अध्याय ०३ जैवरेणू

मागील अध्यायात तुम्ही पेशी आणि तिच्या अवयविकांबद्दल शिकलात. प्रत्येक अवयविकाची स्वतंत्र रचना असते आणि म्हणून ते वेगवेगळी कार्ये करतात. उदाहरणार्थ, पेशीपटल हे स्निग्धांश (लिपिड्स) आणि प्रथिने (प्रोटीन्स) यांपासून बनलेले असते. पेशीभित्तिका ही कर्बोदकांपासून (कार्बोहायड्रेट्स) बनलेली असते. गुणसूत्रे (क्रोमोसोम्स) ही प्रथिने आणि न्यूक्लिक आम्ल, म्हणजेच डीएनए (DNA) पासून बनलेली असतात आणि रिबोसोम हे प्रथिने आणि न्यूक्लिक आम्ल, म्हणजेच आरएनए (RNA) पासून बनलेले असतात. पेशीय अवयविकांचे हे घटक महारेणू (मॅक्रोमोलेक्युल्स) किंवा जैवरेणू (बायोमोलेक्युल्स) म्हणूनही ओळखले जातात. जैवरेणूंचे चार मुख्य प्रकार आहेत: कर्बोदके, प्रथिने, स्निग्धांश आणि न्यूक्लिक आम्ले. पेशीची रचनात्मक घटक असण्याबरोबरच, हे जैवरेणू पेशीय प्रक्रियांमध्ये महत्त्वाची कार्ये करतात. या अध्यायात तुम्ही या जैवरेणूंची रचना आणि कार्ये अभ्यासाल.

३.१ कर्बोदके

कर्बोदके हे निसर्गातील सर्वात प्रचुर प्रमाणात असलेल्या जैवरेणूंपैकी एक वर्ग आहे आणि सर्व सजीवांमध्ये विस्तृतपणे आढळतात. रासायनिकदृष्ट्या, ते बहुहायड्रिक अल्कोहोलचे ऍल्डिहाइड आणि कीटोन व्युत्पन्न आहेत. सजीवांमध्ये कर्बोदकांची मुख्य भूमिका म्हणजे ऊर्जेचा प्राथमिक स्रोत म्हणून कार्य करणे. हे रेणू ऊर्जा साठा, चयापचयी मध्यवर्ती पदार्थ आणि जीवाणू आणि वनस्पती पेशीभित्तिकेचा एक प्रमुख घटक म्हणूनही काम करतात. तसेच, हे डीएनए आणि आरएनएचा एक भाग आहेत, ज्याचा अभ्यास तुम्ही या अध्यायात नंतर कराल. जीवाणू आणि वनस्पतींच्या पेशीभित्तिका कर्बोदकांच्या बहुबंधकांपासून (पॉलिमर्स) बनलेल्या असतात. कर्बोदके माहिती साहित्य म्हणूनही कार्य करतात आणि पेशी-पेशी संवादात, तसेच पेशी आणि पेशीय वातावरणातील इतर घटकांमधील संवादात भूमिका बजावण्यासाठी प्रथिने आणि स्निग्धांशांच्या पृष्ठभागांशी जोडलेली असतात.

(अ) कर्बोदकांचे वर्गीकरण

कर्बोदके साध्या साखरेपासून ते एकापेक्षा जास्त एककांच्या जटिल बहुबंधकांपर्यंत विविध स्वरूपात आढळतात आणि त्यानुसार त्यांचे वर्गीकरण केले गेले आहे. त्यांना सामान्यतः तीन श्रेणींमध्ये वर्गीकृत केले जाते: मोनोसॅकेराइड्स, ऑलिगोसॅकेराइड्स आणि पॉलिसॅकेराइड्स.

१. मोनोसॅकेराइड्स

मोनोसॅकेराइड्स ही साधी साखरे आहेत ज्यांचे पुढे साध्या स्वरूपात जलविघटन (हायड्रॉलिसिस) होऊ शकत नाही. हे मोनोसॅकेराइड्स ही सर्वात सोपी कर्बोदके आहेत, ज्यामध्ये मुक्त ऍल्डिहाइड $(-\mathrm{CHO})$ आणि कीटोन $(>\mathrm{C}=\mathrm{O})$ गट, तसेच दोन किंवा अधिक हायड्रॉक्सिल $(-\mathrm{OH})$ गट असतात आणि त्यांचे सामान्य सूत्र $\mathrm{C} _n\left(\mathrm{H} _2 \mathrm{O}\right)_n$ असते. कार्बन अणूंची संख्या आणि क्रियात्मक गटांवर आधारित, मोनोसॅकेराइड्सचे वर्गीकरण सारणी ३.१ मध्ये दिल्याप्रमाणे केले जाते.

सारणी ३.१: मोनोसॅकेराइड्सचे वर्गीकरण

क्र.कार्बन अणूंच्या संख्येवर आधारित मोनोसॅकेराइड्सचा वर्गक्रियात्मक गटांवर आधारित मोनोसॅकेराइड्सचा वर्ग
ऍल्डोजकीटोज
१.ट्रायओजेस $\left(\mathrm{C}_3 \mathrm{H}_6 \mathrm{O}_3\right)$ग्लिसरॅल्डिहाइड (एक ऍल्डोट्रायओज)डायहायड्रॉक्सीअॅसीटोन (एक कीटोट्रायओज)
२.टेट्रोजेस $\left(\mathrm{C}_4 \mathrm{H}_8 \mathrm{O}_4\right)$एरिथ्रोजएरिथ्रुलोज
३.पेंटोजेस $\left(\mathrm{C} _5 \mathrm{H} _{10} \mathrm{O} _5\right)$रायबोजरायबुलोज
४.हेक्सोजेस $\left(\mathrm{C} _6 \mathrm{H} _{12} \mathrm{O} _6\right)$ग्लुकोजफ्रक्टोज

२. ऑलिगोसॅकेराइड्स

पारंपारिकपणे, ऑलिगोसॅकेराइड्स ही कर्बोदके असतात ज्यामध्ये दोन ते दहा एकक मोनोसॅकेराइड्स ग्लायकोसिडिक बंधाने एकत्र जोडलेली असतात. काही सामान्यतः आढळणारी ऑलिगोसॅकेराइड्स म्हणजे माल्टोज, लॅक्टोज, सुक्रोज इत्यादी.

३. पॉलिसॅकेराइड्स

पॉलिसॅकेराइड्स हे दहा किंवा अधिक मोनोसॅकेराइड एककांचे बहुबंधक असतात जे ग्लायकोसिडिक दुव्यांद्वारे एकत्र जोडलेली असतात. पुनरावृत्ती होणाऱ्या मोनोसॅकेराइड एककाच्या प्रकारावर (सम- आणि विषम-पॉलिसॅकेराइड्स); शाखाकरणाच्या प्रमाणात, आणि एकसंध एककांमधील ग्लायकोसिडिक दुव्याच्या प्रकारावर अवलंबून यांचे अनेक प्रकारे वर्गीकरण केले जाते. काही सामान्य पॉलिसॅकेराइड्सची उदाहरणे म्हणजे स्टार्च, ग्लायकोजन, सेल्युलोज आणि कायटिन.

कर्बोदके प्रथिने आणि स्निग्धांशांशी संयुग्मित होऊन ग्लायकोकंजुगेट्स तयार करू शकतात. ग्लायकोकंजुगेट्सचे तीन प्रकार आहेत; ग्लायकोप्रोटीन्स, प्रोटिओग्लायकन्स आणि ग्लायकोलिपिड्स. जर कर्बोदक आणि प्रथिन यांच्या संयोगात प्रथिन घटक प्रबळ असेल, तर त्याला ग्लायकोप्रोटीन म्हणतात. जर संयोगात प्रथिनापेक्षा कर्बोदकांचे प्रमाण जास्त असेल, तर त्याला प्रोटिओग्लायकन म्हणतात. जेव्हा कर्बोदक स्निग्धांशांशी संयुग्मित होते, तेव्हा त्याला ग्लायकोलिपिड म्हणतात.

(ब) कर्बोदकांची रचना आणि गुणधर्म

(अ) मोनोसॅकेराइड्स

काही सामान्य मोनोसॅकेराइड्सची रचना (आकृती ३.१) मध्ये दिली आहे. ग्लुकोज सारखे मोनोसॅकेराइड दोन्ही स्वरूपात असते

आकृती ३.१: काही मोनोसॅकेराइड्सची रचना


सरळ साखळी रचना आणि चक्रीय रचना (आकृती ३.२). चक्रीय रचना हे कार्बोनिल गट आणि हायड्रॉक्सिल गट यांच्यातील अंतराअण्विक प्रतिक्रियेद्वारे हेमिएसिटल निर्मितीचे परिणाम आहेत.

आकृती ३.२: ग्लुकोजची रचना: (अ) सरळ साखळी आणि (ब) चक्रीय स्वरूप

डायहायड्रॉक्सी अॅसीटोन वगळता सर्व मोनोसॅकेराइड्समध्ये एक किंवा अधिक असममित (कायरल) कार्बन (चार वेगवेगळ्या गटांनी बद्ध असलेले कार्बन अणू) असतात, अशाप्रकारे, ते प्रकाशिय सक्रिय समावयवी (एनॅन्शिओमर्स) आहेत. $n$ कायरल केंद्रे असलेल्या रेणूमध्ये $2^{\mathrm{n}}$ स्टिरिओआयसोमर्स असू शकतात. अशाप्रकारे, एक कायरल केंद्र असलेल्या ग्लिसरॅल्डिहाइडमध्ये $2^{1}=2$ आणि चार कायरल केंद्रे असलेल्या ग्लुकोजमध्ये $2^{4}=16$ स्टिरिओआयसोमर्स असतात.

कार्बोनिल कार्बनपासून सर्वात दूर असलेल्या $-\mathrm{OH}$ गटाची अभिविन्यास साखर डी किंवा एल साखरेची आहे की नाही हे ठरवते. जेव्हा हा- $\mathrm{OH}$ गट त्यास धारण करणाऱ्या कार्बन अणूच्या उजव्या बाजूला असतो तेव्हा साखर डी-आयसोमर असते, आणि जेव्हा ती डावीकडे असते, तेव्हा साखर एल आयसोमर असते (आकृती ३.३). जैविक प्रणालीमध्ये उपस्थित असलेल्या बहुतेक साखरा डी साखरा आहेत.

आकृती ३.३: ग्लुकोजचे $L$ आणि $D$ स्वरूप

मोनोसॅकेराइडच्या हेमिएसिटल (मोनोसॅकेराइडच्या अल्कोहोलिक आणि ऍल्डिहाइड गटांमधील प्रतिक्रियेमुळे तयार) किंवा हेमिकिटल (मोनोसॅकेराइडच्या अल्कोहोलिक आणि कीटो गटांमधील प्रतिक्रियेमुळे तयार) कार्बन अणूबद्दलच्या त्यांच्या संरूपणात (कॉन्फिगरेशन) फक्त भिन्न असलेल्या मोनोसॅकेराइडच्या समावयवी स्वरूपांना ॲनोमर्स म्हणतात. कार्बोनिल कार्बन अणूला ॲनोमरिक कार्बन म्हणतात. $\alpha$-ॲनोमरमध्ये, कार्बनचा - $\mathrm{OH}$ गट साखर रिंगच्या विरुद्ध बाजूला असतो, जो $\mathrm{CH}_{2} \mathrm{OH}$ गटापासून असतो त्या कायरल केंद्रावर जो $\mathrm{D}$ आणि $\mathrm{L}$ संरूपण (ग्लुकोजच्या बाबतीत $\mathrm{C}-5$) निर्दिष्ट करतो. दुसऱ्या ॲनोमरला $\beta$-ॲनोमर म्हणून ओळखले जाते.

जलीय द्रावणात $\alpha$ आणि $\beta$ ॲनोमर्सचे परस्पर रूपांतरण म्युटारोटेशन म्हणतात, ज्यामध्ये एक रिंग स्वरूप थोड्या काळासाठी रेषीय स्वरूपात उघडते, नंतर पुन्हा बंद होऊन $\beta$ ॲनोमर्स तयार करते (आकृती ३.४).

आकृती ३.४: ग्लुकोजची दोन चक्रीय स्वरूपे

फक्त एका कार्बन अणूवर $-\mathrm{OH}$ चे भिन्न संरूपण असलेल्या समावयवींना एपिमर्स म्हणून ओळखले जाते. ग्लुकोजचे सर्वात महत्त्वाचे एपिमर्स म्हणजे मॅनोज ($\mathrm{C}-2$ वर एपिमर्स) आणि गॅलेक्टोज (C-4 वर एपिमर्स) जे आकृती ३.५ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे आहेत.

आकृती ३.५: ग्लुकोजचे एपिमर्स

(ब) डायसॅकेराइड्स

डायसॅकेराइड्समध्ये ग्लायकोसिडिक दुव्याने जोडलेले दोन मोनोसॅकेराइड्स असतात. डायसॅकेराइड माल्टोजमध्ये दोन डी-ग्लुकोज अवशेष असतात जे ग्लायकोसिडिक दुव्याने जोडलेले असतात, जो एक सहसंयोजक बंध आहे जो एका मोनोसॅकेराइडच्या $-\mathrm{OH}$ गटाच्या दुसऱ्या साखर एककाच्या ॲनोमरिक कार्बनशी जोडण्याने तयार होतो. लॅक्टोज हे डी-गॅलेक्टोज आणि डी-ग्लुकोज अवशेषांपासून बनलेले असते (आकृती ३.६ आणि ३.७).

डायसॅकेराइड्सचे त्यांच्या घटक मोनोसॅकेराइड्समध्ये विरल आम्लासह उकळून जलविघटन करता येते. सुक्रोजच्या जलविघटनाने ग्लुकोज आणि फ्रक्टोजचे मिश्रण मिळते.

आकृती ३.६: $\alpha$ डी-ग्लुकोजच्या दोन रेणूंपासून माल्टोजची निर्मिती

लॅक्टोज ( $\beta$-डी-गॅलेक्टोपायरॅनोसिल- $(1 \rightarrow 4) \alpha$-डी-ग्लुकोपायरॅनोज)

आकृती ३.७: लॅक्टोजची रचना

(क) पॉलिसॅकेराइड्स

कार्यात्मक भूमिकांवर अवलंबून, समपॉलिसॅकेराइड्सचे साठवणूक पॉलिसॅकेराइड्स आणि रचनात्मक पॉलिसॅकेराइड्स असे विभाजन केले जाते. साठवणूक पॉलिसॅकेराइड्स इंधन म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या मोनोसॅकेराइडचे साठवणूक स्वरूप म्हणून काम करतात. स्टार्च हे वनस्पतींमधील साठवणूक पॉलिसॅकेराइडचे उदाहरण आहे, आणि ग्लायकोजन हे प्राण्यांमधील साठवणूक पॉलिसॅकेराइड आहे. रचनात्मक पॉलिसॅकेराइड्स जसे की सेल्युलोज आणि कायटिन अनुक्रमे वनस्पती पेशीभित्तिका आणि प्राण्यांच्या बाह्यकंकालात रचनात्मक घटक म्हणून काम करतात. समपॉलिसॅकेराइड्सच्या विपरीत, विषमपॉलिसॅकेराइड्स जीवांसाठी अंतरकोशिकीय आधार प्रदान करतात. प्राण्यांच्या ऊतींच्या अंतरकोशिकीय जागेत, हे एक मॅट्रिक्स तयार करतात जे वैयक्तिक पेशी एकत्र धरतात आणि पेशी आणि ऊतींना आकार, आधार आणि संरक्षण प्रदान करतात. काही समपॉलिसॅकेराइड्सची नावे आणि गुणधर्म सारणी ३.२ मध्ये दिली आहेत

सारणी ३.२: काही सामान्य समपॉलिसॅकेराइड्सची यादी

नावघटक मोनोसॅकेराइडआकार (मोनोसॅकेराइड अवशेषांची संख्या)जैविक महत्त्व
स्टार्चa-D-ग्लुकोज$50-5000$ पर्यंत $10^{6}$वनस्पतींमध्ये ऊर्जेची साठवणूक
ग्लायकोजनa-D-ग्लुकोज50000 पर्यंतजीवाणू आणि प्राण्यांमध्ये ऊर्जेची साठवणूक
सेल्युलोज$\beta$-D-ग्लुकोज15000 पर्यंतयाची रचनात्मक भूमिका असते आणि पेशीभित्तिकेला कडकपणा आणि सामर्थ्य प्रदान करते.
कायटिन$\beta$-N-अॅसिटिल-D- ग्लुकोजमाईनखूप मोठेयाची रचनात्मक भूमिका असते आणि कीटकांच्या बाह्यकंकालाला कडकपणा प्रदान करते.
इनुलिन$\beta$-D-फ्रक्टोज$30-35$वनस्पतींमध्ये ऊर्जेची साठवणूक.
पेक्टिनa-D-गॅलेक्ट्युरोनिक आम्ल-याची रचनात्मक भूमिका आहे: वनस्पती पेशीभित्तिकांमध्ये सेल्युलोज तंतू एकत्र धरते.
डेक्स्ट्रानa-D-ग्लुकोजविस्तृत श्रेणीजीवाणूंमध्ये अंतरकोशिकीय चिकट पदार्थ म्हणून रचनात्मक भूमिका बजावते.
झायलन$\beta$-D-झायलोज$30-100$वनस्पतींमध्ये साठवणूक आणि आधार देण्याची भूमिका आहे.

काही सामान्य पॉलिसॅकेराइड्सची उदाहरणे

(अ) स्टार्च

स्टार्च वनस्पतींमध्ये कंद, बिया, फळे आणि मुळांमध्ये राखीव कर्बोदक म्हणून आढळते. हे दोन समपॉलिसॅकेराइड्स, ॲमिलोज (15-20\%) आणि ॲमिलोपेक्टिन $(80-85 \%)$ पासून बनलेले असते. ॲमिलोज हे a-D-ग्लुकोज एकसंधांचे रेषीय बहुबंधक आहे आणि $\mathrm{a}(1 \rightarrow 4)$ बंधांनी जोडलेले आहे (आकृती ३.८). दुसरीकडे, ॲमिलोपेक्टिनमध्ये ग्लुकोज एकके असतात जी $\mathrm{a}(1 \rightarrow 4)$ ग्लायकोसिडिक दुव्याने जोडलेली असतात, ॲमिलोज प्रमाणेच. तथापि, ॲमिलोजच्या विपरीत, ते अत्यंत शाखायुक्त असते. प्रत्येक २४ ते ३० ग्लुकोज अवशेषांवर शाखा बिंदू येतात आणि शाखा बिंदूंवरील दुवा $\mathrm{a}(1 \rightarrow 6)$ ग्लायकोसिडिक असतो (आकृती ३.९). आयोडीनसह स्टार्चचा वैशिष्ट्यपूर्ण निळा रंग हा ॲमिलोजमुळे असतो. याउलट, ॲमिलोपेक्टिन आयोडीनसह फक्त मंद तपकिरी रंग देतो. लाळेमध्ये (लालू ग्रंथी ॲमिलेज) आणि स्वादुपिंड रस (स्वादुपिंड ॲमिलेज) मध्ये असलेले विकर स्टार्चचे $\mathrm{a}(1 \rightarrow 4$) ग्लायकोसिडिक दुवे जलविघटित करतात म्हणून त्याचे एकसंध ग्लुकोज अवशेषांमध्ये पचन करतात.

$\hspace{8cm}\alpha(1 \rightarrow 4)$ ग्लायकोसिडिक बंध

आकृती ३.८: ॲमिलोजची रचना

आकृती ३.९: ॲमिलोपेक्टिनची रचना

(ब) ग्लायकोजन

ग्लायकोजन हे प्राण्यांमध्ये आढळणारे अत्यंत शाखायुक्त साठवणूक समपॉलिसॅकेराइड आहे. ॲमिलोपेक्टिन प्रमाणेच, त्यात ग्लुकोज एकके $\mathrm{a}(1 \rightarrow 4)$ ग्लायकोसिडिक दुव्याने एकत्र जोडलेली असतात आणि शाखा बिंदूंवर $\alpha(1 \rightarrow 6)$ दुवा असतो. स्नायू पेशींमध्ये त्यांच्या कोरड्या वजनाच्या १-२ टक्के ग्लायकोजन असते, आणि यकृत पेशींमध्ये त्यांच्या कोरड्या वजनाच्या १० टक्के पर्यंत ग्लायकोजन असते.

(क) सेल्युलोज

सेल्युलोज हे वनस्पतींमध्ये आढळणारे सर्वात प्रचुर प्रमाणात असलेले अंतरकोशिकीय रचनात्मक पॉलिसॅकेराइड आहे. हे जीवावरणातील सर्व जैवरेणूंपैकी सर्वात प्रचुर देखील आहे. हे वनस्पती पेशीभित्तिकेचा प्राथमिक रचनात्मक घटक आहे. रचनात्मकदृष्ट्या, सेल्युलोज हे १५००० पर्यंतच्या डी-ग्लुकोज एककांचे रेषीय बहुबंधक आहे जे $\beta(1 \rightarrow 4)$ ग्लायकोसिडिक बंधांनी जोडलेले आहे (आकृती ३.१०). स्टार्चच्या विपरीत, मानवी आतड्यात $\beta(1 \rightarrow 4)$ ग्लायकोसिडिक बंध जलविघटित करणारे सेल्युलेज नावाचे विकर नसल्यामुळे सेल्युलोजचे मानवांद्वारे पचन होऊ शकत नाही. तथापि, गुरेढोरे आणि दीमक सेल्युलोज पचवू शकतात कारण त्यांच्या आतड्यात सहजीवी सूक्ष्मजीव असतात जे सेल्युलेज स्रावतात जे सेल्युलोजचे जलविघटन आणि पचन करते.

आकृती ३.१०: सेल्युलोजची रचना

(ड) कायटिन

कायटिन हे $\beta(1 \rightarrow 4)$ ने जोडलेल्या $\mathrm{N}$-अॅसिटिल-D-ग्लुकोजमाईन अवशेषांचे रेषीय पॉलिसॅकेराइड आहे. हे अकशेरुकी प्राण्यांच्या (कवचधारी, कीटक आणि कोळी) बाह्यकंकालाचा मुख्य रचनात्मक घटक आहे, आणि बहुतेक बुरशीच्या पेशीभित्तिकेचा मुख्य घटक आहे. कायटिन आणि सेल्युलोजची रचना सारखीच आहे फक्त सेल्युलोजच्या दुसऱ्या कार्बन स्थानावरील $\mathrm{OH}$ गटाची जागा कायटिनमध्ये अॅसिटॅमिडो गटाने घेतली जाते. $\mathrm{N}$-अॅसिटिल बाजूकडील साखळ्यांचे विस्तृत हायड्रोजन बंधन कायटिनला कठीण आणि अद्राव्य बहुबंधक बनवते.

(इ) पेप्टिडोग्लायकन

पेप्टिडोग्लायकन हा जीवाणू पेशीभित्तिकेचा कठीण घटक बनवतो. हे पर्यायी $\beta(1 \rightarrow 4)$ ने जोडलेल्या $\mathrm{N}$-अॅसिटिल-D-ग्लुकोजमाईन (NAG) आणि $\mathrm{N}$-अॅसिटिल म्युरॅमिक आम्ल (NAM) अवशेषांचे विषमपॉलिसॅकेराइड आहे. रेषीय पॉलिसॅकेराइड साखळ्या $\mathrm{N}$-अॅसिटिल म्युरॅमिक आम्लाशी जोडलेल्या लहान पेप्टायड्सद्वारे आडव्या जोडल्या जातात. पेप्टायडद्वारे आडवे जोडणे पॉलिसॅकेराइड साखळ्यांना एक मजबूत आवरणात वेल्ड करते जे संपूर्ण पेशीला वेढते आणि पेशीचे परासरणीय फाटणे रोखते.

लायसोझाइम, जे मानवी अश्रूंमध्ये असलेले विकर आहे, ते पेप्टिडोग्लायकनचा $\beta(1 \rightarrow 4)$ ग्लायकोसिडिक दुवा जलविघटित करून जीवाणूंना मारते.

बॉक्स १

अगर

अगर हे जेलटिनस विषमपॉलिसॅकेराइड आहे जे समुद्री लाल शैवाल जसे की जेलिडियम, ग्रॅसिलेरिया, गिगार्टिना इत्यादी प्रजातींच्या पेशीभित्तिकेत तयार होते. हे सल्फेटेड विषमपॉलिसॅकेराइड्सचे मिश्रण आहे जे डी-गॅलेक्टोज आणि एल-गॅलेक्टोज व्युत्पन्नांपासून C3 आणि C6 दरम्यान इथर-लिंक्ड बनलेले आहे. अगरोज हा अगर घटक आहे ज्यामध्ये अगदी कमी चार्ज केलेले गट (सल्फेट्स, प