Biomolecules

कार्बोहाइड्रेटों को तीन मुख्य वर्गों में बाँटा जाता है:

1. Monosaccharides (एकक शर्कराएँ) — जो आगे सरल पदार्थों में hydrolyse नहीं की जा सकतीं। उदाहरण: glucose, ribose।
2. Oligosaccharides (अल्प शर्कराएँ) — जिनमें 2 से 10 monosaccharide units glycosidic bond से जुड़े होते हैं। उदाहरण: maltose, lactose, sucrose।
3. Polysaccharides (बहु शर्कराएँ) — जिनमें 10 से अधिक monosaccharide units glycosidic linkages से जुड़े होते हैं। उदाहरण: starch, glycogen, cellulose, chitin।

इस प्रकार, वर्गीकरण monosaccharide units की संख्या के आधार पर किया जाता है।

D- और L-forms का निर्धारण शर्करा के carbonyl carbon से सबसे दूर वाले chiral carbon पर उपस्थित –OH समूह की स्थिति से होता है।

- यदि यह –OH दाईं ओर हो, तो वह D-form होती है।
- यदि यह –OH बाईं ओर हो, तो वह L-form होती है।

Glucose के अधिकांश जैविक रूप D-sugars होते हैं।

Glucose और fructose से बनने वाला disaccharide sucrose है। Chapter में बताया गया है कि sucrose hydrolysis पर glucose + fructose देता है, इसलिए इसका निर्माण इन्हीं दो monosaccharides से होता है।

संरचना को पाठ्य रूप में ऐसे दिखाया जा सकता है:

α-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-fructofuranoside

यानी glucose और fructose glycosidic linkage से जुड़े होते हैं।

Starch और glycogen दोनों glucose के polymers हैं, लेकिन उनकी शाखाएँ अलग होती हैं। उनके आंशिक ढाँचे को ऐसे लिखा जा सकता है:

- Starch: इसमें amylose (सीधी श्रृंखला) और amylopectin (branched) होते हैं।
- Amylose: α(1→4) linked glucose units
- Amylopectin: α(1→4) chains with α(1→6) शाखा बिंदु

- Glycogen: यह भी glucose का polymer है, जिसमें
- मुख्य श्रृंखला: α(1→4) linkages
- शाखाएँ: α(1→6) linkages
- यह starch से अधिक extensively branched होता है

पाठ्य-रूप आरेख:

Starch (amylose): Glc–α(1→4)–Glc–α(1→4)–Glc–...

Starch (amylopectin):

Glc–α(1→4)–Glc–α(1→4)–Glc
                             |
                           α(1→6)
                             Glc–α(1→4)–Glc

Glycogen:

Glc–α(1→4)–Glc–α(1→4)–Glc
      |                 |
    α(1→6)            α(1→6)
     Glc                Glc

कार्बोहाइड्रेटों के मुख्य कार्य हैं:

- ऊर्जा का प्राथमिक स्रोत होना
- ऊर्जा का भंडारण करना
- metabolic intermediates के रूप में कार्य करना
- पादप एवं बैक्टीरियल cell wall का प्रमुख घटक होना
- DNA और RNA का भाग होना
- informational materials के रूप में कार्य करना
- cell–cell interaction तथा cell और अन्य cellular environment elements के बीच interaction में भाग लेना

अर्थात, ये केवल ऊर्जा ही नहीं देते बल्कि संरचनात्मक और जैविक संकेतों में भी महत्वपूर्ण हैं।

Monosaccharides में isomerisation का अर्थ है कि एक ही molecular formula वाले शर्करा अणुओं की संरचना या configuration अलग हो सकती है। Chapter के अनुसार इसके प्रमुख रूप हैं:

- D और L isomers — carbonyl carbon से सबसे दूर वाले chiral carbon पर –OH की स्थिति के आधार पर
- Anomers — केवल hemiacetal/hemiketal carbon (anomeric carbon) के बारे में configuration अलग होती है; जैसे α और β forms
- Epimers — केवल एक carbon atom पर –OH की configuration अलग होती है; जैसे glucose और mannose (C-2 epimers), glucose और galactose (C-4 epimers)

इसलिए, monosaccharides एक ही प्रकार के परमाणुओं से बने होकर भी अलग-अलग isomeric forms में पाए जा सकते हैं।

Sphingolipids और glycerolipids में मुख्य अंतर इस प्रकार है:

- Backbone:
- Glycerolipids में glycerol backbone होता है।
- Sphingolipids में sphingoid base backbone होता है।

- Fatty acid attachment:
- Glycerolipids में fatty acids सामान्यतः ester linkage से जुड़े होते हैं।
- Sphingolipids में fatty acid chain amide linkage से जुड़ी होती है।

- Examples:
- Glycerolipids: glycerophospholipids
- Sphingolipids: sphingophospholipids, जैसे sphingomyelin

- Head group:
- Glycerolipids में phosphate group glycerol के तीसरे carbon पर होता है।
- Sphingolipids में head group hydrogen या phosphocholine आदि हो सकता है; hydrogen होने पर इसे ceramide कहते हैं।

Membrane lipids को amphipathic कहा जाता है क्योंकि इनमें दो भिन्न प्रकृति के भाग होते हैं:

- Hydrophilic head — यह पानी से आकर्षित होता है, जैसे phosphate group
- Hydrophobic tails — यह जल-विरक्त होते हैं, जैसे fatty acid chains

इसलिए membrane lipids एक साथ water-loving और water-hating दोनों गुण दिखाते हैं।

Saturated और unsaturated fatty acids में अंतर:

- Saturated fatty acids
- इनमें double bond नहीं होता
- ये अधिकतम hydrogen से saturated होते हैं
- उदाहरण: palmitic acid, stearic acid

- Unsaturated fatty acids
- इनमें एक या अधिक double bonds होते हैं
- ये दो प्रकार के होते हैं:
- Monounsaturated: एक double bond, जैसे oleic acid
- Polyunsaturated: एक से अधिक double bonds, जैसे linoleic acid, linolenic acid, arachidonic acid

अर्थात अंतर double bonds की उपस्थिति/अनुपस्थिति का है।

Amino acids को उनके R group की प्रकृति के आधार पर वर्गीकृत किया गया है:

1. Polar, uncharged R groups — जैसे serine, threonine, cysteine, asparagine, glutamine
2. Aromatic R groups — जैसे phenylalanine, tryptophan, tyrosine
3. Non-polar aliphatic amino acids — जैसे glycine, valine, alanine, proline, leucine, isoleucine, methionine
4. Positively charged (basic) R groups — जैसे lysine, arginine, histidine
5. Negatively charged (acidic) R groups — जैसे aspartate, glutamate

यह वर्गीकरण side chain की प्रकृति और charge पर आधारित है।

Zwitterion amino acid का वह dipolar रूप है जिसमें एक ही molecule पर positive और negative दोनों charges होते हैं। Physiological pH पर amino acid का –COOH समूह deprotonate होकर –COO⁻ बनता है और –NH₂ समूह proton accept करके –NH₃⁺ बनता है।

Glycine के लिए संरचना:

$$\mathrm{^{+}H_3N-CH_2-COO^{-}}$$

या सामान्य रूप:

$$\mathrm{^{+}H_3N-CH(R)-COO^{-}}$$

इसी dipolar अवस्था को zwitterion कहते हैं।

Non-standard amino acids वे amino acids हैं जो कोशिकाओं में प्राकृतिक रूप से मिलते हैं, लेकिन protein synthesis में सीधे भाग नहीं लेते। ये standard amino acids के post-translational modification से बनते हैं। उदाहरण: 4-hydroxyproline, 5-hydroxylysine, selenocysteine, γ-carboxyglutamic acid।

Non-protein amino acids वे amino acids हैं जो proteins का भाग नहीं होते, लेकिन पौधों, जानवरों और microbes में पाए जाते हैं। उदाहरण: L-ornithine, L-citrulline, β-alanine, creatine, γ-aminobutyrate।

Peptide bond दो amino acids के बीच बनता है। इसमें एक amino acid के α-carboxyl group और दूसरे amino acid के α-amino group का coupling होता है। इस reaction में एक water molecule निकलता है, इसलिए इसे condensation reaction भी कह सकते हैं।

परिणामस्वरूप बनने वाला bond peptide bond या amide bond कहलाता है।

सामान्य रूप:

$$\mathrm{NH_2-CH(R)-COOH + NH_2-CH(R')-COOH \rightarrow NH_2-CH(R)-CO-NH-CH(R')-COOH + H_2O}$$

Lys-Glu-Lys में तीन amino acids हैं: lysine, glutamate, lysine. Polypeptide में नाम लिखने की परंपरा N-terminal से C-terminal की ओर होती है, इसलिए संरचना इस प्रकार लिखी जाती है:

$$\mathrm{H_3N^{+}-Lys-Glu-Lys-COO^{-}}$$

Expanded form:

$$\mathrm{^{+}H_3N-CH[(CH_2)_4NH_3^{+}]-CO-NH-CH[(CH_2)_2COO^{-}]-CO-NH-CH[(CH_2)_4NH_3^{+}]-COO^{-}}$$

यह एक tripeptide है जिसमें दोनों lysine residues basic side chain रखते हैं और glutamate acidic side chain रखता है।

Protein की secondary structure polypeptide chain के folding को दर्शाती है। Chapter में इसके दो प्रमुख प्रकार बताए गए हैं:

1. α-Helix
- Polypeptide chain spiral/ helical रूप लेती है
- Main chain के C=O और N–H groups के बीच hydrogen bonds होते हैं
- Hydrogen bond एक residue के carbonyl oxygen और चार residues आगे वाले amino acid के amide hydrogen के बीच बनता है
- यह right-handed या left-handed हो सकती है, लेकिन proteins में सामान्यतः right-handed α-helix मिलती है

2. β-Pleated sheet
- इसमें polypeptide chain की दो या अधिक strands side by side होती हैं
- Strands के बीच hydrogen bonding होती है
- यह parallel या anti-parallel हो सकती है
- Parallel sheets में strands same direction में, जबकि anti-parallel में opposite direction में होती हैं

अतः secondary structure मुख्यतः α-helix और β-sheet से बनी होती है।