેમને ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ કહેવામાં આવે છે. જળવિભાજન પર તેઓ પૂરા પાડતા મોનોસેકેરાઇડ્સની સંખ્યાના આધારે તેમને ડાયસેકેરાઇડ્સ, ટ્રાયસેકેરાઇડ્સ, ટેટ્રાસેકેરાઇડ્સ વગેરે તરીકે વધુ વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. આમાં સૌથી સામાન્ય ડાયસેકેરાઇડ્સ છે. ડાયસેકેરાઇડના જળવિભાજન પર મળતા બે મોનોસેકેરાઇડ એકમો સમાન અથવા અલગ હોઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, સુક્રોઝના એક અણુનું જળવિભાજન એક અણુ ગ્લુકોઝ અને એક અણુ ફ્રુક્ટોઝ આપે છે જ્યારે માલ્ટોઝ ફક્ત ગ્લુકોઝના બે અણુઓ આપે છે.

(iii) પોલિસેકેરાઇડ્સ: કાર્બોદિત પદાર્થો જે જળવિભાજન પર મોનોસેકેરાઇડ એકમોની મોટી સંખ્યા આપે છે તેમને પોલિસેકેરાઇડ્સ કહેવામાં આવે છે. કેટલાક સામાન્ય ઉદાહરણો છે સ્ટાર્ચ, સેલ્યુલોઝ, ગ્લાયકોજન, ગમ્સ વગેરે. પોલિસેકેરાઇડ્સ સ્વાદમાં મીઠા નથી હોતા, તેથી તેમને નોન-શુગર્સ (બિન-ખાંડ) પણ કહેવામાં આવે છે.

કાર્બોદિત પદાર્થોને રિડ્યુસિંગ અથવા નોન-રિડ્યુસિંગ શુગર્સ તરીકે પણ વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. બધા જ કાર્બોદિત પદાર્થો જે ફેહલિંગના દ્રાવણ અને ટોલેન્સના પ્રક્રિયકને રિડ્યુસ કરે છે તેને રિડ્યુસિંગ શુગર્સ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. બધા જ મોનોસેકેરાઇડ્સ ઍલ્ડોઝ હોય કે કિટોઝ, રિડ્યુસિંગ શુગર્સ છે.

14.1.2 મોનોસેકેરાઇડ્સ

મોનોસેકેરાઇડ્સનું વધુ વર્ગીકરણ કાર્બન પરમાણુઓની સંખ્યા અને તેમાં હાજર કાર્યાત્મક સમૂહના આધારે કરવામાં આવે છે. જો મોનોસેકેરાઇડમાં એલ્ડિહાઇડ સમૂહ હોય, તો તેને ઍલ્ડોઝ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે અને જો તેમાં કિટો સમૂહ હોય, તો તેને કિટોઝ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. મોનોસેકેરાઇડ બનાવતા કાર્બન પરમાણુઓની સંખ્યા પણ નામમાં દાખલ કરવામાં આવે છે જે કોષ્ટક 14.1માં આપેલા ઉદાહરણો પરથી સ્પષ્ટ છે.

કોષ્ટક 14.1: મોનોસેકેરાઇડ્સના વિવિધ પ્રકારો

14.1.2.1 ગ્લુકોઝ

ગ્લુકોઝ કુદરતમાં મુક્ત રીતે તેમજ સંયોજિત સ્વરૂપમાં મળી આવે છે. તે મીઠા ફળો અને મધમાં હાજર છે. પાકેલા દ્રાક્ષમાં પણ ગ્લુકોઝ મોટી માત્રામાં હોય છે. તે નીચે પ્રમાણે તૈયાર કરવામાં આવે છે:

ગ્લુકોઝની તૈયારી

1. સુક્રોઝ (ખાંડ) માંથી: જો સુક્રોઝને તનુક $\mathrm{HCl}$ અથવા $\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$ સાથે આલ્કોહોલિક દ્રાવણમાં ઉકાળવામાં આવે, તો સમાન માત્રામાં ગ્લુકોઝ અને ફ્રુક્ટોઝ મળે છે.

$$ \begin{aligned} & \underset{\text { Sucrose} }{\mathrm{C} _{12} \mathrm{H} _{22} \mathrm{O} _{11}} +\mathrm{H} _2 \mathrm{O} \xrightarrow{\mathrm{H}^{+}} \underset{ \text { Glucose } }{\mathrm{C} _6 \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _6}+ \underset{ \text { Fructose } }{\mathrm{C} _6 \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _6} \end{aligned} $$

2. સ્ટાર્ચમાંથી: વ્યાપારીક રીતે ગ્લુકોઝ સ્ટાર્ચના જળવિભાજન દ્વારા તનુક $\mathrm{H_2} \mathrm{SO_4}$ સાથે $393 \mathrm{~K}$ પર દબાણ હેઠળ ઉકાળીને મેળવવામાં આવે છે.

$$ \underset{\text { Starch or cellulose }}{\left(\mathrm{C_6} \mathrm{H_10} \mathrm{O_5}\right)_{\mathrm{n}}}+\mathrm{nH_2} \mathrm{O} \xrightarrow[\text { 393K; 2-3} \mathrm{ atm} ] {[\mathrm{H}^{+}]} \underset{ \text{Glucose} }{\mathrm{nC_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6} } $$

ગ્લુકોઝની રચના

ગ્લુકોઝ એક ઍલ્ડોહેક્સોઝ છે અને તે ડેક્સ્ટ્રોઝ તરીકે પણ ઓળખાય છે. તે મોટા કાર્બોદિત પદાર્થો, એટલે કે સ્ટાર્ચ, સેલ્યુલોઝનો એકમરૂપ (મોનોમર) છે. તે કદાચ પૃથ્વી પર સૌથી વધુ પ્રમાણમાં મળી આવતું કાર્બનિક સંયોજન છે. નીચેની સાબિતીઓના આધારે તેને નીચે આપેલી રચના સોંપવામાં આવી હતી:

1. તેનું આણ્વિક સૂત્ર $\mathrm{C_6} \mathrm{H_12} \mathrm{O_6}$ જોવા મળ્યું હતું.

2. $\mathrm{HI}$ સાથે લાંબા સમય સુધી ગરમ કરવા પર, તે n-હેક્સેન બનાવે છે, જે સૂચવે છે કે બધા છ કાર્બન પરમાણુઓ સીધી શૃંખલામાં જોડાયેલા છે.

3. ગ્લુકોઝ હાઇડ્રોક્સિલેમાઇન સાથે પ્રક્રિયા કરીને ઓક્સિમ બનાવે છે અને હાઇડ્રોજન સાયનાઇડનો એક અણુ ઉમેરીને સાયનોહાઇડ્રિન આપે છે. આ પ્રક્રિયાઓ ગ્લુકોઝમાં કાર્બોનિલ સમૂહ ($>\mathrm{C}=\mathrm{O}$)ની હાજરીની પુષ્ટિ કરે છે.

4. બ્રોમિન પાણી જેવા હળવા ઑક્સિડાઇઝિંગ પ્રક્રિયક સાથે પ્રક્રિયા કરવા પર ગ્લુકોઝ છ કાર્બન કાર્બોક્સિલિક એસિડ (ગ્લુકોનિક એસિડ)માં ઑક્સિડાઇઝ થાય છે. આ સૂચવે છે કે કાર્બોનિલ સમૂહ એલ્ડિહાઇડિક સમૂહ તરીકે હાજર છે.

5. એસિટિક એનહાઇડ્રાઇડ સાથે ગ્લુકોઝનું એસિટીલેશન ગ્લુકોઝ પેન્ટાએસિટેટ આપે છે જે પાંચ –OH સમૂહોની હાજરીની પુષ્ટિ કરે છે. કારણ કે તે સ્થિર સંયોજન તરીકે અસ્તિત્વ ધરાવે છે, પાંચ –OH સમૂહો જુદા જુદા કાર્બન પરમાણુઓ સાથે જોડાયેલા હોવા જોઈએ.

6. નાઇટ્રિક એસિડ સાથે ઑક્સિડેશન પર, ગ્લુકોઝ તેમજ ગ્લુકોનિક એસિડ બંને એક ડાયકાર્બોક્સિલિક એસિડ, સેકેરિક એસિડ આપે છે. આ ગ્લુકોઝમાં પ્રાથમિક આલ્કોહોલિક $(-\mathrm{OH})$ સમૂહની હાજરી સૂચવે છે.

વિવિધ —OH સમૂહોની ચોક્કસ અવકાશીય ગોઠવણી ફિશર દ્વારા અન્ય ઘણા ગુણધર્મોનો અભ્યાસ કર્યા પછી આપવામાં આવી હતી. તેનું વિન્યાસ સાચી રીતે I તરીકે રજૂ કરવામાં આવે છે. તેથી ગ્લુકોનિક એસિડને II તરીકે અને સેકેરિક એસિડને III તરીકે રજૂ કરવામાં આવે છે.

ગ્લુકોઝને સાચી રીતે $\mathrm{D}(+)$-ગ્લુકોઝ તરીકે નામ આપવામાં આવે છે. ગ્લુકોઝના નામ પહેલાંનું ‘$\mathrm{D}$’ વિન્યાસ દર્શાવે છે જ્યારે ‘$(+)$’ અણુની ડેક્સ્ટ્રોરોટેટરી પ્રકૃતિ દર્શાવે છે. તે યાદ રાખવું જોઈએ કે ‘$D$’ અને ‘$L$‘નો સંયોજનની ઑપ્ટિકલ સક્રિયતા સાથે કોઈ સંબંધ નથી. તે અક્ષર ’d’ અને ’l’ સાથે પણ સંબંધિત નથી (એકમ 6 જુઓ). $\mathrm{D}-$ અને $\mathrm{L}-$ સંકેતોનો અર્થ નીચે મુજબ છે.

કોઈપણ સંયોજનના નામ પહેલાંના અક્ષરો ‘$D$’ અથવા ‘$L$’ એક સંયોજનના ચોક્કસ સ્ટીરિયોઆઇસોમરનું સંબંધિત વિન્યાસ કેટલાક અન્ય સંયોજનના વિન્યાસની સાપેક્ષે સૂચવે છે, જેનું વિન્યાસ જાણીતું છે. કાર્બોદિત પદાર્થોના કિસ્સામાં, આ તેમના ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડના ચોક્કસ આઇસોમર સાથેના સંબંધનો ઉલ્લેખ કરે છે. ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડમાં એક અસમમિત કાર્બન પરમાણુ હોય છે અને નીચે બતાવ્યા પ્રમાણે બે એનાન્શિઓમેરિક સ્વરૂપોમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડના $(+)$ આઇસોમરમાં ‘$D$’ વિન્યાસ હોય છે. તેનો અર્થ એ છે કે જ્યારે તેનું રચના સૂત્ર ચોક્કસ સંમેલનોનું પાલન કરીને કાગળ પર લખવામાં આવે છે જેનો તમે ઉચ્ચ વર્ગોમાં અભ્યાસ કરશો, ત્યારે -OH સમૂહ રચનામાં જમણી બાજુએ આવેલો હોય છે. બધા જ સંયોજનો જેને રાસાયણિક રીતે ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડના $\mathrm{D}(+)$ આઇસોમર સાથે સંબંધિત કરી શકાય છે તેમને D-વિન્યાસ ધરાવતા કહેવામાં આવે છે જ્યારે જેને ‘$\mathrm{L}$’ $(-)$ આઇસોમર ઓફ ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડ સાથે સંબંધિત કરી શકાય છે તેમને $\mathrm{L}-$ વિન્યાસ ધરાવતા કહેવામાં આવે છે. L (-) આઇસોમરમાં $-\mathrm{OH}$ સમૂહ ડાબી બાજુએ હોય છે જેમ તમે રચનામાં જોઈ શકો છો. મોનોસેકેરાઇડ્સનું વિન્યાસ સોંપવા માટે, તે સૌથી નીચેનો અસમમિત કાર્બન પરમાણુ (નીચે બતાવ્યા પ્રમાણે) છે જેની તુલના કરવામાં આવે છે. જેમ કે (+) ગ્લુકોઝમાં, સૌથી નીચેના અસમમિત કાર્બન પરનો $-\mathrm{OH}$ જમણી બાજુએ છે જે (+) ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડ સાથે સરખાવી શકાય તેવો છે, તેથી (+) ગ્લુકોઝને D-વિન્યાસ સોંપવામાં આવે છે. ગ્લુકોઝના અન્ય અસમમિત કાર્બન પરમાણુઓ આ તુલના માટે ગણવામાં આવતા નથી. ઉપરાંત, ગ્લુકોઝ અને ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડની રચના એવી રીતે લખવામાં આવે છે કે સૌથી વધુ ઑક્સિડાઇઝ્ડ કાર્બન (આ કિસ્સામાં -$\mathrm{CHO}$) ટોચ પર હોય.

ગ્લુકોઝની ચક્રીય રચના

ગ્લુકોઝની રચના (I) તેના મોટાભાગના ગુણધર્મો સમજાવે છે પરંતુ નીચેની પ્રક્રિયાઓ અને તથ્યો આ રચના દ્વારા સમજાવી શકાયા નહીં.

1. એલ્ડિહાઇડ સમૂહ હોવા છતાં, ગ્લુકોઝ શિફની કસોટી આપતું નથી અને તે $\mathrm{NaHSO_3}$ સાથે હાઇડ્રોજનસલ્ફાઇટ ઉમેરણ ઉત્પાદન બનાવતું નથી.

2. ગ્લુકોઝના પેન્ટાએસિટેટ હાઇડ્રોક્સિલેમાઇન સાથે પ્રક્રિયા કરતું નથી જે મુક્ત -$\mathrm{CHO}$ સમૂહની ગેરહાજરી સૂચવે છે.

3. ગ્લુકોઝ બે અલગ અલગ સ્ફટિકીય સ્વરૂપોમાં અસ્તિત્વ ધરાવતું જોવા મળે છે જેને $\alpha$ અને $\beta$ તરીકે નામ આપવામાં આવ્યા છે. ગ્લુકોઝનું $\alpha$-સ્વરૂપ (ગલનાંક $419 \mathrm{~K}$) ગ્લુકોઝના સાંદ્ર દ્રાવણમાંથી $303 \mathrm{~K}$ પર સ્ફટિકીકરણ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે જ્યારે $\beta$-સ્વરૂપ (ગલનાંક $423 \mathrm{~K}$) ગરમ અને સંતૃપ્ત જલીય દ્રાવણમાંથી $371 \mathrm{~K}$ પર સ્ફટિકીકરણ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે.

આ વર્તણૂક ગ્લુકોઝ માટેની ખુલ્લી શૃંખલા રચના (I) દ્વારા સમજાવી શકાઈ નહીં. એવું પ્રસ્તાવ મૂકવામાં આવ્યું હતું કે એક -$\mathrm{OH}$ સમૂહ -$\mathrm{CHO}$ સમૂહ સાથે જોડાઈને ચક્રીય હેમિએસીટલ રચના બનાવી શકે છે. જોવા મળ્યું કે ગ્લુકોઝ છ-સભ્ય વલય બનાવે છે જેમાં $\mathrm{C}-5$ પરનો -$\mathrm{OH}$ વલય નિર્માણમાં સામેલ હોય છે. આ $-\mathrm{CHO}$ સમૂહની ગેરહાજરી અને નીચે બતાવ્યા પ્રમાણે ગ્લુકોઝના બે સ્વરૂપોમાં અસ્તિત્વ સમજાવે છે. આ બે ચક્રીય સ્વરૂપો ખુલ્લી શૃંખલા રચના સાથે સંતુલનમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

ગ્લુકોઝના બે ચક્રીય હેમિએસીટલ સ્વરૂપો ફક્ત $\mathrm{C} 1$ પરના હાઇડ્રોક્સિલ સમૂહના વિન્યાસમાં જ અલગ પડે છે, જેને એનોમેરિક કાર્બન કહેવામાં આવે છે (ચક્રીયકરણ પહેલાંનો એલ્ડિહાઇડ કાર્બન). આવા આઇસોમર્સ, એટલે કે, $\alpha$-સ્વરૂપ અને $\beta$-સ્વરૂપ, એનોમર્સ કહેવાય છે. ગ્લુકોઝની છ-સભ્ય ચક્રીય રચનાને પાયરેનોઝ રચના ($\alpha-$ અથવા $\beta-$) કહેવામાં આવે છે, જે પાયરેન સાથે સામ્યતા રાખે છે. પાયરેન એ એક ચક્રીય કાર્બનિક સંયોજન છે જેમાં વલયમાં એક ઑક્સિજન પરમાણુ અને પાંચ કાર્બન પરમાણુઓ હોય છે. ગ