
Biochemistry is the study of chemical components and chemical processes occurring in living organisms. All structures of living organisms have biochemical organization, and all functions occurring in them are due to biochemical processes taking place in this organization. Therefore, a basic knowledge of biochemistry is helpful to understand anatomy and physiology of living organisms. Photosynthesis, respiration, digestion, contraction etc. can be described in biochemical terms.
Life on Earth evolved in water, and all life still depends on water. At least 80% of the mass of living organisms (protoplasm) is water, and almost all chemical reactions of life take place in aqueous solutions. The other chemicals that make up living things are mostly organic molecules. The molecules synthesized by cells and containing carbon are known as organic molecules. They occur naturally only in the bodies of living organisms or in their products and remains. Carbohydrates, proteins, lipids and nucleic acids are important organic molecules in living organisms. They make 93% of the dry mass of living organisms (Table 4.1). The remaining 7% comprises of small organic molecules (like vitamins) and inorganic molecules (like carbon dioxide, acids, bases, and salts).
| Group name | % Dry mass |
|---|---|
| Proteins | 50 |
| Nucleic acids | 18 |
| Carbohydrates | 15 |
| Lipids | 10 |
Most of the organic molecules are large in size and biologists call them macromolecules. Many macromolecules are in the form of polymers. A polymer is a molecule consisting of many identical molecular units, called monomers. Important macromolecules like carbohydrates, proteins, and nucleic acids are the polymers of simple monomers i.e., sugars, amino acids and nucleotides respectively. Organic molecules have carbon-based core with special groups of atoms attached. These groups are called functional groups. For example OH, CO, COOH, NH2 etc. Most biochemical reactions involve the transfer of a functional group from one molecule to another, or the breaking of carbon-carbon bond.
Recalling: Life of an organism depends upon the ceaseless chemical activities in its cells. All the chemical reactions taking place within a cell are collectively called metabolism. The processes in metabolism may be either anabolism or catabolism. In anabolism, simpler substances are combined to form complex substances and in catabolism complex molecules are broken down into simpler ones.
بائیوکیمسٹری زندہ جانداروں میں ہونے والے کیمیائی اجزا اور کیمیائی عملوں کا مطالعہ ہے۔ زندہ جانداروں کی تمام ساختوں میں بائیوکیمیکل تنظیم ہوتی ہے اور ان میں ہونے والے تمام کام اس تنظیم میں ہونے والے بائیوکیمیکل عملوں کی وجہ سے ہوتے ہیں۔ اس لیے بائیوکیمسٹری کا بنیادی علم زندہ جانداروں کی اناٹومی اور فزیالوجی سمجھنے میں مددگار ہے۔ فوٹوسنتھیسز، تنفس، ہضم، سکڑنا وغیرہ بائیوکیمیکل اصطلاحات میں بیان کیے جا سکتے ہیں۔
زمین پر زندگی پانی میں پیدا ہوئی اور تمام زندگی اب بھی پانی پر منحصر ہے۔ زندہ جانداروں کے مادے (پروٹوپلازم) کا کم از کم 80٪ پانی ہے اور زندگی کے تقریباً تمام کیمیائی تعاملات آبی محلولوں میں ہوتے ہیں۔ زندہ چیزوں کو بنانے والے دیگر کیمیکلز زیادہ تر نامیاتی مالیکیولز ہیں۔ خلیات سے بننے والے اور کاربن رکھنے والے مالیکیولز نامیاتی مالیکیولز کہلاتے ہیں۔ یہ قدرتی طور پر صرف زندہ جانداروں کے جسموں یا ان کی مصنوعات اور باقیات میں پائے جاتے ہیں۔ کاربوہائیڈریٹس، پروٹینز، لپڈز اور نیوکلیک ایسڈز زندہ جانداروں میں اہم نامیاتی مالیکیولز ہیں۔ یہ زندہ جانداروں کے خشک مادے کا 93٪ بناتے ہیں (ٹیبل 4.1)۔ باقی 7٪ چھوٹے نامیاتی مالیکیولز (جیسے وٹامنز) اور غیر نامیاتی مالیکیولز (جیسے کاربن ڈائی آکسائیڈ، تیزاب، اساس اور نمکیات) پر مشتمل ہے۔
| گروپ کا نام | خشک مادے کا ٪ |
|---|---|
| پروٹینز | 50 |
| نیوکلیک ایسڈز | 18 |
| کاربوہائیڈریٹس | 15 |
| لپڈز | 10 |
زیادہ تر نامیاتی مالیکیولز سائز میں بڑے ہوتے ہیں اور ماہرین حیاتیات انہیں میکرو مالیکیولز کہتے ہیں۔ بہت سے میکرو مالیکیولز پولیمرز کی صورت میں ہوتے ہیں۔ پولیمر ایک مالیکیول ہے جو بہت سی ایک جیسی مالیکیولر اکائیوں سے بنا ہوتا ہے جنہیں مونومرز کہتے ہیں۔ اہم میکرو مالیکیولز جیسے کاربوہائیڈریٹس، پروٹینز اور نیوکلیک ایسڈز بالترتیب شکر، امینو ایسڈز اور نیوکلیوٹائیڈز جیسے سادہ مونومرز کے پولیمرز ہیں۔ نامیاتی مالیکیولز کا کاربن پر مبنی مرکز ہوتا ہے جس سے ایٹموں کے خاص گروپ جڑے ہوتے ہیں۔ ان گروپوں کو فنکشنل گروپس کہتے ہیں۔ مثال کے طور پر OH، CO، COOH، NH2 وغیرہ۔ زیادہ تر بائیوکیمیکل تعاملات میں فنکشنل گروپ کی ایک مالیکیول سے دوسرے مالیکیول میں منتقلی یا کاربن کاربن بانڈ کا ٹوٹنا شامل ہوتا ہے۔
یاد دہانی: کسی جاندار کی زندگی اس کے خلیات میں مسلسل کیمیائی سرگرمیوں پر منحصر ہے۔ خلیے میں ہونے والے تمام کیمیائی تعاملات مجموعی طور پر میٹابولزم کہلاتے ہیں۔ میٹابولزم کے عمل یا تو اینابولزم یا کیٹابولزم ہو سکتے ہیں۔ اینابولزم میں سادہ مادے مل کر پیچیدہ مادے بناتے ہیں اور کیٹابولزم میں پیچیدہ مالیکیولز سادہ مادوں میں ٹوٹ جاتے ہیں۔
Different types of bonds and interactions play vital roles in the structure and function of biological molecules. Carbon is the basic element of organic molecules. It is tetravalent and can react with many other known elements like H, O, N, P and S. Carbon and hydrogen bond (C-H bond) is the potential source of chemical energy for cellular activities. Carbon-oxygen association in glycosidic linkages provides stability to the complex carbohydrate molecules. Carbon combines with nitrogen in amino acid linkages to form peptide bonds and forms proteins which are very important due to their diversity in structure and functions.
Covalent bonds form when two atoms share electrons (Figure 4.1). These bonds are often found in organic molecules like proteins and nucleic acids, providing stability to the molecules.
Ionic bonds are formed when one atom donates an electron (becomes a positive ion, or cation) and another atom accepts the electron (becomes a negative ion, or anion) (Figure 4.2). The electrostatic attraction between these oppositely charged ions forms the ionic bond. Ionic bonds are relatively strong in the solid state and are formed mostly in inorganic molecules like sodium chloride.
Hydrogen bonds are weak attractions that occur between a hydrogen atom and an electronegative atom (such as oxygen or nitrogen). These bonds are important in maintaining the structure of large molecules like proteins and nucleic acids, as well as in various biological processes like DNA replication.
Hydrophobic interactions occur between nonpolar molecules which tend to cluster together in aqueous environments to minimize contact with water molecules. This phenomenon is crucial for the folding of proteins and the formation of lipid bilayers in cell membranes.
Hydrophilic interactions occur between polar molecules and water molecules. These interactions are essential for the dissolution of polar and ionic compounds in water. These interactions help in various biological processes such as nutrient transport and chemical reactions within cells.
بانڈز اور تعاملات کی مختلف اقسام حیاتیاتی مالیکیولز کی ساخت اور کام میں اہم کردار ادا کرتی ہیں۔ کاربن نامیاتی مالیکیولز کا بنیادی عنصر ہے۔ یہ ٹیٹراویلنٹ ہے اور H، O، N، P اور S جیسے بہت سے دیگر معروف عناصر سے تعامل کر سکتا ہے۔ کاربن اور ہائیڈروجن کا بانڈ (C-H بانڈ) خلوی سرگرمیوں کے لیے کیمیائی توانائی کا ممکنہ ذریعہ ہے۔ گلائکوسڈک روابط میں کاربن آکسیجن کا تعلق پیچیدہ کاربوہائیڈریٹ مالیکیولز کو استحکام دیتا ہے۔ کاربن امینو ایسڈ روابط میں نائٹروجن سے مل کر پیپٹائیڈ بانڈز بناتا ہے اور پروٹینز بناتا ہے جو ساخت اور کاموں کے تنوع کی وجہ سے بہت اہم ہیں۔
کوویلنٹ بانڈز اس وقت بنتے ہیں جب دو ایٹم الیکٹرونز بانٹتے ہیں (شکل 4.1)۔ یہ بانڈز اکثر نامیاتی مالیکیولز جیسے پروٹینز اور نیوکلیک ایسڈز میں پائے جاتے ہیں اور مالیکیولز کو استحکام دیتے ہیں۔
آئنک بانڈز اس وقت بنتے ہیں جب ایک ایٹم الیکٹرون دیتا ہے (مثبت آئن یا کیٹائن بن جاتا ہے) اور دوسرا ایٹم الیکٹرون قبول کرتا ہے (منفی آئن یا اینائن بن جاتا ہے) (شکل 4.2)۔ ان مخالف چارج والے آئنز کے درمیان الیکٹروسٹیٹک کشش آئنک بانڈ بناتی ہے۔ آئنک بانڈز ٹھوس حالت میں نسبتاً مضبوط ہوتے ہیں اور زیادہ تر غیر نامیاتی مالیکیولز جیسے سوڈیم کلورائیڈ میں بنتے ہیں۔
ہائیڈروجن بانڈز کمزور کشش ہیں جو ہائیڈروجن ایٹم اور الیکٹرونیگیٹو ایٹم (جیسے آکسیجن یا نائٹروجن) کے درمیان ہوتی ہیں۔ یہ بانڈز بڑے مالیکیولز جیسے پروٹینز اور نیوکلیک ایسڈز کی ساخت برقرار رکھنے میں اہم ہیں اور ڈی این اے کی نقل جیسے مختلف حیاتیاتی عملوں میں بھی۔
ہائیڈروفوبک تعاملات غیر پولر مالیکیولز کے درمیان ہوتے ہیں جو آبی ماحول میں پانی کے مالیکیولز سے رابطہ کم کرنے کے لیے اکٹھے ہو جاتے ہیں۔ یہ مظہر پروٹینز کی تہہ بندی اور سیل ممبرینز میں لپڈ بائی لیئرز بننے کے لیے بہت اہم ہے۔
ہائیڈروفیلک تعاملات پولر مالیکیولز اور پانی کے مالیکیولز کے درمیان ہوتے ہیں۔ یہ تعاملات پولر اور آئنک مرکبات کے پانی میں حل ہونے کے لیے ضروری ہیں۔ یہ تعاملات مختلف حیاتیاتی عملوں جیسے غذائی اجزا کی نقل و حمل اور خلیات میں کیمیائی تعاملات میں مدد دیتے ہیں۔
Proteins, nucleic acids, carbohydrates, and lipids are assembled from different kinds of monomers. All these biomolecules join their monomers by condensation or dehydration process. During condensation, an -OH group is removed from one monomer and an -H atom is removed from another monomer. It is also known as dehydration synthesis because the removal of OH and H groups means the removal of a water molecule. The formation of maltose by two glucose monomers is an example of a condensation reaction.
Along with making polymers by combining their monomers, cells keep on breaking polymers too. Hydrolysis is a chemical process in which macromolecule (polymer) is broken down into smaller fragments by the addition of water molecules. It is the reverse of dehydration synthesis. Cells break bonds between monomers by adding water to them. In this process, OH group from a water molecule joins to one monomer and hydrogen joins to the second monomer. Breakdown of maltose into two glucose monomers by the addition of a water molecule is an example of hydrolysis.
Note: Energy is required to break chemical bonds when water is extracted from monomers. So, cells must supply energy to make macromolecules. This breakdown of macromolecules is essential in various biological processes, such as digestion and cellular respiration, where smaller molecules are needed for energy production.
پروٹینز، نیوکلیک ایسڈز، کاربوہائیڈریٹس اور لپڈز مختلف قسم کے مونومرز سے بنتے ہیں۔ یہ تمام بائیومالیکیولز اپنے مونومرز کو کنڈینسیشن یا ڈی ہائیڈریشن کے عمل سے جوڑتے ہیں۔ کنڈینسیشن کے دوران ایک مونومر سے -OH گروپ اور دوسرے مونومر سے -H ایٹم نکالا جاتا ہے۔ اسے ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز بھی کہتے ہیں کیونکہ OH اور H گروپوں کا نکلنا پانی کے ایک مالیکیول کا نکلنا ہے۔ دو گلوکوز مونومرز سے مالٹوز بننا کنڈینسیشن تعامل کی مثال ہے۔
مونومرز کو ملا کر پولیمرز بنانے کے ساتھ ساتھ خلیات پولیمرز کو توڑتے بھی رہتے ہیں۔ ہائیڈرولائسز ایک کیمیائی عمل ہے جس میں میکرو مالیکیول (پولیمر) پانی کے مالیکیولز کے اضافے سے چھوٹے ٹکڑوں میں ٹوٹ جاتا ہے۔ یہ ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز کا الٹ ہے۔ خلیات مونومرز کے درمیان بانڈز کو پانی ملا کر توڑتے ہیں۔ اس عمل میں پانی کے مالیکیول سے OH گروپ ایک مونومر سے اور ہائیڈروجن دوسرے مونومر سے جڑ جاتا ہے۔ پانی کے ایک مالیکیول کے اضافے سے مالٹوز کا دو گلوکوز مونومرز میں ٹوٹنا ہائیڈرولائسز کی مثال ہے۔
نوٹ: مونومرز سے پانی نکالنے پر کیمیائی بانڈز توڑنے کے لیے توانائی درکار ہوتی ہے۔ اس لیے خلیات کو میکرو مالیکیولز بنانے کے لیے توانائی فراہم کرنا پڑتی ہے۔ میکرو مالیکیولز کا یہ ٹوٹنا مختلف حیاتیاتی عملوں جیسے ہضم اور خلوی تنفس میں ضروری ہے جہاں توانائی کی پیداوار کے لیے چھوٹے مالیکیولز درکار ہوتے ہیں۔
An oxide of hydrogen, water has the chemical formula H2O. This seemingly simple molecule has many surprising properties, which give it the status of "the medium of life". About two third of our bodies are composed of water and we cannot exist without it. In fact, it is the most abundant compound found in all organisms. Its concentration varies from 65 to 89 percent in different organisms. In multicellular organisms, its concentration varies from tissue to tissue. For example, bone cells are made up of about 20 percent water and brain cells contain 85 percent water. Water plays important roles in making and maintaining the matter of life (protoplasm) and in establishing suitable environment, necessary for the working of life. Water has many important properties which make it essential for life.
Solvent Properties. The ability of water to dissolve a wide variety of substances is due to its two properties, the polarity of water molecules and the ability of water molecules to form hydrogen bonds. The water molecule has distinct ends, each with a partial charge. Hydrogen atom is partially positive and oxygen atom is partially negative. Such molecules are called polar molecules. Partial negative charge at one end of a water molecule is attracted to partial positive of another water molecule. This weak attraction is called a hydrogen bond. Water forms a network of such bonds. Many of the properties of water are due to hydrogen bonds in water. Hydrogen bonds help in maintaining the three-dimensional structures of proteins and the double helix structure of DNA. Without hydrogen bonding water would boil at −80°C and freeze at −100°C making life impossible.
Due to the polar nature of water molecules, they gather around any other molecule that has an electrical charge, whether in the form of full charge (ions) or partial charge (polar molecules). For example, when sodium chloride (a salt) is placed in water, it breaks into positive (Na+) and negative ions (Cl−). These ions are surrounded by opposite partial ends of water molecules (Figure 4.7). Similarly, when a glucose is placed in water, the molecules of water form hydrogen bonds with polar hydroxyl groups of glucose molecules. In this way, glucose dissolves in water (Figure 4.8). It means that charged or polar molecules are soluble in water. In the state of solution, ions and molecules can react with each other easily. So, water provides a medium for chemical reactions i.e., metabolism of cells.
Charged or polar molecules such as salts, sugars, amino acids dissolve readily in water and so are called hydrophilic ("water loving"). Uncharged or non-polar molecules such as lipids do not dissolve in water and are called hydrophobic ("water hating").
Hydrophobic Exclusion. Non-polar or uncharged molecules are insoluble in water because water molecules do not make hydrogen bonds with them. When they are placed in water, water molecules move them out. The insoluble molecules make hydrophobic associations with one another. For example, lipids molecules are insoluble in water. When they are excluded from water, they make strong associations among themselves. Therefore, lipids help to maintain membranes of cells.
Heat Capacity. Specific heat capacity is defined as the number of calories (amount of heat) required to raise the temperature of 1 gram of a substance from 15°C to 16°C (i.e., 1°C). Water has a high specific heat capacity i.e., 4.184 Joules. It means that water has great ability to absorb and releasing heat with minimum change in its own temperature. Most of the heat energy absorbed by water is used to break hydrogen bonds between its molecules. Due to this breakage of hydrogen bonds, individual water molecules start moving more freely and temperature of water rises. Due to high specific heat capacity, water heats up more slowly. Similarly, when it is given a cooler environment, it holds its temperature longer. Water thus works as temperature stabilizer not only for organisms' internal environment but also for their external environment. Specific heat of water is twice than that of most carbon compounds and is nine times more than that of iron.
Heat of Vaporization. It is the amount of heat required to change a liquid to gas. Water has high heat of vaporization. So, it absorbs much heat while changing from liquid state to gas. Its heat of vaporization is 574 Kcal/kg which means a considerable amount of heat energy (574 Kcal) is required to change 1 kg of liquid water into vapours. Due to this property, Earth's temperature is kept moderate. It also provides cooling effects to plants and animals when they transpire and perspire (sweat). Every gram of water that evaporates from plant or animals' body surface removes 574 calories of heat from the body. Evaporation of 2 ml of water out of 1 litre lowers the temperature of the remaining 998 ml water by 1°C.
Cohesion. Hydrogen bonds among water molecules enable them to "stick together". This type of attraction between same type of molecules is called cohesion. Inside water, molecules have high cohesion. The cohesion of water is important for living world. Plants depend on cohesion among water molecules for the transport of water and nutrients from roots to leaves. The evaporation of water from a leaf exerts a pulling force on water within xylem vessels of the leaf. Because of this cohesion, the force is relayed through xylem vessels all the way down to roots. As a result, water rises against the force of gravity.
Hydrogen bonds also give water high surface tension. Water behaves as if it were coated with some invisible film. You can see in Figure 4.10, the insect water-strider walks on water without breaking surface.
Ionization of Water. When the covalent bonds among the atoms of water molecule break, water is ionized to form hydrogen ions (H+) and hydroxyl ions (OH−). At normal conditions, this reaction is reversible and equilibrium is maintained. At room temperature (25°C), in a litre of water one molecule out of each 550 million is ionized and thus the concentration of each of H+ and OH− in pure water remains at 10−7 moles/litre. H+ and OH− ions take part in many chemical reactions in the cells e.g., hydrolysis of macromolecules. Relative concentrations of H+ and OH− ions determine the acidity and alkalinity of medium i.e., pH of medium. The pH affects the biochemical reactions. Enzymes work best at specific pH. Acids combine with OH− ions, leaving H+ ions in medium and make medium acidic. Similarly bases combine with H+ ions, leaving OH− ions in medium, and make medium basic.
Maximum Density at 4°C. Water exhibits its maximum density at 4°C. Its density decreases when the temperature lowers. It is because of the hydrogen bonds which keep water molecules relatively far apart. When temperature falls to 0°C, water freezes but the resulting ice is less dense than liquid water, because at this temperature, hydrogen bonding keeps water molecules further apart than in liquid water. In rivers, streams or lakes, ice is formed on the surface water due to falling of temperature. As ice is less dense than water, it floats on surface. It acts as an insulator and does not allow heat to escape from the water beneath it. In this way aquatic organisms are protected.
| Properties | Bonding | Benefits to life |
|---|---|---|
| Best solvent | Polarity | Provides medium for chemical reactions |
| Maximum heat capacity | Hydrogen bonding | Keeps temperature constant internally and externally for organism |
| Maximum density at 4°C | Change in hydrogen bonding | Ice floats on water |
| High heat of vaporization | Hydrogen bonding | Moderates Earth's temperature |
| Ionization | Covalent bond breaks | Determine the acidity and alkalinity of medium |
| Cohesion | Polarity, Hydrogen bonding | Water and nutrients are transported from roots to leaves |
ہائیڈروجن کا آکسائیڈ، پانی کا کیمیائی فارمولا H2O ہے۔ اس بظاہر سادہ مالیکیول میں بہت سی حیران کن خصوصیات ہیں جو اسے "زندگی کا ذریعہ" کا درجہ دیتی ہیں۔ ہمارے جسم کا تقریباً دو تہائی حصہ پانی سے بنا ہے اور ہم اس کے بغیر زندہ نہیں رہ سکتے۔ درحقیقت یہ تمام جانداروں میں پایا جانے والا سب سے زیادہ مرکب ہے۔ مختلف جانداروں میں اس کی ارتکاز 65 سے 89 فیصد تک ہوتی ہے۔ کثیر خلوی جانداروں میں اس کی ارتکاز ٹشو سے ٹشو تک بدلتی ہے۔ مثال کے طور پر ہڈیوں کے خلیات تقریباً 20 فیصد پانی سے بنے ہوتے ہیں اور دماغ کے خلیات میں 85 فیصد پانی ہوتا ہے۔ پانی زندگی کے مادے (پروٹوپلازم) کو بنانے اور برقرار رکھنے میں اور زندگی کے کام کے لیے موزوں ماحول قائم کرنے میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔ پانی کی بہت سی اہم خصوصیات ہیں جو اسے زندگی کے لیے ضروری بناتی ہیں۔
سالونٹ خصوصیات۔ پانی کی بہت سی چیزوں کو حل کرنے کی صلاحیت اس کی دو خصوصیات کی وجہ سے ہے، پانی کے مالیکیولز کی پولرٹی اور پانی کے مالیکیولز کی ہائیڈروجن بانڈز بنانے کی صلاحیت۔ پانی کے مالیکیول کے الگ الگ سرے ہوتے ہیں جن میں سے ہر ایک میں جزوی چارج ہوتا ہے۔ ہائیڈروجن ایٹم جزوی طور پر مثبت اور آکسیجن ایٹم جزوی طور پر منفی ہوتا ہے۔ ایسے مالیکیولز پولر مالیکیولز کہلاتے ہیں۔ پانی کے ایک مالیکیول کے ایک سرے کا جزوی منفی چارج دوسرے پانی کے مالیکیول کے جزوی مثبت کی طرف کھنچتا ہے۔ اس کمزور کشش کو ہائیڈروجن بانڈ کہتے ہیں۔ پانی ایسے بانڈز کا جال بناتا ہے۔ پانی کی بہت سی خصوصیات پانی میں ہائیڈروجن بانڈز کی وجہ سے ہیں۔ ہائیڈروجن بانڈز پروٹینز کی تین جہتی ساختوں اور ڈی این اے کی ڈبل ہیلکس ساخت کو برقرار رکھنے میں مدد دیتے ہیں۔ ہائیڈروجن بانڈنگ کے بغیر پانی −80°C پر ابلتا اور −100°C پر جم جاتا جس سے زندگی ناممکن ہو جاتی۔
پانی کے مالیکیولز کی پولر فطرت کی وجہ سے وہ کسی بھی دوسرے مالیکیول کے گرد جمع ہو جاتے ہیں جس میں برقی چارج ہو، چاہے مکمل چارج (آئنز) کی صورت میں ہو یا جزوی چارج (پولر مالیکیولز) کی صورت میں۔ مثال کے طور پر جب سوڈیم کلورائیڈ (نمک) پانی میں ڈالا جاتا ہے تو وہ مثبت (Na+) اور منفی آئنز (Cl−) میں ٹوٹ جاتا ہے۔ یہ آئنز پانی کے مالیکیولز کے مخالف جزوی سروں سے گھر جاتے ہیں (شکل 4.7)۔ اسی طرح جب گلوکوز پانی میں ڈالا جاتا ہے تو پانی کے مالیکیولز گلوکوز مالیکیولز کے پولر ہائیڈروکسل گروپوں سے ہائیڈروجن بانڈز بناتے ہیں۔ اس طرح گلوکوز پانی میں حل ہو جاتا ہے (شکل 4.8)۔ اس کا مطلب ہے کہ چارج والے یا پولر مالیکیولز پانی میں حل پذیر ہوتے ہیں۔ محلول کی حالت میں آئنز اور مالیکیولز ایک دوسرے سے آسانی سے تعامل کر سکتے ہیں۔ اس لیے پانی کیمیائی تعاملات یعنی خلیات کے میٹابولزم کے لیے ذریعہ فراہم کرتا ہے۔
چارج والے یا پولر مالیکیولز جیسے نمکیات، شکر، امینو ایسڈز پانی میں آسانی سے حل ہو جاتے ہیں اور اس لیے ہائیڈروفیلک ("پانی سے محبت کرنے والے") کہلاتے ہیں۔ غیر چارج والے یا غیر پولر مالیکیولز جیسے لپڈز پانی میں حل نہیں ہوتے اور ہائیڈروفوبک ("پانی سے نفرت کرنے والے") کہلاتے ہیں۔
ہائیڈروفوبک اخراج۔ غیر پولر یا غیر چارج والے مالیکیولز پانی میں حل نہیں ہوتے کیونکہ پانی کے مالیکیولز ان سے ہائیڈروجن بانڈز نہیں بناتے۔ جب انہیں پانی میں ڈالا جاتا ہے تو پانی کے مالیکیولز انہیں باہر نکال دیتے ہیں۔ غیر حل پذیر مالیکیولز ایک دوسرے سے ہائیڈروفوبک تعلق بناتے ہیں۔ مثال کے طور پر لپڈز کے مالیکیولز پانی میں حل نہیں ہوتے۔ جب انہیں پانی سے نکالا جاتا ہے تو وہ آپس میں مضبوط تعلق بناتے ہیں۔ اس لیے لپڈز خلیات کی ممبرینز برقرار رکھنے میں مدد دیتے ہیں۔
حرارت کی گنجائش۔ مخصوص حرارت کی گنجائش کی تعریف کیلوریز (حرارت کی مقدار) کی تعداد سے کی جاتی ہے جو کسی مادے کے 1 گرام کا درجہ حرارت 15°C سے 16°C (یعنی 1°C) تک بڑھانے کے لیے درکار ہوتی ہے۔ پانی کی مخصوص حرارت کی گنجائش زیادہ ہے یعنی 4.184 جولز۔ اس کا مطلب ہے کہ پانی اپنے درجہ حرارت میں کم سے کم تبدیلی کے ساتھ حرارت جذب اور خارج کرنے کی بڑی صلاحیت رکھتا ہے۔ پانی سے جذب ہونے والی زیادہ تر حرارت اس کے مالیکیولز کے درمیان ہائیڈروجن بانڈز توڑنے میں استعمال ہوتی ہے۔ ہائیڈروجن بانڈز کے اس ٹوٹنے کی وجہ سے پانی کے انفرادی مالیکیولز زیادہ آزادانہ حرکت کرنے لگتے ہیں اور پانی کا درجہ حرارت بڑھتا ہے۔ زیادہ مخصوص حرارت کی گنجائش کی وجہ سے پانی آہستہ گرم ہوتا ہے۔ اسی طرح جب اسے ٹھنڈا ماحول دیا جاتا ہے تو وہ اپنا درجہ حرارت زیادہ دیر تک رکھتا ہے۔ اس طرح پانی نہ صرف جانداروں کے اندرونی ماحول بلکہ ان کے بیرونی ماحول کے لیے بھی درجہ حرارت کو مستحکم رکھنے کا کام کرتا ہے۔ پانی کی مخصوص حرارت زیادہ تر کاربن مرکبات سے دوگنا اور لوہے سے نو گنا زیادہ ہے۔
بخارات بننے کی حرارت۔ یہ وہ حرارت کی مقدار ہے جو مائع کو گیس میں بدلنے کے لیے درکار ہوتی ہے۔ پانی کی بخارات بننے کی حرارت زیادہ ہے۔ اس لیے مائع حالت سے گیس میں بدلتے ہوئے وہ بہت زیادہ حرارت جذب کرتا ہے۔ اس کی بخارات بننے کی حرارت 574 Kcal/kg ہے جس کا مطلب ہے کہ 1 کلو گرام مائع پانی کو بخارات میں بدلنے کے لیے کافی حرارت (574 Kcal) درکار ہوتی ہے۔ اس خصوصیت کی وجہ سے زمین کا درجہ حرارت معتدل رہتا ہے۔ یہ پودوں اور جانوروں کو بھی ٹھنڈک دیتی ہے جب وہ ٹرانسپائر اور پسینہ (پسینہ) کرتے ہیں۔ پودے یا جانور کے جسم کی سطح سے بخارات بننے والا ہر گرام پانی جسم سے 574 کیلوریز حرارت نکال دیتا ہے۔ 1 لیٹر میں سے 2 ملی لیٹر پانی کے بخارات بننے سے باقی 998 ملی لیٹر پانی کا درجہ حرارت 1°C کم ہو جاتا ہے۔
ہم آہنگی (کوہیشن)۔ پانی کے مالیکیولز کے درمیان ہائیڈروجن بانڈز انہیں "ایک ساتھ چپکنے" میں مدد دیتے ہیں۔ ایک ہی قسم کے مالیکیولز کے درمیان اس قسم کی کشش کو کوہیشن کہتے ہیں۔ پانی کے اندر مالیکیولز میں زیادہ کوہیشن ہوتی ہے۔ پانی کی کوہیشن زندہ دنیا کے لیے اہم ہے۔ پودے جڑوں سے پتوں تک پانی اور غذائی اجزا کی نقل و حمل کے لیے پانی کے مالیکیولز کے درمیان کوہیشن پر انحصار کرتے ہیں۔ پتے سے پانی کے بخارات بننے سے پتے کی زائلم نالیوں میں پانی پر کھنچاؤ کی قوت لگتی ہے۔ اس کوہیشن کی وجہ سے یہ قوت زائلم نالیوں سے ہوتی ہوئی جڑوں تک پہنچ جاتی ہے۔ نتیجے کے طور پر پانی کشش ثقل کی قوت کے خلاف اوپر اٹھتا ہے۔
ہائیڈروجن بانڈز پانی کو زیادہ سطحی تناؤ بھی دیتے ہیں۔ پانی ایسا برتاؤ کرتا ہے جیسے اس پر کسی نظر نہ آنے والی فلم کی تہہ ہو۔ آپ شکل 4.10 میں دیکھ سکتے ہیں کہ کیڑا واٹر اسٹرائیڈر سطح کو توڑے بغیر پانی پر چلتا ہے۔
پانی کی آئنائزیشن۔ جب پانی کے مالیکیول کے ایٹموں کے درمیان کوویلنٹ بانڈز ٹوٹتے ہیں تو پانی آئنائز ہو کر ہائیڈروجن آئنز (H+) اور ہائیڈروکسل آئنز (OH−) بناتا ہے۔ عام حالات میں یہ تعامل الٹا ہوتا ہے اور توازن برقرار رہتا ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت (25°C) پر ایک لیٹر پانی میں ہر 550 ملین میں سے ایک مالیکیول آئنائز ہوتا ہے اور اس طرح خالص پانی میں H+ اور OH− میں سے ہر ایک کی ارتکاز 10−7 moles/litre رہتی ہے۔ H+ اور OH− آئنز خلیات میں بہت سے کیمیائی تعاملات میں حصہ لیتے ہیں جیسے میکرو مالیکیولز کی ہائیڈرولائسز۔ H+ اور OH− آئنز کی نسبتہ ارتکاز ذریعے کی تیزابیت اور اساسیت یعنی ذریعے کا pH طے کرتی ہے۔ pH بائیوکیمیکل تعاملات کو متاثر کرتا ہے۔ انزائمز مخصوص pH پر بہترین کام کرتے ہیں۔ تیزاب OH− آئنز سے مل جاتے ہیں اور ذریعے میں H+ آئنز چھوڑ کر ذریعے کو تیزابی بنا دیتے ہیں۔ اسی طرح اساس H+ آئنز سے مل جاتے ہیں اور OH− آئنز چھوڑ کر ذریعے کو اساسی بنا دیتے ہیں۔
4°C پر زیادہ سے زیادہ کثافت۔ پانی 4°C پر اپنی زیادہ سے زیادہ کثافت ظاہر کرتا ہے۔ درجہ حرارت کم ہونے پر اس کی کثافت کم ہو جاتی ہے۔ اس کی وجہ ہائیڈروجن بانڈز ہیں جو پانی کے مالیکیولز کو نسبتاً دور رکھتے ہیں۔ جب درجہ حرارت 0°C تک گرتا ہے تو پانی جم جاتا ہے لیکن بننے والی برف مائع پانی سے کم کثیف ہوتی ہے کیونکہ اس درجہ حرارت پر ہائیڈروجن بانڈنگ پانی کے مالیکیولز کو مائع پانی سے زیادہ دور رکھتی ہے۔ دریاؤں، ندیوں یا جھیلوں میں درجہ حرارت گرنے سے سطحی پانی پر برف بنتی ہے۔ چونکہ برف پانی سے کم کثیف ہوتی ہے اس لیے وہ سطح پر تیرتی ہے۔ یہ انسولیٹر کا کام کرتی ہے اور اس کے نیچے پانی سے حرارت کو نکلنے نہیں دیتی۔ اس طرح آبی جاندار محفوظ رہتے ہیں۔
| خصوصیات | بانڈنگ | زندگی کے لیے فوائد |
|---|---|---|
| بہترین سالونٹ | پولرٹی | کیمیائی تعاملات کے لیے ذریعہ فراہم کرتا ہے |
| زیادہ سے زیادہ حرارت کی گنجائش | ہائیڈروجن بانڈنگ | جاندار کے لیے اندرونی اور بیرونی طور پر درجہ حرارت مستقل رکھتا ہے |
| 4°C پر زیادہ سے زیادہ کثافت | ہائیڈروجن بانڈنگ میں تبدیلی | برف پانی پر تیرتی ہے |
| بخارات بننے کی زیادہ حرارت | ہائیڈروجن بانڈنگ | زمین کا درجہ حرارت معتدل رکھتا ہے |
| آئنائزیشن | کوویلنٹ بانڈ ٹوٹنا | ذریعے کی تیزابیت اور اساسیت طے کرتا ہے |
| کوہیشن | پولرٹی، ہائیڈروجن بانڈنگ | پانی اور غذائی اجزا جڑوں سے پتوں تک پہنچتے ہیں |
Carbohydrate are naturally occurring organic compounds. The word "carbohydrate" literally means "hydrated carbon". Carbohydrates are synthesized as the primary products of photosynthesis. During photosynthesis, when reduction of CO2 occurs, the resulting carbohydrate molecule contains carbon, hydrogen and oxygen in the molar ratio of 1:2:1. Their empirical formula is C(H2O)n where 'n' is the number of carbon atoms.
Classification of Carbohydrates. Carbohydrates are also known as "Saccharides" (Latin: "Saccharum" meaning sugar) and are classified into three groups after this name: 1. Monosaccharides 2. Disaccharides, and 3. Polysaccharides.
1- Monosaccharides. Monosaccharides (simple sugars) are made of single sugar molecule. They are easily soluble in water. They may have 3 – 7 carbon atoms. They are further classified into subgroups on the basis of number of carbon atoms. Pentoses and hexoses are most common and found in all living organisms. Hexoses play central role in energy storage. The primary energy-storage molecule is glucose with seven energy-storing CH bonds. Its molecular formula is C6H12O6.
| Monosaccharides | Carbon atoms | Formula | Examples |
|---|---|---|---|
| Trioses | 3 | C3H6O3 | Glyceraldehyde, Dihydroxyacetone |
| Tetroses | 4 | C4H8O4 | Erythrose, Erythrulose (intermediate in photosynthesis in bacteria) |
| Pentoses | 5 | C5H10O5 | Ribose, Deoxyribose (C5H10O4), Ribulose |
| Hexoses | 6 | C6H12O6 | Glucose, Fructose, Galactose |
| Heptoses | 7 | C7H14O7 | Rare in nature (intermediate in photosynthesis) |
Isomers of monosaccharides. The molecules which have the same number of atoms (same molecular formula) but differ in how the atoms are arranged (different structural formula) are called isomers of each other. For example, glucose is not the only monosaccharide with the formula C6H12O6. Fructose and galactose also have the same molecular formula but their structural formulas are different. The structural and orientation differences have important consequences in the making of polymers.
In fructose, the double-bonded oxygen is attached to an internal carbon (no. 2) rather than to a terminal one. In other words, glucose and fructose are structural isomers. Glucose and galactose have a difference in orientation of one hydroxyl (OH) group at carbon no. 4 (Figure 4.12). It means that glucose and galactose are stereoisomers.
Common five-carbon or pentose sugars include ribose and deoxyribose (found in nucleic acids and ATP) and ribulose (which occurs as a precursor in photosynthesis).
Ring Structures of Monosaccharides. When in solution, most of the monosaccharides form ring structures. Ring formation occurs when an oxygen-bridge develops between two carbon atoms of the same sugar molecule (Figure 4.14). In case of glucose, oxygen-bridge develops between carbon number 1 and 5. So, a six cornered ring is formed. In galactose too, oxygen-bridge is formed between carbon number 1 and 5. It again gives a six-cornered ring. In fructose, oxygen-bridge is formed between carbon number 2 and 5. So, a five cornered ring is formed. When ribose goes in solution, oxygen-bridge develops between carbon number 1 and 4. So, a five cornered ring is formed.
There are two forms of D-glucose i.e., alpha-D-glucose and beta-D-glucose. They differ only in the direction of OH groups on carbon 1. The alpha-D-glucose has OH group on the lower side while the beta-D-glucose has OH group on above side. When many alpha-D-glucose molecules join together, they form a polymer called starch. When many beta-D-glucose molecules join together, they form a polymer called cellulose.
Fischer and Haworth projections are two ways to represent the structure of sugar molecules. The Fischer projection was devised by German chemist Emil Fischer in 1891, in a Fischer projection the carbohydrate is shown in its open chain form, rather than a cyclical one. The Haworth projection is named after British chemist Sir Norman Haworth. It shows sugars in their cyclic forms.
2- Disaccharides. They are made from two monosaccharides by the process of dehydration synthesis. The covalent bond between two monosaccharide is called glycosidic bond. On hydrolysis, they yield monosaccharide monomers, of which they are made. As compared to monosaccharides, they are less soluble in water. Physiologically important disaccharides are:
Maltose (Malt Sugar). It is made up of two glucose monomers. The glucose molecules are attached by 1,4-glycosidic bond between carbon 1 of one and carbon 4 of the other glucose. It is found in many cereals (wheat, corn etc.) and is also formed (as an intermediate product) during the digestion of starch (Figure 4.15).
Lactose (Milk Sugar). It is made up of one glucose and one galactose subunit i.e., it is galactose 1-4 glucose. It is found only in mammalian milk, and is the main source of energy for infant mammals.
Sucrose (Cane Sugar). It is made up of one glucose and one fructose subunits i.e., it is glucose 1-2 fructose. It is the most familiar disaccharide and is also known as table sugar. It acts as a sweetener in our food. Its molecular formula is (C11H22O11). It is also found in phloem vessels of higher plants where it acts as the transport product for the conduction of glucose to and from different parts of plant. That is why it is also known as transport disaccharide.
By 1950, food sweeteners were taken from sucrose extracted from sugarcane and beet. In a small part of market, sweeteners were obtained by breaking down the starch of corn into glucose monomers. Because glucose is only half as sweet as sucrose, this method was not a serious rival to cane and beet sugar. In 1980s, a method was developed to convert the glucose, obtained from corn starch, into its isomer i.e., fructose. Fructose is even sweeter than sucrose. The resulting high-fructose corn syrup is inexpensive and has replaced sucrose in many prepared foods. The manufacturers of soft drinks "Cola", were the largest commercial users of sucrose in the world. Now they have almost completely replaced sucrose with high-fructose corn syrup.
3- Polysaccharides. Polysaccharides are the most complex and most abundant carbohydrates found in nature. They are long chains of many monosaccharides joined together by glycosidic bonds. There are three important polysaccharides:
Starch. Starch is the plant storage polysaccharide. It is insoluble and forms starch granules inside many plant cells. Because it is insoluble, it does not change water potential of plant cells. So, it does not cause the cells to take up water by osmosis. Starch is not a pure substance, but is a mixture of amylose and amylopectin (Figure 4.18). Amylose is a chain made of glucose monomers (with 1,4-glycosidic linkages). It is straight and unbranched. However, it tends to coil up into a helix. Amylopectin is also a chain of glucose monomers (with 1,4-glycosidic linkages). It also has branches (with 1,6-glycosidic linkages). In this way, it has more ends that can be broken down more quickly by amylase enzymes. Both amylase and amylopectin are broken down by the enzyme amylase into maltose, though at different rates.
Glycogen. It is similar in structure to amylopectin. It is a chain of glucose monomers (with 1,4-glycosidic linkages) with branches (with 1,6-glycosidic linkages). It is made by animals as their storage polysaccharide, and is found mainly in muscles and liver. Because it is so highly branched, it can be broken down to glucose very quickly.
Cellulose. Cellulose is only found in plants, where it is the main component of cell walls. It is a chain of glucose monomers (with 1,4-glycosidic linkages), but with a different isomer of glucose. Starch and glycogen contain alpha-glucose, in which OH group on carbon 1 sticks down from the ring, while cellulose contains beta-glucose, in which OH group on carbon 1 sticks up. This means that in cellulose, alternate glucose molecules are inverted (Figure 4.20). This apparently tiny difference makes a huge difference in structure and properties. The alpha 1-4 glucose polymer in starch coils up to form granules. On the other hand, the beta 1-4 glucose polymer in cellulose forms straight chains. Hundreds of these chains are linked together by hydrogen bonds to form cellulose microfibrils. These microfibrils make cellulose fibrils (Figure 4.21). They are very strong and rigid, and give strength to plant cells, and therefore to young plants and also to materials such as paper, cotton etc.
The beta-glycosidic bond cannot be broken by amylase, it requires a specific cellulase enzyme. Some bacteria and some protozoans are only organisms that possess cellulase enzyme. Herbivore animals, like cows and termites whose diet is mainly cellulose, have mutualistic bacteria in their guts. These bacteria digest their cellulose. Humans cannot digest cellulose, and it is referred to as dietary fibre.
Chitin. It is a modified form of cellulose. It is found in the exoskeletons of crabs, lobsters and insects. It also makes the cell wall of fungi. Like cellulose, it is also a polymer of glucose. The linkage between glucose monomers is also like that found in cellulose. However, in chitin each glucose molecule has been modified by the addition of a nitrogen-containing group (Figure 4.22). Only few organisms can digest it.
Pectin and Lignin: They are also the polysaccharides used as building material. They are present in the cell walls of plant cells.
Agar: It is found in the cell walls of red algae. It is used as a thickener in foods. It is also used as a medium on which bacteria and fungi are grown in laboratories.
Murein: It is a sugar-peptide polymer and is found in the cell walls of prokaryotes.
کاربوہائیڈریٹس قدرتی طور پر پائے جانے والے نامیاتی مرکبات ہیں۔ لفظ "کاربوہائیڈریٹ" کا لفظی مطلب "ہائیڈریٹڈ کاربن" ہے۔ کاربوہائیڈریٹس فوٹوسنتھیسز کی بنیادی مصنوعات کے طور پر بنتے ہیں۔ فوٹوسنتھیسز کے دوران جب CO2 کی ریڈکشن ہوتی ہے تو بننے والے کاربوہائیڈریٹ مالیکیول میں کاربن، ہائیڈروجن اور آکسیجن 1:2:1 کے مولر تناسب میں ہوتے ہیں۔ ان کا تجرباتی فارمولا C(H2O)n ہے جہاں 'n' کاربن ایٹموں کی تعداد ہے۔
کاربوہائیڈریٹس کی درجہ بندی۔ کاربوہائیڈریٹس "سیکرائیڈز" بھی کہلاتے ہیں (لاطینی: "سیکرم" یعنی شکر) اور اس نام کے بعد انہیں تین گروپوں میں تقسیم کیا جاتا ہے: 1۔ مونوسکرائیڈز 2۔ ڈائی سکرائیڈز اور 3۔ پولی سکرائیڈز۔
1۔ مونوسکرائیڈز۔ مونوسکرائیڈز (سادہ شکر) ایک شکر مالیکیول سے بنے ہوتے ہیں۔ یہ پانی میں آسانی سے حل ہو جاتے ہیں۔ ان میں 3 سے 7 کاربن ایٹم ہو سکتے ہیں۔ انہیں کاربن ایٹموں کی تعداد کی بنیاد پر مزید ذیلی گروپوں میں تقسیم کیا جاتا ہے۔ پینٹوز اور ہیکسوز سب سے عام ہیں اور تمام زندہ جانداروں میں پائے جاتے ہیں۔ ہیکسوز توانائی کے ذخیرے میں مرکزی کردار ادا کرتے ہیں۔ توانائی ذخیرہ کرنے والا بنیادی مالیکیول گلوکوز ہے جس میں توانائی ذخیرہ کرنے والے سات C-H بانڈز ہوتے ہیں۔ اس کا مالیکیولر فارمولا C6H12O6 ہے۔
| مونوسکرائیڈز | کاربن ایٹم | فارمولا | مثالیں |
|---|---|---|---|
| ٹرائیوز | 3 | C3H6O3 | گلیسرالڈیہائیڈ، ڈائی ہائیڈروکسی ایسیٹون |
| ٹیٹروز | 4 | C4H8O4 | ایریتھروز، ایریتھریولوز (بیکٹیریا میں فوٹوسنتھیسز میں درمیانی) |
| پینٹوز | 5 | C5H10O5 | رائبوز، ڈی آکسی رائبوز (C5H10O4)، رائبیلوز |
| ہیکسوز | 6 | C6H12O6 | گلوکوز، فرکٹوز، گلیکٹوز |
| ہیپٹوز | 7 | C7H14O7 | فطرت میں نایاب (فوٹوسنتھیسز میں درمیانی) |
مونوسکرائیڈز کے آئسومرز۔ وہ مالیکیولز جن میں ایٹموں کی تعداد ایک جیسی ہو (ایک جیسا مالیکیولر فارمولا) لیکن ایٹموں کی ترتیب مختلف ہو (مختلف سٹرکچرل فارمولا) ایک دوسرے کے آئسومرز کہلاتے ہیں۔ مثال کے طور پر گلوکوز C6H12O6 فارمولے والا واحد مونوسکرائیڈ نہیں ہے۔ فرکٹوز اور گلیکٹوز کا بھی وہی مالیکیولر فارمولا ہے لیکن ان کے سٹرکچرل فارمولے مختلف ہیں۔ سٹرکچرل اور اورینٹیشن کے فرق پولیمرز بننے میں اہم نتائج رکھتے ہیں۔
فرکٹوز میں ڈبل بانڈ والی آکسیجن اندرونی کاربن (نمبر 2) سے جڑی ہوتی ہے نہ کہ آخری کاربن سے۔ دوسرے لفظوں میں گلوکوز اور فرکٹوز سٹرکچرل آئسومرز ہیں۔ گلوکوز اور گلیکٹوز میں کاربن نمبر 4 پر ایک ہائیڈروکسل (OH) گروپ کی اورینٹیشن میں فرق ہے (شکل 4.12)۔ اس کا مطلب ہے کہ گلوکوز اور گلیکٹوز اسٹیریو آئسومرز ہیں۔
عام پانچ کاربن والی (پینٹوز) شکروں میں رائبوز اور ڈی آکسی رائبوز (نیوکلیک ایسڈز اور ATP میں پائی جاتی ہیں) اور رائبیلوز (جو فوٹوسنتھیسز میں پیش خیمہ کے طور پر ہوتی ہے) شامل ہیں۔
مونوسکرائیڈز کی رنگ ساختیں۔ محلول میں زیادہ تر مونوسکرائیڈز رنگ ساختیں بناتے ہیں۔ رنگ بننا اس وقت ہوتا ہے جب ایک ہی شکر مالیکیول کے دو کاربن ایٹموں کے درمیان آکسیجن پل بن جاتا ہے (شکل 4.14)۔ گلوکوز کے معاملے میں آکسیجن پل کاربن نمبر 1 اور 5 کے درمیان بنتا ہے۔ اس لیے چھ کونوں والی رنگ بنتی ہے۔ گلیکٹوز میں بھی آکسیجن پل کاربن نمبر 1 اور 5 کے درمیان بنتا ہے۔ یہ پھر چھ کونوں والی رنگ دیتی ہے۔ فرکٹوز میں آکسیجن پل کاربن نمبر 2 اور 5 کے درمیان بنتا ہے۔ اس لیے پانچ کونوں والی رنگ بنتی ہے۔ جب رائبوز محلول میں جاتا ہے تو آکسیجن پل کاربن نمبر 1 اور 4 کے درمیان بنتا ہے۔ اس لیے پانچ کونوں والی رنگ بنتی ہے۔
D-گلوکوز کی دو شکلیں ہیں یعنی الفا-D-گلوکوز اور بیٹا-D-گلوکوز۔ وہ صرف کاربن 1 پر OH گروپوں کی سمت میں مختلف ہیں۔ الفا-D-گلوکوز میں OH گروپ نیچے کی طرف ہوتا ہے جبکہ بیٹا-D-گلوکوز میں OH گروپ اوپر کی طرف ہوتا ہے۔ جب بہت سے الفا-D-گلوکوز مالیکیولز آپس میں ملتے ہیں تو وہ اسٹارچ نامی پولیمر بناتے ہیں۔ جب بہت سے بیٹا-D-گلوکوز مالیکیولز آپس میں ملتے ہیں تو وہ سیلولوز نامی پولیمر بناتے ہیں۔
فشر اور ہاورتھ پروجیکشنز شکر مالیکیولز کی ساخت ظاہر کرنے کے دو طریقے ہیں۔ فشر پروجیکشن جرمن کیمسٹ ایمل فشر نے 1891 میں بنائی تھی، فشر پروجیکشن میں کاربوہائیڈریٹ کو اس کی کھلی زنجیر کی صورت میں دکھایا جاتا ہے نہ کہ چکری صورت میں۔ ہاورتھ پروجیکشن برطانوی کیمسٹ سر نارمن ہاورتھ کے نام پر ہے۔ یہ شکروں کو ان کی چکری صورتوں میں دکھاتی ہے۔
2۔ ڈائی سکرائیڈز۔ یہ ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز کے عمل سے دو مونوسکرائیڈز سے بنتے ہیں۔ دو مونوسکرائیڈز کے درمیان کوویلنٹ بانڈ کو گلائکوسڈک بانڈ کہتے ہیں۔ ہائیڈرولائسز پر وہ مونوسکرائیڈ مونومرز دیتے ہیں جن سے وہ بنے ہوتے ہیں۔ مونوسکرائیڈز کے مقابلے میں وہ پانی میں کم حل پذیر ہوتے ہیں۔ جسمانی طور پر اہم ڈائی سکرائیڈز یہ ہیں:
مالٹوز (مالٹ شکر)۔ یہ دو گلوکوز مونومرز سے بنا ہوتا ہے۔ گلوکوز مالیکیولز ایک گلوکوز کے کاربن 1 اور دوسرے گلوکوز کے کاربن 4 کے درمیان 1,4-گلائکوسڈک بانڈ سے جڑے ہوتے ہیں۔ یہ بہت سے اناج (گندم، مکئی وغیرہ) میں پایا جاتا ہے اور اسٹارچ کے ہضم کے دوران (درمیانی مصنوعات کے طور پر) بھی بنتا ہے (شکل 4.15)۔
لیکٹوز (دودھ کی شکر)۔ یہ ایک گلوکوز اور ایک گلیکٹوز سب یونٹ سے بنا ہوتا ہے یعنی یہ گلیکٹوز 1-4 گلوکوز ہے۔ یہ صرف ممالیہ جانوروں کے دودھ میں پایا جاتا ہے اور شیر خوار ممالیہ جانوروں کے لیے توانائی کا بنیادی ذریعہ ہے۔
سکروز (گنے کی شکر)۔ یہ ایک گلوکوز اور ایک فرکٹوز سب یونٹس سے بنا ہوتا ہے یعنی یہ گلوکوز 1-2 فرکٹوز ہے۔ یہ سب سے مانوس ڈائی سکرائیڈ ہے اور ٹیبل شکر بھی کہلاتا ہے۔ یہ ہمارے کھانے میں میٹھا کرنے والے کے طور پر کام کرتا ہے۔ اس کا مالیکیولر فارمولا (C11H22O11) ہے۔ یہ اعلیٰ پودوں کی فلوئم نالیوں میں بھی پایا جاتا ہے جہاں یہ پودے کے مختلف حصوں سے گلوکوز کی ترسیل کے لیے ٹرانسپورٹ مصنوعات کا کام کرتا ہے۔ اسی لیے اسے ٹرانسپورٹ ڈائی سکرائیڈ بھی کہتے ہیں۔
1950 تک کھانے کے میٹھے کرنے والے گنے اور چقندر سے نکالی گئی سکروز سے لیے جاتے تھے۔ مارکیٹ کے ایک چھوٹے حصے میں میٹھے کرنے والے مکئی کے اسٹارچ کو گلوکوز مونومرز میں توڑ کر حاصل کیے جاتے تھے۔ چونکہ گلوکوز سکروز سے صرف آدھا میٹھا ہوتا ہے اس لیے یہ طریقہ گنے اور چقندر کی شکر کا سنجیدہ حریف نہیں تھا۔ 1980 کی دہائی میں مکئی کے اسٹارچ سے حاصل شدہ گلوکوز کو اس کے آئسومر یعنی فرکٹوز میں بدلنے کا طریقہ تیار کیا گیا۔ فرکٹوز سکروز سے بھی زیادہ میٹھا ہوتا ہے۔ نتیجے میں بننے والا ہائی فرکٹوز کارن سیرپ سستا ہے اور بہت سے تیار کھانوں میں سکروز کی جگہ لے چکا ہے۔ سافٹ ڈرنکس "کولا" بنانے والے دنیا میں سکروز کے سب سے بڑے تجارتی استعمال کنندہ تھے۔ اب انہوں نے تقریباً مکمل طور پر سکروز کی جگہ ہائی فرکٹوز کارن سیرپ لے لیا ہے۔
3۔ پولی سکرائیڈز۔ پولی سکرائیڈز فطرت میں پائے جانے والے سب سے پیچیدہ اور سب سے زیادہ کاربوہائیڈریٹس ہیں۔ یہ گلائکوسڈک بانڈز سے جڑے بہت سے مونوسکرائیڈز کی لمبی زنجیریں ہیں۔ تین اہم پولی سکرائیڈز ہیں:
اسٹارچ۔ اسٹارچ پودوں کا ذخیرہ کرنے والا پولی سکرائیڈ ہے۔ یہ غیر حل پذیر ہے اور بہت سے پودوں کے خلیات کے اندر اسٹارچ گرینولز بناتا ہے۔ چونکہ یہ غیر حل پذیر ہے اس لیے یہ پودوں کے خلیات کی پانی کی پوٹینشل کو نہیں بدلتا۔ اس لیے یہ خلیات کو اسموسس سے پانی لینے پر مجبور نہیں کرتا۔ اسٹارچ خالص مادہ نہیں ہے بلکہ ایمیلوز اور ایمیلوپیکٹن کا مرکب ہے (شکل 4.18)۔ ایمیلوز گلوکوز مونومرز کی زنجیر ہے (1,4-گلائکوسڈک روابط کے ساتھ)۔ یہ سیدھی اور بغیر شاخوں والی ہے۔ تاہم یہ مڑ کر ہیلکس بننے کا رجحان رکھتی ہے۔ ایمیلوپیکٹن بھی گلوکوز مونومرز کی زنجیر ہے (1,4-گلائکوسڈک روابط کے ساتھ)۔ اس میں شاخیں بھی ہوتی ہیں (1,6-گلائکوسڈک روابط کے ساتھ)۔ اس طرح اس کے زیادہ سرے ہوتے ہیں جنہیں ایمیلیز انزائمز زیادہ تیزی سے توڑ سکتے ہیں۔ ایمیلوز اور ایمیلوپیکٹن دونوں ایمیلیز انزائم سے مالٹوز میں ٹوٹ جاتے ہیں، اگرچہ مختلف رفتار سے۔
گلائکوجن۔ یہ ساخت میں ایمیلوپیکٹن سے ملتا جلتا ہے۔ یہ گلوکوز مونومرز کی زنجیر ہے (1,4-گلائکوسڈک روابط کے ساتھ) جس میں شاخیں ہوتی ہیں (1,6-گلائکوسڈک روابط کے ساتھ)۔ یہ جانوروں کا ذخیرہ کرنے والا پولی سکرائیڈ ہے اور بنیادی طور پر پٹھوں اور جگر میں پایا جاتا ہے۔ چونکہ یہ بہت زیادہ شاخ دار ہے اس لیے اسے بہت تیزی سے گلوکوز میں توڑا جا سکتا ہے۔
سیلولوز۔ سیلولوز صرف پودوں میں پایا جاتا ہے جہاں یہ سیل والز کا بنیادی جزو ہے۔ یہ گلوکوز مونومرز کی زنجیر ہے (1,4-گلائکوسڈک روابط کے ساتھ) لیکن گلوکوز کے مختلف آئسومر کے ساتھ۔ اسٹارچ اور گلائکوجن میں الفا-گلوکوز ہوتا ہے جس میں کاربن 1 پر OH گروپ رنگ سے نیچے کی طرف نکلتا ہے جبکہ سیلولوز میں بیٹا-گلوکوز ہوتا ہے جس میں کاربن 1 پر OH گروپ اوپر کی طرف نکلتا ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ سیلولوز میں متبادل گلوکوز مالیکیولز الٹے ہوتے ہیں (شکل 4.20)۔ یہ بظاہر چھوٹا فرق ساخت اور خصوصیات میں بہت بڑا فرق پیدا کرتا ہے۔ اسٹارچ میں الفا 1-4 گلوکوز پولیمر مڑ کر گرینولز بناتا ہے۔ دوسری طرف سیلولوز میں بیٹا 1-4 گلوکوز پولیمر سیدھی زنجیریں بناتا ہے۔ ان زنجیروں میں سے سیکڑوں ہائیڈروجن بانڈز سے جڑ کر سیلولوز مائیکروفائبرلز بناتی ہیں۔ یہ مائیکروفائبرلز سیلولوز فائبرلز بناتے ہیں (شکل 4.21)۔ یہ بہت مضبوط اور سخت ہوتے ہیں اور پودوں کے خلیات کو اور اس لیے نوجوان پودوں کو اور کاغذ، کپاس جیسے مواد کو طاقت دیتے ہیں۔
بیٹا-گلائکوسڈک بانڈ کو ایمیلیز نہیں توڑ سکتی، اس کے لیے مخصوص سیلولیز انزائم درکار ہوتا ہے۔ صرف بعض بیکٹیریا اور بعض پروٹوزوا ہی سیلولیز انزائم رکھتے ہیں۔ سبزی خور جانور جیسے گائیں اور دیمک جن کی خوراک بنیادی طور پر سیلولوز ہے، ان کی آنتوں میں باہمی فائدے والے بیکٹیریا ہوتے ہیں۔ یہ بیکٹیریا ان کا سیلولوز ہضم کرتے ہیں۔ انسان سیلولوز ہضم نہیں کر سکتے اور اسے غذائی ریشہ کہا جاتا ہے۔
کائٹن۔ یہ سیلولوز کی تبدیل شدہ شکل ہے۔ یہ کیکڑوں، لابسٹرز اور کیڑوں کے بیرونی ڈھانچوں میں پایا جاتا ہے۔ یہ فنجائی کی سیل وال بھی بناتا ہے۔ سیلولوز کی طرح یہ بھی گلوکوز کا پولیمر ہے۔ گلوکوز مونومرز کے درمیان ربط بھی سیلولوز جیسا ہی ہے۔ تاہم کائٹن میں ہر گلوکوز مالیکیول نائٹروجن والے گروپ کے اضافے سے تبدیل ہو جاتا ہے (شکل 4.22)۔ صرف چند جاندار ہی اسے ہضم کر سکتے ہیں۔
پیکٹن اور لگنن: یہ بھی پولی سکرائیڈز ہیں جو تعمیری مواد کے طور پر استعمال ہوتے ہیں۔ یہ پودوں کے خلیات کی سیل والز میں موجود ہوتے ہیں۔
ایگر: یہ سرخ الجی کی سیل والز میں پایا جاتا ہے۔ یہ کھانوں میں گاڑھا کرنے والے کے طور پر استعمال ہوتا ہے۔ یہ لیبارٹریوں میں بیکٹیریا اور فنجائی اگانے کے ذریعے کے طور پر بھی استعمال ہوتا ہے۔
میورین: یہ شکر پیپٹائیڈ پولیمر ہے اور پروکیریوٹس کی سیل والز میں پایا جاتا ہے۔
The most abundant organic compounds in cell are proteins. They may be defined as the polymers of amino acids. Proteins are regarded as the principal compounds of cells. J. Berzelius (in 1938) coined the term "protein" (Greek "Proteios"- molecules of the first rank) to emphasize the importance of this group of macromolecules. Proteins are important for the structures of cells and organisms and participate in everything they do. In this way, they act as the building blocks of life. The diversity in biological world is the reflection of the diversity of structure and function that exists in proteins.
Structure of Proteins. Proteins are the polymers formed by the inter-linkage of monomers called amino acids. Different proteins may have a few to 3000 amino acids in their make-up (e.g., insulin has 51 amino acids, Haemoglobin has 574 amino acids).
Amino acid. Amino acid is the basic structural unit of proteins. It is an organic molecule, in which four groups; an amino group (NH2), a carboxyl group (COOH), a hydrogen group (H) and a side group (R); are attached to the same carbon atom (alpha carbon).
Although many different amino acids occur in nature, about 170 types of amino acids have been reported to occur in living organisms (in cells and tissues). Of these, about 25 types of amino acids may take part as building units of proteins. Most of the proteins are, however, made of 20 types of amino acids.
The identity and unique chemical properties of each amino acid are determined by the nature of its side group (R), covalently bonded to alpha carbon. For example, R may be a hydrogen atom as in glycine, or CH3 as in alanine, or any other group. (Figure 4.24).
Essential and Non-essential Amino acids. Out of 20 amino acids, our bodies can make eleven amino acids. These are called non-essential amino acids and include alanine, arginine, asparagine, aspartic acid, cysteine, glutamic acid, glutamine, glycine, proline, serine, and tyrosine. The remaining nine amino acids cannot make our bodies on its own and must obtain these amino acids by eating various foods. These are called essential amino acids and include methionine, valine, tryptophan, isoleucine, leucine, lysine, threonine, phenylalanine and histidine (necessary only for babies).
A covalent bond that links two amino acids is known as a peptide bond. Like disaccharide, the production of a dipeptide is dehydration synthesis. Note that each amino acid has an amino group at one end and a carboxyl group at the other end. When two amino acids are brought closer, dehydration synthesis occurs between the amino group of one and the carboxyl group of second amino acid. It results in the release of a molecule of water and formation of a peptide bond between "N" and "C" of adjacent amino acids.
The amino acids, which are linked by peptide bond, are called peptides. A dipeptide is formed by the linkage of two amino acids. For example, glycylalanine (a dipeptide) is formed by the linking of glycine and alanine (Figure 4.25). A dipeptide has an amino group at one end and a carboxyl group at the other end of molecule. So, both reactive parts are available for further peptide bonds. Addition of amino acids ultimately leads to polypeptide chains (Figure 4.26). A protein is composed of one or more polypeptide chains, e.g., insulin protein contains two polypeptide chains while haemoglobin protein has four polypeptide chains. Polypeptide chains assume different shapes on the basis of number, types and sequence of amino acids. It gives different levels of structure to proteins.
Structural Levels of Proteins. The diversity of proteins ranges from simpler (consisting of linear chains of amino acids) to complex proteins (structural modifications in linear chains). The following are different levels at which proteins are built (Figure 4.27).
Primary Structure. The primary structure of a protein molecule is formed by the linear arrangement of amino acids. It represents the number and specific sequence of amino acid molecules in a polypeptide chain. All protein molecules (whether simple or complex) have specific primary structures. The primary structure of insulin reveals that it is composed of two polypeptide chains. The smaller alpha chain has 21 amino acids while the larger beta chain is made of 30 amino acids (Figure 4.27). Similarly, the primary structure of haemoglobin shows that it is made of four polypeptide chains i.e., two alpha (141 amino acids in each chain) and two beta chains (146 amino acids in each chain).
The number, sequence and types of amino acids is highly specific in the primary structure of a protein, for its proper functioning. This specificity in primary structure is determined by the order of nucleotides in DNA. Any change results in abnormal protein that fails to carry out its normal function. For example, sickle cell haemoglobin is formed by a mistake in the arrangement of only one amino acid in position six in each beta chain. In sickle cell haemoglobin, amino acid valine is present in the place of glutamic acid. Due to sickle cell haemoglobin, red blood cells get sickle shapes and abnormal haemoglobin cannot transport sufficient oxygen. This disease is known as sickle cell anaemia (Figure 4.28).
Secondary Structure. In many proteins folding or coiling patterns occur within a polypeptide chain. This structure is called secondary structure. Coiling of a polypeptide chain results in alpha helix while folding makes a pleated sheet. Both these structures are maintained by hydrogen bonds between amino and carboxyl groups of nearby amino acids in the chain.
Tertiary Structure. When the secondary structure further folds up and gets a complicated globular shape. It is called the tertiary structure of protein. These are more complex proteins. The globular shape is maintained by ionic, hydrogen and disulphide bonds. These bonds contribute to the overall stability and shape of the protein. Amino acids in a polypeptide chain interact with water to give the most stable tertiary structure in the form of a globular shape. These are hydrophilic and hydrophobic interactions. The hydrophobic (non-polar) amino acids aggregate in such a way that they disrupt hydrogen bonding of water molecules and so are buried inside. At the same time the hydrophilic (polar) amino acids turn out, towards the surface of water.
Quaternary Structure. When two or more polypeptide chains with tertiary structures are held together by hydrophobic interactions, hydrogen bonds and ionic bonds, they form most complex proteins. This aggregation of tertiary structures makes the quaternary structure of protein.
Classification of Proteins. Proteins make a very diverse group of organic compounds in living organisms. They can be classified on different basis. For example, on the basis of their role in living organisms, these are "structural proteins" and "functional proteins". The recommended classification of proteins is based on their structure. In this classification proteins are classified as "fibrous proteins" and "globular proteins". We can describe the characteristics of both these classes by a comparison in table 4.4.
| Characteristics | Fibrous proteins | Globular proteins |
|---|---|---|
| Shape | In the form of fibrils | Spherical or ellipsoidal |
| Structure | Primary or secondary | Tertiary or quaternary |
| Role | Structural | Functional |
| Crystallization | Non crystalline and elastic | Can be crystallized |
| Solubility | Insoluble | Soluble in salt, acid or base solutions and in aqueous alcohol |
| Disorganization | Do not disorganize easily | Disorganized with changes in environment |
| Examples | Silk fibre — form the webs of silk worm and spider; Actin in muscle cells; Fibrin — in blood clots; Keratin — in nails, hairs, beak, skin etc.; Collagen — in matrix of connective tissues | Enzymes — biocatalyst; Antibodies — active against invading antigens; Some hormones — regulate body's activities; Haemoglobin — oxygen carrying protein |
Role of Proteins in life. Proteins carry out virtually all activities of living organisms. Some of their remarkable structural and functional roles are given below.
Note: These are over 10,000 proteins in human body and each of these has its specific primary structure, i.e., specific number, specific sequence and specific types of amino acids.
خلیے میں سب سے زیادہ پائے جانے والے نامیاتی مرکبات پروٹینز ہیں۔ ان کی تعریف امینو ایسڈز کے پولیمرز کے طور پر کی جا سکتی ہے۔ پروٹینز کو خلیات کے بنیادی مرکبات سمجھا جاتا ہے۔ جے برزیلیس (1938 میں) نے "پروٹین" کی اصطلاح بنائی (یونانی "پروٹیوس" — پہلے درجے کے مالیکیولز) تاکہ میکرو مالیکیولز کے اس گروپ کی اہمیت پر زور دیا جا سکے۔ پروٹینز خلیات اور جانداروں کی ساختوں کے لیے اہم ہیں اور ان کے ہر کام میں حصہ لیتے ہیں۔ اس طرح وہ زندگی کے تعمیری بلاکس کا کام کرتے ہیں۔ حیاتیاتی دنیا میں تنوع پروٹینز میں موجود ساخت اور کام کے تنوع کا عکس ہے۔
پروٹینز کی ساخت۔ پروٹینز امینو ایسڈز نامی مونومرز کے باہم جڑنے سے بننے والے پولیمرز ہیں۔ مختلف پروٹینز میں چند سے 3000 تک امینو ایسڈز ہو سکتے ہیں (جیسے انسولین میں 51 امینو ایسڈز، ہیموگلوبن میں 574 امینو ایسڈز)۔
امینو ایسڈ۔ امینو ایسڈ پروٹینز کی بنیادی ساختی اکائی ہے۔ یہ ایک نامیاتی مالیکیول ہے جس میں چار گروپ؛ ایک امینو گروپ (NH2)، ایک کاربوکسل گروپ (COOH)، ایک ہائیڈروجن گروپ (H) اور ایک سائیڈ گروپ (R)؛ ایک ہی کاربن ایٹم (الفا کاربن) سے جڑے ہوتے ہیں۔
اگرچہ فطرت میں بہت سے مختلف امینو ایسڈز پائے جاتے ہیں، زندہ جانداروں (خلیات اور ٹشوز) میں تقریباً 170 قسم کے امینو ایسڈز پائے جانے کی اطلاع ہے۔ ان میں سے تقریباً 25 قسم کے امینو ایسڈز پروٹینز کی تعمیری اکائیوں کے طور پر حصہ لے سکتے ہیں۔ تاہم زیادہ تر پروٹینز 20 قسم کے امینو ایسڈز سے بنتے ہیں۔
ہر امینو ایسڈ کی شناخت اور منفرد کیمیائی خصوصیات اس کے سائیڈ گروپ (R) کی نوعیت سے طے ہوتی ہیں جو الفا کاربن سے کوویلنٹ بانڈ سے جڑا ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر R ہائیڈروجن ایٹم ہو سکتا ہے جیسے گلائسین میں، یا CH3 جیسے ایلینائن میں، یا کوئی اور گروپ۔ (شکل 4.24)۔
ضروری اور غیر ضروری امینو ایسڈز۔ 20 امینو ایسڈز میں سے ہمارے جسم گیارہ امینو ایسڈز بنا سکتے ہیں۔ یہ غیر ضروری امینو ایسڈز کہلاتے ہیں اور ان میں ایلینائن، آرجینائن، ایسپیراجین، ایسپارٹک ایسڈ، سسٹین، گلوٹامک ایسڈ، گلوٹامین، گلائسین، پرولین، سیرین اور ٹائروسین شامل ہیں۔ باقی نو امینو ایسڈز ہمارے جسم خود نہیں بنا سکتے اور انہیں مختلف کھانے کھا کر حاصل کرنا پڑتا ہے۔ یہ ضروری امینو ایسڈز کہلاتے ہیں اور ان میں میتھیونین، ویلین، ٹرپٹوفان، آئسولیوسین، لیوسین، لائسین، تھریونین، فینائل ایلینائن اور ہسٹیڈین (صرف بچوں کے لیے ضروری) شامل ہیں۔
ایک کوویلنٹ بانڈ جو دو امینو ایسڈز کو جوڑتا ہے پیپٹائیڈ بانڈ کہلاتا ہے۔ ڈائی سکرائیڈ کی طرح ڈائی پیپٹائیڈ کی پیداوار ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز ہے۔ نوٹ کریں کہ ہر امینو ایسڈ کے ایک سرے پر امینو گروپ اور دوسرے سرے پر کاربوکسل گروپ ہوتا ہے۔ جب دو امینو ایسڈز قریب لائے جاتے ہیں تو ایک کے امینو گروپ اور دوسرے امینو ایسڈ کے کاربوکسل گروپ کے درمیان ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز ہوتی ہے۔ اس سے پانی کا ایک مالیکیول خارج ہوتا ہے اور ملحقہ امینو ایسڈز کے "N" اور "C" کے درمیان پیپٹائیڈ بانڈ بنتا ہے۔
وہ امینو ایسڈز جو پیپٹائیڈ بانڈ سے جڑے ہوتے ہیں پیپٹائیڈز کہلاتے ہیں۔ ڈائی پیپٹائیڈ دو امینو ایسڈز کے جڑنے سے بنتا ہے۔ مثال کے طور پر گلائسل ایلینائن (ایک ڈائی پیپٹائیڈ) گلائسین اور ایلینائن کے جڑنے سے بنتا ہے (شکل 4.25)۔ ڈائی پیپٹائیڈ کے ایک سرے پر امینو گروپ اور مالیکیول کے دوسرے سرے پر کاربوکسل گروپ ہوتا ہے۔ اس لیے دونوں فعال حصے مزید پیپٹائیڈ بانڈز کے لیے دستیاب ہوتے ہیں۔ امینو ایسڈز کا اضافہ آخر کار پولی پیپٹائیڈ زنجیروں کی طرف لے جاتا ہے (شکل 4.26)۔ ایک پروٹین ایک یا زیادہ پولی پیپٹائیڈ زنجیروں سے بنا ہوتا ہے، جیسے انسولین پروٹین میں دو پولی پیپٹائیڈ زنجیریں ہوتی ہیں جبکہ ہیموگلوبن پروٹین میں چار پولی پیپٹائیڈ زنجیریں ہوتی ہیں۔ پولی پیپٹائیڈ زنجیریں امینو ایسڈز کی تعداد، اقسام اور ترتیب کی بنیاد پر مختلف شکلیں اختیار کرتی ہیں۔ یہ پروٹینز کو ساخت کی مختلف سطحیں دیتی ہے۔
پروٹینز کی ساختی سطحیں۔ پروٹینز کا تنوع سادہ (امینو ایسڈز کی لکیری زنجیروں پر مشتمل) سے پیچیدہ پروٹینز (لکیری زنجیروں میں ساختی تبدیلیاں) تک ہوتا ہے۔ درج ذیل وہ مختلف سطحیں ہیں جن پر پروٹینز بنتے ہیں (شکل 4.27)۔
پرائمری ساخت۔ پروٹین مالیکیول کی پرائمری ساخت امینو ایسڈز کی لکیری ترتیب سے بنتی ہے۔ یہ پولی پیپٹائیڈ زنجیر میں امینو ایسڈ مالیکیولز کی تعداد اور مخصوص ترتیب کو ظاہر کرتی ہے۔ تمام پروٹین مالیکیولز (سادہ ہوں یا پیچیدہ) کی مخصوص پرائمری ساختیں ہوتی ہیں۔ انسولین کی پرائمری ساخت ظاہر کرتی ہے کہ یہ دو پولی پیپٹائیڈ زنجیروں سے بنا ہے۔ چھوٹی الفا زنجیر میں 21 امینو ایسڈز ہوتے ہیں جبکہ بڑی بیٹا زنجیر 30 امینو ایسڈز سے بنی ہوتی ہے (شکل 4.27)۔ اسی طرح ہیموگلوبن کی پرائمری ساخت ظاہر کرتی ہے کہ یہ چار پولی پیپٹائیڈ زنجیروں سے بنا ہے یعنی دو الفا (ہر زنجیر میں 141 امینو ایسڈز) اور دو بیٹا زنجیریں (ہر زنجیر میں 146 امینو ایسڈز)۔
کسی پروٹین کی پرائمری ساخت میں امینو ایسڈز کی تعداد، ترتیب اور اقسام اس کے درست کام کے لیے بہت مخصوص ہوتی ہیں۔ پرائمری ساخت میں یہ مخصوصیت ڈی این اے میں نیوکلیوٹائیڈز کی ترتیب سے طے ہوتی ہے۔ کوئی بھی تبدیلی غیر معمولی پروٹین کا باعث بنتی ہے جو اپنا معمول کا کام نہیں کر سکتا۔ مثال کے طور پر سکل سیل ہیموگلوبن ہر بیٹا زنجیر میں چھٹی پوزیشن پر صرف ایک امینو ایسڈ کی ترتیب میں غلطی سے بنتا ہے۔ سکل سیل ہیموگلوبن میں گلوٹامک ایسڈ کی جگہ امینو ایسڈ ویلین موجود ہوتا ہے۔ سکل سیل ہیموگلوبن کی وجہ سے سرخ خون کے خلیات درانتی کی شکل اختیار کر لیتے ہیں اور غیر معمولی ہیموگلوبن کافی آکسیجن منتقل نہیں کر سکتا۔ اس بیماری کو سکل سیل انیمیا کہتے ہیں (شکل 4.28)۔
سیکنڈری ساخت۔ بہت سے پروٹینز میں پولی پیپٹائیڈ زنجیر کے اندر تہہ بندی یا کنڈلی کے نمونے ہوتے ہیں۔ اس ساخت کو سیکنڈری ساخت کہتے ہیں۔ پولی پیپٹائیڈ زنجیر کی کنڈلی سے الفا ہیلکس بنتا ہے جبکہ تہہ بندی سے پلیٹڈ شیٹ بنتی ہے۔ یہ دونوں ساختیں زنجیر میں قریبی امینو ایسڈز کے امینو اور کاربوکسل گروپوں کے درمیان ہائیڈروجن بانڈز سے برقرار رہتی ہیں۔
ٹرشری ساخت۔ جب سیکنڈری ساخت مزید مڑ کر پیچیدہ گلوبیولر شکل اختیار کر لیتی ہے تو اسے پروٹین کی ٹرشری ساخت کہتے ہیں۔ یہ زیادہ پیچیدہ پروٹینز ہیں۔ گلوبیولر شکل آئنک، ہائیڈروجن اور ڈائی سلفائیڈ بانڈز سے برقرار رہتی ہے۔ یہ بانڈز پروٹین کے مجموعی استحکام اور شکل میں حصہ ڈالتے ہیں۔ پولی پیپٹائیڈ زنجیر میں امینو ایسڈز پانی سے تعامل کر کے گلوبیولر شکل میں سب سے مستحکم ٹرشری ساخت دیتے ہیں۔ یہ ہائیڈروفیلک اور ہائیڈروفوبک تعاملات ہیں۔ ہائیڈروفوبک (غیر پولر) امینو ایسڈز اس طرح جمع ہوتے ہیں کہ وہ پانی کے مالیکیولز کی ہائیڈروجن بانڈنگ میں خلل ڈالتے ہیں اور اس لیے اندر دفن ہو جاتے ہیں۔ اسی وقت ہائیڈروفیلک (پولر) امینو ایسڈز باہر پانی کی سطح کی طرف مڑ جاتے ہیں۔
کوارٹرنری ساخت۔ جب دو یا زیادہ پولی پیپٹائیڈ زنجیریں جو ٹرشری ساختیں رکھتی ہیں، ہائیڈروفوبک تعاملات، ہائیڈروجن بانڈز اور آئنک بانڈز سے ایک ساتھ رکھی جاتی ہیں تو وہ سب سے پیچیدہ پروٹینز بناتی ہیں۔ ٹرشری ساختوں کا یہ مجموعہ پروٹین کی کوارٹرنری ساخت بناتا ہے۔
پروٹینز کی درجہ بندی۔ پروٹینز زندہ جانداروں میں نامیاتی مرکبات کا بہت متنوع گروپ بناتے ہیں۔ انہیں مختلف بنیادوں پر تقسیم کیا جا سکتا ہے۔ مثال کے طور پر زندہ جانداروں میں ان کے کردار کی بنیاد پر یہ "ساختی پروٹینز" اور "فعالی پروٹینز" ہیں۔ پروٹینز کی تجویز کردہ درجہ بندی ان کی ساخت پر مبنی ہے۔ اس درجہ بندی میں پروٹینز کو "فائبرس پروٹینز" اور "گلوبیولر پروٹینز" میں تقسیم کیا جاتا ہے۔ ہم دونوں طبقات کی خصوصیات کو ٹیبل 4.4 میں موازنے سے بیان کر سکتے ہیں۔
| خصوصیات | فائبرس پروٹینز | گلوبیولر پروٹینز |
|---|---|---|
| شکل | فائبرلز کی صورت میں | کروی یا بیضوی |
| ساخت | پرائمری یا سیکنڈری | ٹرشری یا کوارٹرنری |
| کردار | ساختی | فعالی |
| کرسٹلائزیشن | غیر کرسٹلی اور لچکدار | کرسٹلائز ہو سکتے ہیں |
| حل پذیری | غیر حل پذیر | نمک، تیزاب یا اساسی محلولوں اور آبی الکحل میں حل پذیر |
| بے ترتیبی | آسانی سے بے ترتیب نہیں ہوتے | ماحول میں تبدیلی سے بے ترتیب ہو جاتے ہیں |
| مثالیں | سلک فائبر — ریشم کے کیڑے اور مکڑی کے جالے بناتا ہے؛ پٹھوں کے خلیات میں ایکٹن؛ خون کے لوتھڑوں میں فائبرن؛ ناخنوں، بالوں، چونچ، جلد وغیرہ میں کیراٹن؛ کنیکٹیو ٹشوز کے میٹرکس میں کولیجن | انزائمز — بائیوکیٹالسٹ؛ اینٹی باڈیز — حملہ آور اینٹی جنز کے خلاف فعال؛ بعض ہارمونز — جسم کی سرگرمیاں کنٹرول کرتے ہیں؛ ہیموگلوبن — آکسیجن لے جانے والا پروٹین |
زندگی میں پروٹینز کا کردار۔ پروٹینز زندہ جانداروں کی تقریباً تمام سرگرمیاں انجام دیتے ہیں۔ ان کے بعض قابل ذکر ساختی اور فعالی کردار درج ذیل ہیں۔
نوٹ: انسانی جسم میں 10,000 سے زیادہ پروٹینز ہیں اور ان میں سے ہر ایک کی مخصوص پرائمری ساخت ہے یعنی مخصوص تعداد، مخصوص ترتیب اور مخصوص قسم کے امینو ایسڈز۔
Lipids are a loosely defined group of non-polar molecules that are insoluble in water but soluble in organic solvents (e.g., ether, alcohol, etc.). They are a diverse group of molecules and are classified as acylglycerols, waxes, phospholipids, terpenes, steroids and prostaglandins.
Acylglycerols (Fats and Oils). Acylglycerols are composed of two subunits; glycerol and fatty acid. The acylglycerols which are liquid at room temperature, are called oils. The acylglycerols which are solid at room temperature, are called fats. In animals, most acylglycerols are fats. In plants, most acylglycerols are oils; for example, peanut oil, corn oil, castor oil etc.
Chemically, acylglycerols are the esters of fatty acids and alcohol. They are synthesized through dehydration synthesis (OH is released from alcohol and H from an acid) as shown below. An ester is the compound produced as the result of chemical reaction of an alcohol with an acid and a water molecule is released.
The most widely found acylglycerols are triacylglycerol (triglycerides), also called neutral lipids. In triacylglycerol, three molecules of fatty acid (same or different) are joined to a single glycerol backbone.
Glycerol: It is a 3C alcohol and each of its carbon bears a hydroxyl group. The 3 carbons of glycerol form the backbone of acylglycerol molecule, to which three fatty acids are attached.
Fatty acids: These are responsible for all the characteristics of acylglycerols. Fatty acids are long hydrocarbon chains (with carbon in even number 4 – 30), ending in a carboxyl (-COOH) group. They vary in length and may be as straight chains (in animals) or branched or ringed (in plants). They are of two types:
If a fatty acid has one double bond it is called mono-unsaturated and if there are more than one double bond, it is called poly-unsaturated. Solubility of fatty acids (in organic solvents) and melting points increase with increasing number of carbon atoms in their chains.
Acylglycerols are efficient energy-storage molecules. It is due to higher number of C-H bonds in them. They are insoluble, because of their non-polar structure. Therefore, they can be deposited at specific storage locations within organism. Animal fats contain more energy than do plant oils, because they contain saturated fatty acids and so contain more C-H bonds. On the other hand, plant oils have unsaturated fatty acids and contain comparatively lesser number of C-H bonds. When organisms have to store glucose for long periods, they usually convert it into fats or oils.
Waxes. Waxes are derived from acylglycerols. They have high melting points, because of large number of C atoms and so are solid at room temperature. Chemically, waxes do not have any well-defined structure and composition. They are mixtures of long chain alkanes (with carbon atoms in odd number; 25–35), alcohols (other than glycerol), ketones and long chain fatty acids.
Waxes are chemically inert. Like other lipids, waxes are strongly hydrophobic. So, they act as protective coverings and water barriers for living organisms. Waxes are widespread as protective coatings on fruits and leaves. Some animals like insects, birds, sheep etc. also secrete waxes over their skin.
Waxes are used to waterproof paper and cards. Waxes are also used in wax polishes for furniture, footwear and vehicles. Waxes are also used to make candles. Waxes with coloured pigments are used in making crayons and coloured pencils. Honeybees produce waxes and use it to make six sided (hexagonal) chambers of their combs, where honey is stored. In humans, wax is secreted by glands in the outer ear canal.
Phospholipids. Phospholipids play important structural roles in making plasma membranes. Chemically they are the derivatives of phosphatidic acid. Phosphatidic acid is composed of one glycerol, two fatty acids and one phosphoric acid (phosphate). Any nitrogenous base e.g., choline, ethanolamine or serine attaches with its phosphoric acid and makes phospholipid. Common examples are phosphatidyl choline (lecithin), phosphatidyl ethanolamine and phosphatidyl serine. Phosphatidyl choline (Figure 4.35) forms lipid bilayer in plasma membranes. Phospholipids have two parts of their molecules i.e., head and tail. Head is polar and contains nitrogenous base and phosphate group while tail is non polar and contains the two fatty acids.
Terpenes. It is a very large and diverse group of lipids. All terpenes are made of isoprene units. An isoprene unit is a branched unsaturated hydrocarbon chain with the formula CH2=C(CH3)–CH=CH2. Terpenes form many biologically important pigments, such as chlorophyll in plants and retinal pigments in eyes. Vitamin A and rubber are also terpenes.
Steroids. Steroids are lipids whose carbon skeleton is bent to form four fused rings. All steroids have the same ring pattern i.e., three 6-cornered rings and one 5-cornered ring. Cholesterol is a common steroid in animal cell membranes. Animal cells also use it for making other steroids e.g., male and female sex hormones.
The synthesized anabolic steroids resemble male sex hormone (testosterone) and cause general build-up in muscles and bone mass during puberty in males. In 1950s some pharmaceutical companies produced anabolic steroids for the treatment of general anaemia. Some athletes began using anabolic steroids to build-up muscles quickly and enhance their performance. Today, anabolic steroids are banned. Anabolic steroids can cause serious physical and mental problems e.g., deep depression, liver damage etc.
Prostaglandins. Prostaglandins are a group of lipids that are modified fatty acids, with non-polar tails attached to a five-carbon ring. They occur in many tissues of vertebrates, where they act as local chemical messengers. Some of them stimulate smooth muscles to contract and relax; others constrict or expand the diameter of blood vessels. They are also involved in inflammatory response to infection. Aspirin is a prostaglandin inhibitor and that is why it reduces inflammation, pain, and fever.
Role of lipids in life.
لپڈز غیر پولر مالیکیولز کا ڈھیلا تعریف شدہ گروپ ہیں جو پانی میں حل نہیں ہوتے لیکن نامیاتی سالونٹس (جیسے ایتھر، الکحل وغیرہ) میں حل ہو جاتے ہیں۔ یہ مالیکیولز کا متنوع گروپ ہیں اور انہیں ایسیل گلیسرولز، ویکسز، فاسفولیپڈز، ٹرپینز، اسٹیرائیڈز اور پروسٹاگلینڈنز میں تقسیم کیا جاتا ہے۔
ایسیل گلیسرولز (چکنائی اور تیل)۔ ایسیل گلیسرولز دو سب یونٹس سے بنے ہوتے ہیں؛ گلیسرول اور فیٹی ایسڈ۔ وہ ایسیل گلیسرولز جو کمرے کے درجہ حرارت پر مائع ہوتے ہیں تیل کہلاتے ہیں۔ وہ ایسیل گلیسرولز جو کمرے کے درجہ حرارت پر ٹھوس ہوتے ہیں چکنائی کہلاتے ہیں۔ جانوروں میں زیادہ تر ایسیل گلیسرولز چکنائی ہوتے ہیں۔ پودوں میں زیادہ تر ایسیل گلیسرولز تیل ہوتے ہیں؛ مثال کے طور پر مونگ پھلی کا تیل، مکئی کا تیل، ارنڈی کا تیل وغیرہ۔
کیمیائی طور پر ایسیل گلیسرولز فیٹی ایسڈز اور الکحل کے ایسٹرز ہیں۔ یہ ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز سے بنتے ہیں (OH الکحل سے اور H تیزاب سے نکلتا ہے) جیسا کہ نیچے دکھایا گیا ہے۔ ایسٹر وہ مرکب ہے جو الکحل کے تیزاب سے کیمیائی تعامل کے نتیجے میں بنتا ہے اور پانی کا ایک مالیکیول خارج ہوتا ہے۔
سب سے زیادہ پائے جانے والے ایسیل گلیسرولز ٹرائی ایسیل گلیسرول (ٹرائی گلیسرائیڈز) ہیں جو نیوٹرل لپڈز بھی کہلاتے ہیں۔ ٹرائی ایسیل گلیسرول میں فیٹی ایسڈ کے تین مالیکیولز (ایک جیسے یا مختلف) ایک گلیسرول بیک بون سے جڑے ہوتے ہیں۔
گلیسرول: یہ 3C الکحل ہے اور اس کے ہر کاربن میں ہائیڈروکسل گروپ ہوتا ہے۔ گلیسرول کے 3 کاربن ایسیل گلیسرول مالیکیول کی بیک بون بناتے ہیں جس سے تین فیٹی ایسڈز جڑے ہوتے ہیں۔
فیٹی ایسڈز: یہ ایسیل گلیسرولز کی تمام خصوصیات کے ذمہ دار ہیں۔ فیٹی ایسڈز لمبی ہائیڈروکاربن زنجیریں ہیں (کاربن جفت تعداد میں 4 سے 30) جو کاربوکسل (-COOH) گروپ پر ختم ہوتی ہیں۔ وہ لمبائی میں مختلف ہوتے ہیں اور سیدھی زنجیروں (جانوروں میں) یا شاخ دار یا رنگ والی (پودوں میں) ہو سکتے ہیں۔ ان کی دو اقسام ہیں:
اگر کسی فیٹی ایسڈ میں ایک ڈبل بانڈ ہو تو اسے مونو ان سیچوریٹڈ کہتے ہیں اور اگر ایک سے زیادہ ڈبل بانڈ ہوں تو اسے پولی ان سیچوریٹڈ کہتے ہیں۔ فیٹی ایسڈز کی حل پذیری (نامیاتی سالونٹس میں) اور پگھلنے کے نقطے ان کی زنجیروں میں کاربن ایٹموں کی تعداد بڑھنے سے بڑھتے ہیں۔
ایسیل گلیسرولز توانائی ذخیرہ کرنے والے مؤثر مالیکیولز ہیں۔ اس کی وجہ ان میں C-H بانڈز کی زیادہ تعداد ہے۔ وہ غیر حل پذیر ہیں کیونکہ ان کی ساخت غیر پولر ہے۔ اس لیے انہیں جاندار کے اندر مخصوص ذخیرہ کرنے کی جگہوں پر جمع کیا جا سکتا ہے۔ جانوروں کی چکنائی میں پودوں کے تیلوں سے زیادہ توانائی ہوتی ہے کیونکہ ان میں سیچوریٹڈ فیٹی ایسڈز ہوتے ہیں اور اس لیے زیادہ C-H بانڈز ہوتے ہیں۔ دوسری طرف پودوں کے تیلوں میں ان سیچوریٹڈ فیٹی ایسڈز ہوتے ہیں اور ان میں نسبتاً کم C-H بانڈز ہوتے ہیں۔ جب جانداروں کو گلوکوز کو لمبے عرصے تک ذخیرہ کرنا ہوتا ہے تو وہ عام طور پر اسے چکنائی یا تیلوں میں بدل دیتے ہیں۔
ویکسز۔ ویکسز ایسیل گلیسرولز سے بنتے ہیں۔ ان کے پگھلنے کے نقطے زیادہ ہوتے ہیں کیونکہ ان میں C ایٹموں کی تعداد زیادہ ہوتی ہے اور اس لیے وہ کمرے کے درجہ حرارت پر ٹھوس ہوتے ہیں۔ کیمیائی طور پر ویکسز کی کوئی واضح ساخت اور ترکیب نہیں ہوتی۔ وہ لمبی زنجیر والے الکینز (کاربن ایٹم طاق تعداد میں؛ 25 تا 35)، الکحل (گلیسرول کے علاوہ)، کیٹونز اور لمبی زنجیر والے فیٹی ایسڈز کے مرکب ہوتے ہیں۔
ویکسز کیمیائی طور پر غیر فعال ہوتے ہیں۔ دیگر لپڈز کی طرح ویکسز بہت زیادہ ہائیڈروفوبک ہوتے ہیں۔ اس لیے وہ زندہ جانداروں کے لیے حفاظتی پوشش اور پانی کی رکاوٹ کا کام کرتے ہیں۔ ویکسز پھلوں اور پتوں پر حفاظتی کوٹنگ کے طور پر وسیع پیمانے پر پائے جاتے ہیں۔ بعض جانور جیسے کیڑے، پرندے، بھیڑ وغیرہ بھی اپنی جلد پر ویکسز خارج کرتے ہیں۔
ویکسز کاغذ اور کارڈز کو واٹر پروف بنانے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ ویکسز فرنیچر، جوتوں اور گاڑیوں کے لیے ویکس پالش میں بھی استعمال ہوتے ہیں۔ ویکسز موم بتیاں بنانے کے لیے بھی استعمال ہوتے ہیں۔ رنگین روغن والے ویکسز کریون اور رنگین پنسلیں بنانے میں استعمال ہوتے ہیں۔ شہد کی مکھیاں ویکسز بناتی ہیں اور اس سے اپنے چھتوں کے چھ پہلو والے (ہیکساگونل) خانے بناتی ہیں جہاں شہد ذخیرہ ہوتا ہے۔ انسانوں میں ویکس بیرونی کان کی نالی میں غدودوں سے خارج ہوتا ہے۔
فاسفولیپڈز۔ فاسفولیپڈز پلازما ممبرینز بنانے میں اہم ساختی کردار ادا کرتے ہیں۔ کیمیائی طور پر وہ فاسفیٹیڈک ایسڈ کے مشتقات ہیں۔ فاسفیٹیڈک ایسڈ ایک گلیسرول، دو فیٹی ایسڈز اور ایک فاسفورک ایسڈ (فاسفیٹ) سے بنا ہوتا ہے۔ کوئی بھی نائٹروجنس بیس جیسے کولین، ایتھانولامین یا سیرین اس کے فاسفورک ایسڈ سے جڑ کر فاسفولیپڈ بناتا ہے۔ عام مثالوں میں فاسفیٹیڈائل کولین (لیسیتھن)، فاسفیٹیڈائل ایتھانولامین اور فاسفیٹیڈائل سیرین شامل ہیں۔ فاسفیٹیڈائل کولین (شکل 4.35) پلازما ممبرینز میں لپڈ بائی لیئر بناتا ہے۔ فاسفولیپڈز کے مالیکیولز کے دو حصے ہوتے ہیں یعنی سر اور دم۔ سر پولر ہوتا ہے اور اس میں نائٹروجنس بیس اور فاسفیٹ گروپ ہوتا ہے جبکہ دم غیر پولر ہوتی ہے اور اس میں دو فیٹی ایسڈز ہوتے ہیں۔
ٹرپینز۔ یہ لپڈز کا بہت بڑا اور متنوع گروپ ہے۔ تمام ٹرپینز آئسوپرین یونٹس سے بنتے ہیں۔ آئسوپرین یونٹ ایک شاخ دار غیر سیر شدہ ہائیڈروکاربن زنجیر ہے جس کا فارمولا CH2=C(CH3)–CH=CH2 ہے۔ ٹرپینز بہت سے حیاتیاتی طور پر اہم روغن بناتے ہیں جیسے پودوں میں کلوروفل اور آنکھوں میں ریٹینل روغن۔ وٹامن A اور ربڑ بھی ٹرپینز ہیں۔
اسٹیرائیڈز۔ اسٹیرائیڈز وہ لپڈز ہیں جن کا کاربن ڈھانچہ مڑ کر چار جڑے ہوئے رنگ بناتا ہے۔ تمام اسٹیرائیڈز کا رنگ نمونہ ایک جیسا ہوتا ہے یعنی تین 6 کونوں والے رنگ اور ایک 5 کونوں والا رنگ۔ کولیسٹرول جانوروں کی سیل ممبرینز میں عام اسٹیرائیڈ ہے۔ جانوروں کے خلیات اسے دیگر اسٹیرائیڈز جیسے مرد اور عورت کے جنسی ہارمونز بنانے کے لیے بھی استعمال کرتے ہیں۔
بنائے گئے اینابولک اسٹیرائیڈز مرد کے جنسی ہارمون (ٹیسٹوسٹیرون) سے ملتے جلتے ہیں اور مردوں میں بلوغت کے دوران پٹھوں اور ہڈیوں کے مادے میں عمومی اضافے کا باعث بنتے ہیں۔ 1950 کی دہائی میں بعض دوا ساز کمپنیوں نے عمومی انیمیا کے علاج کے لیے اینابولک اسٹیرائیڈز بنائے۔ بعض کھلاڑیوں نے پٹھے جلدی بنانے اور اپنی کارکردگی بڑھانے کے لیے اینابولک اسٹیرائیڈز استعمال کرنا شروع کر دیے۔ آج کل اینابولک اسٹیرائیڈز پر پابندی ہے۔ اینابولک اسٹیرائیڈز سنگین جسمانی اور ذہنی مسائل کا باعث بن سکتے ہیں جیسے گہرا ڈپریشن، جگر کا نقصان وغیرہ۔
پروسٹاگلینڈنز۔ پروسٹاگلینڈنز لپڈز کا ایک گروپ ہیں جو تبدیل شدہ فیٹی ایسڈز ہیں جن کی غیر پولر دمیں پانچ کاربن والے رنگ سے جڑی ہوتی ہیں۔ یہ ریڑھ کی ہڈی والے جانوروں کے بہت سے ٹشوز میں پائے جاتے ہیں جہاں وہ مقامی کیمیائی پیغام رساں کا کام کرتے ہیں۔ ان میں سے بعض ہموار پٹھوں کو سکڑنے اور آرام کرنے پر مجبور کرتے ہیں؛ دوسرے خون کی نالیوں کا قطر تنگ یا کشادہ کرتے ہیں۔ وہ انفیکشن کے خلاف سوزش کے ردعمل میں بھی شامل ہوتے ہیں۔ اسپرین ایک پروسٹاگلینڈن روکنے والی ہے اور اسی لیے یہ سوزش، درد اور بخار کو کم کرتی ہے۔
زندگی میں لپڈز کا کردار۔
Nucleic acids are the polymers of nucleotide units. There are two main types of nucleic acids i.e., deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA). DNA is found mainly in chromosomes, with small amounts in mitochondria and chloroplasts. RNA is found in nucleolus, ribosomes and cytosol. A nucleotide is made up of a nucleoside and phosphoric acid. A nucleoside is made of a nitrogen base and a pentose sugar (Figure 4.39).
Pentose sugars: RNA contains ribose while DNA contains deoxyribose as their pentoses.
Nitrogenous bases: There are two types of nitrogenous bases in nucleic acids i.e., pyrimidine bases and purine bases. Pyrimidine is a single ringed nitrogenous base. There are three pyrimidine bases in nucleic acids. Cytosine (C) is present in both DNA and RNA, thymine (T) is present only in DNA, and uracil (U) is present only in RNA. Purine is a double ring nitrogenous base. Both DNA & RNA contain two purine bases i.e., adenine (A) and guanine (G). One nitrogenous base is attached with carbon 1 of pentose sugar and makes a nucleoside.
Phosphoric acid: A nucleoside develops ester linkage with phosphoric acid and becomes nucleotide. In this ester linkage, phosphoric acid is linked with C-5 of pentose sugar. The backbone of the structure of nucleic acids is made of sugars and phosphates (Figure 4.40).
Formation of Phosphodiester Bond. We know that in one nucleotide, phosphoric acid has an ester linkage at C-5 of pentose sugar. This phosphoric acid develops another ester linkage at C-3 of pentose sugar of another nucleotide. In this way, each phosphoric acid has two ester linkages (one at C-5 and other at C-3). The two ester linkages developed by phosphoric acid with two pentose sugars are known as phosphodiester linkage (Figure 4.42). This linkage joins two nucleotides. The nucleotides of RNA are known as ribonucleotides and those of DNA are known as deoxyribonucleotides. Nucleotides are named after the type of nitrogenous base.
Nucleotides also play other critical roles in the life of cell. For example; ATP is a triphosphate nucleotide of adenine. In ATP, three phosphate groups are attached with one ribose sugar. You know that ATP is the "energy currency" of cell. It provides energy by successively detaching two phosphate groups and changing to ADP and AMP. Similarly, Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD) is a co-enzyme. It acts as a hydrogen acceptor in oxidation-reduction reactions in cell.
Nucleotides join together through phosphodiester linkages to form long polynucleotide chains. In a polynucleotide chain, phosphate group at 5' end and OH group at 3' are always free. RNA is made of a single polynucleotide chain. On the other hand, DNA is a double helix and is made of two polynucleotide chains.
Deoxyribonucleic Acid (DNA). Rosalind Franklin (1953) and Maurice Wilkins studied the molecular architecture of DNA. James D. Watson and Francis Crick, in 1953 put forward the model of DNA. The observation by Chargaff was also of basic importance in working out the structure of DNA. Watson and Crick's Model of DNA suggests the following points:
In 1950, Linus Pauling concluded that DNA is a fibrous substance and the fibre is coiled into a helix. In 1951 Erwin Chargaff provided an informative data and it was found that adenine and thymine are equal in ratio in DNA and so are guanine and cytosine.
DNA is the fundamental part of chromosomes and so is located inside nucleus in eukaryotes. As there is no distinct nucleus in prokaryotes, their DNA is present in cytoplasm. In viruses, DNA is located as a core molecule, covered by a protein coat.
DNA is the hereditary material for all organisms (except some viruses). DNA contains the "program" that ultimately directs all cellular activities. The program in DNA is in the form of genes. A gene is a sequence of nucleotides of DNA, which codes for the formation of a polypeptide. When a gene is turned "ON", the sequence of DNA nucleotides is transcribed into RNA and then translated into specific proteins. In this way DNA controls the properties and activities of a cell. In eukaryotes, small amount (about 2%) of DNA are also present in mitochondria and chloroplasts. In the chromosome of bacterium E. coli, each strand of DNA contains about 5 million bases arranged in a particular linear order. It has genes, each consisting of several hundred bases.
Ribonucleic Acid RNA. It is composed by ribonucleotides. RNA is synthesized by joining ribonucleotides in front of deoxyribonucleotides of DNA by transcription process. All living cells contain three types of RNA.
1. Messenger RNA (mRNA). It consists of a single strand of ribonucleotides. Its sequence of nucleotides is complementary to the sequence of nucleotides of one of the strands of DNA. mRNA is about 3–4% of the total amount of RNA in cell. It carries the genetic message of DNA to ribosomes to form particular protein.
2. Transfer RNA (tRNA). It is comparatively small. It is a helical structure and its molecule resembles a clover leaf. It consists of 10–15% of the total amount of RNA in cell. tRNAs transport amino acids to ribosome and mRNA, in the process of protein synthesis.
3. Ribosomal RNA (rRNA). It is synthesized by the DNA of nucleoli. After its synthesis, ribosomal RNA is joined with ribosomal protein and ribosomes are formed. It comprises about 80% of the total RNA in cell. rRNA acts as the machinery for synthesis of proteins in ribosomes.
Central Dogma. All organisms use the same basic mechanism of reading and expressing genes, which is often referred to as central dogma. The first step of central dogma is the transfer of information from DNA to RNA, which occurs when an RNA copy of the gene is produced. The process is called transcription. The second step of the central dogma is the transfer of information from RNA to proteins, which occurs when the information contained in the RNA is used to direct the synthesis of proteins. This process is called translation. In this way DNA controls the properties and activities of a cell.
نیوکلیک ایسڈز نیوکلیوٹائیڈ یونٹس کے پولیمرز ہیں۔ نیوکلیک ایسڈز کی دو اہم اقسام ہیں یعنی ڈی آکسی رائبونیوکلیک ایسڈ (DNA) اور رائبونیوکلیک ایسڈ (RNA)۔ DNA بنیادی طور پر کروموسومز میں پایا جاتا ہے جبکہ تھوڑی مقدار میں مائٹوکونڈریا اور کلوروپلاسٹ میں ہوتا ہے۔ RNA نیوکلیولس، رائبوسومز اور سائٹوسول میں پایا جاتا ہے۔ ایک نیوکلیوٹائیڈ نیوکلیوسائیڈ اور فاسفورک ایسڈ سے بنا ہوتا ہے۔ ایک نیوکلیوسائیڈ نائٹروجنس بیس اور پینٹوز شکر سے بنا ہوتا ہے (شکل 4.39)۔
پینٹوز شکریں: RNA میں رائبوز ہوتی ہے جبکہ DNA میں ڈی آکسی رائبوز ان کی پینٹوز شکر کے طور پر ہوتی ہے۔
نائٹروجنس بیسز: نیوکلیک ایسڈز میں نائٹروجنس بیسز کی دو اقسام ہیں یعنی پائریمیڈین بیسز اور پیورین بیسز۔ پائریمیڈین ایک رنگ والی نائٹروجنس بیس ہے۔ نیوکلیک ایسڈز میں تین پائریمیڈین بیسز ہیں۔ سائٹوسین (C) DNA اور RNA دونوں میں موجود ہے، تھائیمین (T) صرف DNA میں موجود ہے اور یوراسل (U) صرف RNA میں موجود ہے۔ پیورین دو رنگوں والی نائٹروجنس بیس ہے۔ DNA اور RNA دونوں میں دو پیورین بیسز ہیں یعنی ایڈینائن (A) اور گوانین (G)۔ ایک نائٹروجنس بیس پینٹوز شکر کے کاربن 1 سے جڑ کر نیوکلیوسائیڈ بناتی ہے۔
فاسفورک ایسڈ: ایک نیوکلیوسائیڈ فاسفورک ایسڈ سے ایسٹر ربط بناتا ہے اور نیوکلیوٹائیڈ بن جاتا ہے۔ اس ایسٹر ربط میں فاسفورک ایسڈ پینٹوز شکر کے C-5 سے جڑا ہوتا ہے۔ نیوکلیک ایسڈز کی ساخت کی بیک بون شکروں اور فاسفیٹس سے بنی ہوتی ہے (شکل 4.40)۔
فاسفوڈائی ایسٹر بانڈ بننا۔ ہم جانتے ہیں کہ ایک نیوکلیوٹائیڈ میں فاسفورک ایسڈ کا پینٹوز شکر کے C-5 پر ایسٹر ربط ہوتا ہے۔ یہ فاسفورک ایسڈ دوسرے نیوکلیوٹائیڈ کی پینٹوز شکر کے C-3 پر ایک اور ایسٹر ربط بناتا ہے۔ اس طرح ہر فاسفورک ایسڈ کے دو ایسٹر روابط ہوتے ہیں (ایک C-5 پر اور دوسرا C-3 پر)۔ فاسفورک ایسڈ کے دو پینٹوز شکروں سے بننے والے دو ایسٹر روابط فاسفوڈائی ایسٹر ربط کہلاتے ہیں (شکل 4.42)۔ یہ ربط دو نیوکلیوٹائیڈز کو جوڑتا ہے۔ RNA کے نیوکلیوٹائیڈز رائبونیوکلیوٹائیڈز کہلاتے ہیں اور DNA کے نیوکلیوٹائیڈز ڈی آکسی رائبونیوکلیوٹائیڈز کہلاتے ہیں۔ نیوکلیوٹائیڈز کا نام نائٹروجنس بیس کی قسم پر رکھا جاتا ہے۔
نیوکلیوٹائیڈز خلیے کی زندگی میں دیگر اہم کردار بھی ادا کرتے ہیں۔ مثال کے طور پر؛ ATP ایڈینائن کا ٹرائی فاسفیٹ نیوکلیوٹائیڈ ہے۔ ATP میں تین فاسفیٹ گروپ ایک رائبوز شکر سے جڑے ہوتے ہیں۔ آپ جانتے ہیں کہ ATP خلیے کی "توانائی کی کرنسی" ہے۔ یہ دو فاسفیٹ گروپوں کو بتدریج الگ کر کے اور ADP اور AMP میں بدل کر توانائی فراہم کرتا ہے۔ اسی طرح نیکوٹینامائیڈ ایڈینائن ڈائی نیوکلیوٹائیڈ (NAD) ایک کو-انزائم ہے۔ یہ خلیے میں آکسیڈیشن ریڈکشن تعاملات میں ہائیڈروجن قبول کرنے والے کا کام کرتا ہے۔
نیوکلیوٹائیڈز فاسفوڈائی ایسٹر روابط سے جڑ کر لمبی پولی نیوکلیوٹائیڈ زنجیریں بناتے ہیں۔ ایک پولی نیوکلیوٹائیڈ زنجیر میں 5' سرے پر فاسفیٹ گروپ اور 3' پر OH گروپ ہمیشہ آزاد ہوتے ہیں۔ RNA ایک پولی نیوکلیوٹائیڈ زنجیر سے بنا ہوتا ہے۔ دوسری طرف DNA ڈبل ہیلکس ہے اور دو پولی نیوکلیوٹائیڈ زنجیروں سے بنا ہوتا ہے۔
ڈی آکسی رائبونیوکلیک ایسڈ (DNA)۔ روزالنڈ فرینکلن (1953) اور موریس ولکنز نے DNA کی مالیکیولر ساخت کا مطالعہ کیا۔ جیمز ڈی واٹسن اور فرانسس کرک نے 1953 میں DNA کا ماڈل پیش کیا۔ چارگاف کا مشاہدہ بھی DNA کی ساخت معلوم کرنے میں بنیادی اہمیت کا حامل تھا۔ واٹسن اور کرک کا DNA کا ماڈل درج ذیل نکات بتاتا ہے:
1950 میں لائنس پالنگ نے نتیجہ نکالا کہ DNA ایک ریشے دار مادہ ہے اور ریشہ ہیلکس میں لپٹا ہوا ہے۔ 1951 میں ارون چارگاف نے معلوماتی ڈیٹا فراہم کیا اور یہ پایا گیا کہ DNA میں ایڈینائن اور تھائیمین برابر تناسب میں ہیں اور اسی طرح گوانین اور سائٹوسین بھی۔
DNA کروموسومز کا بنیادی حصہ ہے اور اس لیے یوکیریوٹس میں نیوکلیس کے اندر واقع ہوتا ہے۔ چونکہ پروکیریوٹس میں کوئی واضح نیوکلیس نہیں ہوتا اس لیے ان کا DNA سائٹوپلازم میں موجود ہوتا ہے۔ وائرسز میں DNA کور مالیکیول کے طور پر موجود ہوتا ہے جس پر پروٹین کوٹ ہوتا ہے۔
DNA تمام جانداروں (بعض وائرسز کے علاوہ) کے لیے وراثتی مادہ ہے۔ DNA میں "پروگرام" ہوتا ہے جو آخر کار تمام خلوی سرگرمیوں کو ہدایت دیتا ہے۔ DNA میں پروگرام جینز کی صورت میں ہوتا ہے۔ ایک جین DNA کے نیوکلیوٹائیڈز کی ترتیب ہے جو پولی پیپٹائیڈ بننے کے لیے کوڈ کرتی ہے۔ جب کوئی جین "آن" ہوتا ہے تو DNA نیوکلیوٹائیڈز کی ترتیب RNA میں نقل ہو جاتی ہے اور پھر مخصوص پروٹینز میں ترجمہ ہو جاتی ہے۔ اس طرح DNA خلیے کی خصوصیات اور سرگرمیوں کو کنٹرول کرتا ہے۔ یوکیریوٹس میں تھوڑی مقدار (تقریباً 2٪) DNA مائٹوکونڈریا اور کلوروپلاسٹ میں بھی موجود ہوتا ہے۔ بیکٹیریم E. coli کے کروموسوم میں DNA کی ہر اسٹرینڈ میں تقریباً 5 ملین بیسز ایک مخصوص لکیری ترتیب میں ہوتے ہیں۔ اس میں جینز ہوتے ہیں جن میں سے ہر ایک کئی سو بیسز پر مشتمل ہوتا ہے۔
رائبونیوکلیک ایسڈ RNA۔ یہ رائبونیوکلیوٹائیڈز سے بنا ہوتا ہے۔ RNA ڈی این اے کے ڈی آکسی رائبونیوکلیوٹائیڈز کے سامنے رائبونیوکلیوٹائیڈز کو جوڑ کر ٹرانسکرپشن کے عمل سے بنتا ہے۔ تمام زندہ خلیات میں RNA کی تین اقسام ہوتی ہیں۔
1۔ میسنجر RNA (mRNA)۔ یہ رائبونیوکلیوٹائیڈز کی ایک اسٹرینڈ پر مشتمل ہوتا ہے۔ اس کے نیوکلیوٹائیڈز کی ترتیب DNA کی ایک اسٹرینڈ کے نیوکلیوٹائیڈز کی ترتیب کی تکمیلی ہوتی ہے۔ mRNA خلیے میں RNA کی کل مقدار کا تقریباً 3 تا 4٪ ہوتا ہے۔ یہ مخصوص پروٹین بنانے کے لیے DNA کا جینیاتی پیغام رائبوسومز تک لے جاتا ہے۔
2۔ ٹرانسفر RNA (tRNA)۔ یہ نسبتاً چھوٹا ہوتا ہے۔ یہ ہیلیکل ساخت ہے اور اس کا مالیکیول شبنم کے پتے سے ملتا جلتا ہے۔ یہ خلیے میں RNA کی کل مقدار کا 10 تا 15٪ ہوتا ہے۔ tRNAs پروٹین کی ترکیب کے عمل میں امینو ایسڈز کو رائبوسوم اور mRNA تک لے جاتے ہیں۔
3۔ رائبوسومل RNA (rRNA)۔ یہ نیوکلیولائی کے DNA سے بنتا ہے۔ اس کی ترکیب کے بعد رائبوسومل RNA رائبوسومل پروٹین سے مل کر رائبوسومز بناتا ہے۔ یہ خلیے میں RNA کی کل مقدار کا تقریباً 80٪ ہوتا ہے۔ rRNA رائبوسومز میں پروٹینز کی ترکیب کے لیے مشینری کا کام کرتا ہے۔
سینٹرل ڈوگما۔ تمام جاندار جینز کو پڑھنے اور ظاہر کرنے کا ایک ہی بنیادی طریقہ استعمال کرتے ہیں جسے اکثر سینٹرل ڈوگما کہتے ہیں۔ سینٹرل ڈوگما کا پہلا قدم معلومات کی DNA سے RNA میں منتقلی ہے جو اس وقت ہوتی ہے جب جین کی RNA نقل بنتی ہے۔ اس عمل کو ٹرانسکرپشن کہتے ہیں۔ سینٹرل ڈوگما کا دوسرا قدم معلومات کی RNA سے پروٹینز میں منتقلی ہے جو اس وقت ہوتی ہے جب RNA میں موجود معلومات کو پروٹینز کی ترکیب کی ہدایت کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ اس عمل کو ٹرانسلیشن کہتے ہیں۔ اس طرح DNA خلیے کی خصوصیات اور سرگرمیوں کو کنٹرول کرتا ہے۔
Conjugated molecules are formed by the combination of two or more molecules belonging to different categories. Some important conjugated molecules are as follows.
Glycoproteins. They are formed by covalent linkage between a protein and a carbohydrate polymer. They occur widely in nature as integral structural component of membranes; in blood serum; as cellular secretions; and in cartilage, eyes, skin etc.
Glycolipids. They are formed by a covalent linkage between a lipid and a carbohydrate. They are an integral structural component of membranes.
Lipoproteins. They are a class of biomolecules which are formed by hydrophobic interactions (not covalent or ionic bonds) between lipids and proteins. Lipoproteins are the basic structural framework of all types of plasma membranes. Lipids are transported in blood as very low-density lipoproteins.
Nucleoproteins. They are formed by ionic bonds between chromosomal DNA and proteins. For example, histone proteins are bound to DNA to form nucleosomes. They stabilize chromosomal structure in eukaryotes and also play an important role in regulation of gene expression.
کنجوگیٹڈ مالیکیولز مختلف اقسام سے تعلق رکھنے والے دو یا زیادہ مالیکیولز کے ملنے سے بنتے ہیں۔ بعض اہم کنجوگیٹڈ مالیکیولز درج ذیل ہیں۔
گلائکوپروٹینز۔ یہ پروٹین اور کاربوہائیڈریٹ پولیمر کے درمیان کوویلنٹ ربط سے بنتے ہیں۔ یہ فطرت میں وسیع پیمانے پر ممبرینز کے لازمی ساختی جزو کے طور پر پائے جاتے ہیں؛ خون کے سیرم میں؛ خلوی اخراج کے طور پر؛ اور کارٹلیج، آنکھوں، جلد وغیرہ میں۔
گلائکولپڈز۔ یہ لپڈ اور کاربوہائیڈریٹ کے درمیان کوویلنٹ ربط سے بنتے ہیں۔ یہ ممبرینز کے لازمی ساختی جزو ہیں۔
لائپوپروٹینز۔ یہ بائیومالیکیولز کا ایک طبقہ ہیں جو لپڈز اور پروٹینز کے درمیان ہائیڈروفوبک تعاملات (کوویلنٹ یا آئنک بانڈز نہیں) سے بنتے ہیں۔ لائپوپروٹینز تمام قسم کی پلازما ممبرینز کا بنیادی ساختی ڈھانچہ ہیں۔ لپڈز خون میں بہت کم کثافت والے لائپوپروٹینز کے طور پر منتقل ہوتے ہیں۔
نیوکلیوپروٹینز۔ یہ کروموسومل DNA اور پروٹینز کے درمیان آئنک بانڈز سے بنتے ہیں۔ مثال کے طور پر ہسٹون پروٹینز DNA سے جڑ کر نیوکلیوسومز بناتے ہیں۔ وہ یوکیریوٹس میں کروموسومل ساخت کو مستحکم کرتے ہیں اور جین کے اظہار کے کنٹرول میں بھی اہم کردار ادا کرتے ہیں۔
یہ exercise FSc Part 1 Biology کی نئی کتاب (Chapter 4 — Biomolecules, printed pages 125–126) سے لی گئی ہے. ہر سوال کا جواب کتاب کے مطابق دیا گیا ہے.
1. Which characteristic of water molecules is responsible for most of the unique properties of water?
Answer: (d) Stick together — Water molecules stick together because of hydrogen bonds between them. This cohesion (and the hydrogen-bond network) gives water most of its unique properties: high surface tension, high heat capacity, high heat of vaporization and its solvent action. پانی کے مالیکیولز ہائیڈروجن بانڈز کی وجہ سے ایک ساتھ چپکے رہتے ہیں۔ یہ ہم آہنگی (کوہیشن) ہی پانی کی زیادہ تر منفرد خصوصیات کی وجہ ہے۔
2. To which group of lipids, the human sex hormones belong?
Answer: (a) Steroid — Human sex hormones (androgens like testosterone and oestrogens) are steroids, made by animal cells from cholesterol, which has the four-fused-ring steroid structure. انسانی جنسی ہارمونز اسٹیرائیڈز ہیں جو کولیسٹرول سے بنتے ہیں جس میں چار جڑے ہوئے رنگ ہوتے ہیں۔
3. Which of the following is NOT a protein?
Answer: (b) Cholesterol — Haemoglobin, pepsin (an enzyme) and antibodies are all proteins (polymers of amino acids). Cholesterol is a lipid — a steroid with four fused rings, not a protein. ہیموگلوبن، پیپسن اور اینٹی باڈی پروٹینز ہیں جبکہ کولیسٹرول ایک لپڈ (اسٹیرائیڈ) ہے، پروٹین نہیں۔
4. Which one is the largest carbohydrate?
Answer: (a) Cellulose — Ribose, glyceraldehyde and glucose are small monosaccharides (single sugars). Cellulose is a huge polysaccharide — a long chain of thousands of beta-glucose monomers — so it is by far the largest carbohydrate listed. رائبوز، گلیسرالڈیہائیڈ اور گلوکوز چھوٹی مونوسکرائیڈز ہیں جبکہ سیلولوز ہزاروں گلوکوز مالیکیولز کی لمبی زنجیر والا بڑا پولی سکرائیڈ ہے۔
5. What compound would be manufactured with difficulty when soil has a shortage of phosphorous?
Answer: (a) DNA — DNA (and RNA) has a sugar-phosphate backbone: every nucleotide carries a phosphate group, so phosphorus is essential for making nucleic acids. Fatty acids, proteins and cellulose contain no phosphorus. DNA کی بیک بون شکر فاسفیٹ سے بنتی ہے، ہر نیوکلیوٹائیڈ میں فاسفیٹ ہوتا ہے، اس لیے فاسفورس کی کمی سے DNA بننا مشکل ہو جاتا ہے۔ فیٹی ایسڈز، پروٹینز اور سیلولوز میں فاسفورس نہیں ہوتا۔
6. A compound whose chemical composition is most closely related to maltose is:
Answer: (a) Starch — Maltose is made of two glucose units joined by a glycosidic bond. Starch is a polymer of glucose units (amylose + amylopectin) joined by the same kind of glycosidic bonds, so its chemical composition is closest to maltose. Proteins are amino-acid polymers, ATP is a nucleotide, RNA is a nucleic acid. مالٹوز دو گلوکوز یونٹس سے بنتا ہے اور اسٹارچ بھی گلوکوز یونٹس کا پولیمر ہے، اس لیے دونوں کی کیمیائی ترکیب سب سے زیادہ ملتی جلتی ہے۔
7. Which group is found in all fatty acids?
Answer: (d) COOH — Every fatty acid is a long hydrocarbon chain ending in a carboxyl (-COOH) group. PO4 occurs in phospholipids and nucleotides, not in fatty acids themselves. ہر فیٹی ایسڈ لمبی ہائیڈروکاربن زنجیر ہے جو کاربوکسل (-COOH) گروپ پر ختم ہوتی ہے۔
8. Haemoglobin has:
Answer: (d) Quaternary structure — Haemoglobin is made of four polypeptide chains (two alpha of 141 amino acids each and two beta of 146 amino acids each) with tertiary structures, held together — the aggregation of tertiary structures is the quaternary structure. ہیموگلوبن چار پولی پیپٹائیڈ زنجیروں سے بنا ہے جن کی ٹرشری ساختیں آپس میں جڑی ہوتی ہیں، یہی کوارٹرنری ساخت ہے۔
9. Which process produces peptide bonds?
Answer: (b) Dehydration synthesis — A peptide bond forms when the amino group of one amino acid joins the carboxyl group of another by dehydration synthesis, releasing a water molecule. Hydrolysis breaks peptide bonds; it does not make them. پیپٹائیڈ بانڈ ایک امینو ایسڈ کے امینو گروپ اور دوسرے کے کاربوکسل گروپ کے درمیان ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز سے بنتا ہے جس میں پانی کا مالیکیول خارج ہوتا ہے۔
Hydrolysis is the breakdown of a polymer by the addition of water — the reverse of dehydration synthesis. Sketch: maltose (two glucose units joined by a glycosidic bond) + H2O → two separate glucose monomers. Show the water molecule splitting: the OH group joins one glucose and the H joins the other glucose, so the glycosidic bond between them breaks. The same pattern applies to any polymer: a bond between two monomers is broken by adding water across it.
Glucose ring: a six-cornered (hexagonal) ring formed when an oxygen bridge develops between carbon 1 and carbon 5 of the glucose molecule; the ring carbons are numbered 1 to 5 around the ring with CH2OH on carbon 5, and OH groups on carbons 1–4 (in alpha-D-glucose the OH on carbon 1 points down). Fructose ring: a five-cornered (pentagonal) ring formed when an oxygen bridge develops between carbon 2 and carbon 5; the ring has carbons 2–5 plus the oxygen bridge, with CH2OH groups on carbons 2 and 5.
Isomers are molecules which have the same number of atoms (same molecular formula) but differ in how the atoms are arranged (different structural formula). Example: glucose and fructose both have the formula C6H12O6 but different structures — they are structural isomers (in fructose the double-bonded oxygen is on the internal carbon 2, not a terminal carbon). Stereoisomers are isomers that have the same structural formula but differ in the orientation of atoms/groups in space. Example: glucose and galactose differ only in the orientation of one hydroxyl (OH) group at carbon 4 — so they are stereoisomers of each other.
Sketch a central carbon atom (the alpha carbon, C) with four groups attached: an amino group (NH2) on one side, a carboxyl group (COOH) on the opposite side, a hydrogen atom (H) below, and a side group (R) above. This is the general structure of every amino acid; only the R group changes (H in glycine, CH3 in alanine, etc.). Label all four groups.
A peptide linkage (peptide bond) is synthesized by dehydration synthesis between two amino acids: the amino group (-NH2) of one amino acid reacts with the carboxyl group (-COOH) of the second amino acid. A molecule of water is released (OH from the carboxyl group, H from the amino group) and a covalent bond forms between the nitrogen (N) of one amino acid and the carbon (C) of the other. The product is a dipeptide; because the dipeptide still has a free amino group at one end and a free carboxyl group at the other, more amino acids can be added the same way to build a polypeptide chain.
Acylglycerol (triacylglycerol): sketch a glycerol backbone (3 carbons, each with an OH replaced) joined by three ester bonds to three fatty-acid chains; show 3H2O released in its formation. Phospholipid (phosphatidyl choline): sketch one glycerol + two fatty-acid tails + one phosphate group + one nitrogenous base (choline); label the polar hydrophilic head (phosphate + base) and the two non-polar hydrophobic tails. Terpene: sketch the isoprene unit CH2=C(CH3)–CH=CH2 and note that terpenes are built by joining many isoprene units (e.g. the four-ring structure of steroids is not a terpene, but chlorophyll, retinal, vitamin A and rubber are terpenes).
Nucleoside = a nitrogenous base + a pentose sugar (the base is attached to carbon 1 of the sugar). It contains no phosphate. Nucleotide = a nucleoside + a phosphoric acid (the phosphate is attached by an ester linkage to C-5 of the pentose sugar). So a nucleotide is a nucleoside plus phosphate; nucleotides are the monomers of nucleic acids, while nucleosides alone cannot form polynucleotide chains.
In one nucleotide, phosphoric acid already has an ester linkage at C-5 of its pentose sugar. This same phosphoric acid develops a second ester linkage at C-3 of the pentose sugar of the next nucleotide. The two ester linkages formed by one phosphoric acid with two pentose sugars are together called a phosphodiester linkage (Figure 4.42, a dinucleotide). Repeating this joins many nucleotides into a long polynucleotide chain, with a free phosphate at the 5' end and a free OH at the 3' end.
The central dogma is the basic mechanism by which all organisms read and express genes: information flows from DNA → RNA → Protein. First step, transcription: an RNA copy of a gene is produced from DNA. Second step, translation: the information in the RNA is used to direct the synthesis of a protein. In this way DNA controls the properties and activities of a cell.
Carbohydrates are polymers of sugars (monosaccharides); their monomers contain C, H, O in ratio 1:2:1; they are the primary energy source and structural/ storage molecules (glucose for energy, starch/glycogen for storage, cellulose/chitin for structure). Proteins are polymers of amino acids (20 types); they are the most abundant organic compounds (50% of dry mass) and do almost everything in the cell — structure, enzymes, hormones, transport, defence. Lipids are non-polar, water-insoluble molecules (not true polymers in the same sense); they are energy-rich storage molecules (9.5 kcal/g), membrane components and signalling molecules (steroids, prostaglandins). Nucleic acids (DNA, RNA) are polymers of nucleotides; they store and transmit hereditary information and direct protein synthesis. Together the four make 93% of the dry mass of living organisms (proteins 50%, nucleic acids 18%, carbohydrates 15%, lipids 10%).
Dehydration synthesis (condensation) joins two monomers into a polymer by removing a water molecule: an -OH group is removed from one monomer and an -H atom from the other. Sketches: (a) Maltose formation: two glucose molecules → maltose + H2O, with a 1,4-glycosidic bond between carbon 1 of one glucose and carbon 4 of the other. (b) Dipeptide formation: two amino acids → dipeptide + H2O, with a peptide bond between the N of one amino acid and the C of the other. (c) Triacylglycerol formation: glycerol + three fatty acids → triacylglycerol + 3H2O, with three ester bonds. (d) Dinucleotide formation: two nucleotides joined by a phosphodiester linkage (phosphate ester-linked at C-5 of one pentose and C-3 of the next). In every case energy must be supplied by the cell, because breaking bonds to remove water costs energy.
Water is the medium of life because of six properties, all arising from its polarity and hydrogen bonding: (1) Best solvent: its polarity and H-bonds let it dissolve salts, sugars and amino acids, so ions and molecules meet and react easily — metabolism happens in solution. (2) High specific heat capacity (4.184 J): it absorbs/releases much heat with little temperature change, so it stabilizes the temperature of organisms and their environment. (3) High heat of vaporization (574 Kcal/kg): evaporation removes much heat, cooling plants (transpiration) and animals (perspiration) and moderating Earth's temperature. (4) Cohesion: H-bonds make water molecules stick together, so water is pulled up xylem from roots to leaves against gravity, and surface tension lets small organisms walk on water. (5) Ionization: water ionizes into H+ and OH− (10−7 mol/L each in pure water), setting the pH on which enzymes and biochemical reactions depend. (6) Maximum density at 4°C: ice is less dense than liquid water, so it floats and insulates the water below, protecting aquatic life in winter. Together these properties make water the only medium in which life's chemistry can run.
Monosaccharides are single sugar molecules, easily soluble in water, with 3–7 carbon atoms; they are the sweet, quick-energy sugars of the cell and the monomers of di- and polysaccharides. They are classified by carbon number: Trioses (3C, C3H6O3) — glyceraldehyde, dihydroxyacetone; Tetroses (4C, C4H8O4) — erythrose, erythrulose; Pentoses (5C, C5H10O5) — ribose, deoxyribose (C5H10O4), ribulose — pentoses build nucleic acids and ATP; Hexoses (6C, C6H12O6) — glucose, fructose, galactose — hexoses are the central energy-storage sugars (glucose is the primary energy-storage molecule); Heptoses (7C, C7H14O7) — rare, intermediates in photosynthesis. Their roles differ with structure: glucose is the main fuel, ribose/deoxyribose carry genetic information in nucleic acids, and isomers (glucose/fructose/galactose) behave differently in polymer-making despite the same formula.
Glucose (C6H12O6) has two kinds of isomers. Structural isomers have the same molecular formula but a different arrangement of atoms (different structural formula): fructose is the structural isomer of glucose — in fructose the double-bonded oxygen is attached to the internal carbon 2 instead of a terminal carbon, so the two sugars have different structures and different properties (fructose is sweeter). Stereoisomers have the same structural formula but differ in the orientation of a group in space: galactose is the stereoisomer of glucose — the two differ only in the orientation of one hydroxyl (OH) group at carbon 4. This small difference matters: the orientation of the OH on carbon 1 decides whether glucose polymers become starch (alpha-glucose, OH down) or cellulose (beta-glucose, OH up), so isomerism changes the whole polymer that is built.
Disaccharides are made of two monosaccharides joined by a glycosidic bond (dehydration synthesis); on hydrolysis they give back their two monomers, and they are less soluble in water than monosaccharides. Maltose (malt sugar): two glucose units, 1,4-glycosidic bond (C1–C4); found in cereals (wheat, corn) and formed as an intermediate in starch digestion — an energy sugar. Lactose (milk sugar): glucose + galactose, galactose 1-4 glucose; found only in mammalian milk; the main energy source for infant mammals. Sucrose (cane sugar): glucose + fructose, glucose 1-2 fructose, C11H22O11; the familiar table sugar and sweetener; in higher plants it is the transport disaccharide, carried in phloem to and from different parts of the plant. So maltose serves digestion/energy, lactose serves infant nutrition, and sucrose serves sweetness and long-distance transport.
Proteins are the most abundant organic compounds in the cell, defined as polymers of amino acids, and regarded as the principal compounds of cells — the building blocks of life. An amino acid is the basic structural unit of proteins: an organic molecule in which four groups — an amino group (NH2), a carboxyl group (COOH), a hydrogen atom (H) and a side group (R) — are attached to the same alpha carbon. Synthesis: a peptide linkage (peptide bond) is made by dehydration synthesis — the amino group of one amino acid reacts with the carboxyl group of the second, a water molecule is released, and a covalent bond forms between the N of one and the C of the other; repeating this builds dipeptides and then polypeptide chains. Breakage: peptide linkages are broken by hydrolysis — a water molecule is added across the peptide bond, the OH joins one amino acid and the H joins the other, freeing the two amino acids (this is what happens in protein digestion by proteases).
The primary structure of a protein — the exact number, type and sequence of its amino acids — is highly specific and is determined by the order of nucleotides in DNA; any change in sequence can destroy the protein's function. The proof is sickle cell haemoglobin: normal haemoglobin has four chains (two alpha of 141 amino acids, two beta of 146). In sickle cell haemoglobin, a mistake in only one amino acid — at position six in each beta chain, the amino acid valine is present in place of glutamic acid — changes the whole protein. The abnormal haemoglobin makes red blood cells sickle-shaped, and the sickled cells cannot transport sufficient oxygen, causing sickle cell anaemia. One wrong amino acid out of 574 thus changes the protein's shape, its function, and the health of the whole organism — which is why the amino acid sequence is so significant.
Acylglycerols (fats and oils) are esters of glycerol + fatty acids (triacylglycerols: 3 fatty acids on one glycerol backbone); they are non-polar, insoluble in water, and efficient energy-storage molecules (animal fats store more energy than plant oils because saturated fatty acids have more C-H bonds); oils are liquid at room temperature, fats solid. Phospholipids are derivatives of phosphatidic acid (glycerol + 2 fatty acids + phosphate + a nitrogenous base like choline); they have a polar head and two non-polar tails, and they form the lipid bilayer of plasma membranes — their main structural role. Terpenes are built from isoprene units (CH2=C(CH3)–CH=CH2); they form biologically important pigments (chlorophyll in plants, retinal in eyes) and compounds like vitamin A and rubber. Waxes are derived from acylglycerols, with high melting points (long chains, odd carbon numbers 25–35), chemically inert and strongly hydrophobic; they act as protective coatings and water barriers on fruits, leaves and animal skin, and are used for candles, polishes, crayons and waterproofing.
A nucleotide is the monomer of nucleic acids, made of three parts: (1) a pentose sugar — ribose in RNA, deoxyribose in DNA; (2) a nitrogenous base attached to carbon 1 of the sugar — a pyrimidine (single ring: cytosine in both, thymine only in DNA, uracil only in RNA) or a purine (double ring: adenine, guanine in both); base + sugar together form a nucleoside; (3) a phosphoric acid (phosphate) attached by an ester linkage to C-5 of the sugar — nucleoside + phosphate = nucleotide. Nucleotides join through phosphodiester linkages (each phosphate ester-linked at C-5 of one pentose and C-3 of the next) into long polynucleotide chains whose backbone is alternating sugars and phosphates, with a free phosphate at the 5' end and a free OH at the 3' end. Nucleotides are named after their base (e.g. adenine nucleotide), and besides building nucleic acids they serve as energy currency (ATP) and co-enzymes (NAD).
Watson and Crick (1953, building on Franklin and Wilkins' work and Chargaff's data that A = T and G = C in ratio) proposed: DNA is made of two polynucleotide chains (strands) coiled around each other to form a double helix. The helix is like a ladder: its poles (sides) are made of sugars and phosphate groups, and its rungs are made of nitrogenous base pairs. Each rung is one purine + one pyrimidine: adenine pairs with thymine (2 hydrogen bonds) and guanine pairs with cytosine (3 hydrogen bonds); the weak hydrogen bonds between bases hold the two strands together. The two strands are anti-parallel — they run in opposite directions with respect to their phosphodiester linkages. The helix is 2 nm wide, with one full turn every 3.4 nm and 0.34 nm between successive base pairs. This structure explains both heredity (the base sequence is the genetic program) and copying (each strand can template a new complementary strand).
RNA is a single polynucleotide chain of ribonucleotides (ribose sugar + phosphate + a nitrogenous base: A, G, C or U — uracil instead of thymine). It is synthesized by transcription: ribonucleotides are joined in front of the deoxyribonucleotides of a DNA strand, so its sequence is complementary to one DNA strand. Its general structure is a single strand (unlike DNA's double helix), with a sugar-phosphate backbone and bases projecting inward. The three types differ in size, share and job: mRNA (messenger RNA) — a single strand, 3–4% of cell RNA, carries the genetic message of DNA to the ribosomes to make a particular protein. tRNA (transfer RNA) — small, helical, clover-leaf shaped, 10–15% of cell RNA, transports amino acids to the ribosome and to mRNA during protein synthesis. rRNA (ribosomal RNA) — synthesized by the DNA of nucleoli, joined with ribosomal protein to form ribosomes, about 80% of cell RNA, acts as the machinery for protein synthesis in ribosomes.
Conjugated molecules are formed by the combination of two or more molecules belonging to different categories. Common examples and roles: Glycoproteins — protein + carbohydrate polymer joined by a covalent linkage; they occur widely as integral structural components of membranes, in blood serum, as cellular secretions, and in cartilage, eyes and skin. Glycolipids — lipid + carbohydrate joined covalently; they are integral structural components of membranes. Lipoproteins — lipids + proteins joined by hydrophobic interactions (not covalent or ionic bonds); they are the basic structural framework of all plasma membranes, and lipids are transported in blood as very low-density lipoproteins. Nucleoproteins — chromosomal DNA + proteins joined by ionic bonds (e.g. histone proteins bound to DNA form nucleosomes); they stabilize chromosomal structure in eukaryotes and regulate gene expression.
کاربوہائیڈریٹس شکروں کے پولیمرز ہیں؛ ان کے مونومرز میں C، H، O کا تناسب 1:2:1 ہوتا ہے؛ یہ توانائی کا بنیادی ذریعہ اور ساختی/ذخیرہ کرنے والے مالیکیولز ہیں (توانائی کے لیے گلوکوز، ذخیرے کے لیے اسٹارچ/گلائکوجن، ساخت کے لیے سیلولوز/کائٹن)۔ پروٹینز امینو ایسڈز (20 اقسام) کے پولیمرز ہیں؛ یہ سب سے زیادہ پائے جانے والے نامیاتی مرکبات ہیں (خشک مادے کا 50٪) اور خلیے میں تقریباً ہر کام کرتے ہیں — ساخت، انزائمز، ہارمونز، نقل و حمل، دفاع۔ لپڈز غیر پولر، پانی میں غیر حل پذیر مالیکیولز ہیں؛ یہ توانائی سے بھرپور ذخیرہ کرنے والے مالیکیولز ہیں (9.5 kcal/g)، ممبرین کے اجزا اور سگنلنگ مالیکیولز (اسٹیرائیڈز، پروسٹاگلینڈنز) ہیں۔ نیوکلیک ایسڈز (DNA، RNA) نیوکلیوٹائیڈز کے پولیمرز ہیں؛ وہ وراثتی معلومات ذخیرہ اور منتقل کرتے ہیں اور پروٹین کی ترکیب کی ہدایت دیتے ہیں۔ چاروں مل کر زندہ جانداروں کے خشک مادے کا 93٪ بناتے ہیں (پروٹینز 50٪، نیوکلیک ایسڈز 18٪، کاربوہائیڈریٹس 15٪، لپڈز 10٪)۔
ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز (کنڈینسیشن) دو مونومرز کو پانی کا مالیکیول نکال کر پولیمر میں جوڑتی ہے: ایک مونومر سے -OH گروپ اور دوسرے سے -H ایٹم نکلتا ہے۔ خاکے: (الف) مالٹوز بننا: دو گلوکوز مالیکیولز → مالٹوز + H2O، ایک گلوکوز کے کاربن 1 اور دوسرے کے کاربن 4 کے درمیان 1,4-گلائکوسڈک بانڈ کے ساتھ۔ (ب) ڈائی پیپٹائیڈ بننا: دو امینو ایسڈز → ڈائی پیپٹائیڈ + H2O، ایک امینو ایسڈ کے N اور دوسرے کے C کے درمیان پیپٹائیڈ بانڈ کے ساتھ۔ (ج) ٹرائی ایسیل گلیسرول بننا: گلیسرول + تین فیٹی ایسڈز → ٹرائی ایسیل گلیسرول + 3H2O، تین ایسٹر بانڈز کے ساتھ۔ (د) ڈائی نیوکلیوٹائیڈ بننا: دو نیوکلیوٹائیڈز فاسفوڈائی ایسٹر ربط سے جڑتے ہیں (فاسفیٹ ایک پینٹوز کے C-5 اور دوسری کے C-3 پر ایسٹر ربط سے)۔ ہر صورت میں خلیے کو توانائی فراہم کرنا پڑتی ہے کیونکہ پانی نکالنے کے لیے بانڈز توڑنے میں توانائی خرچ ہوتی ہے۔
پانی چھ خصوصیات کی وجہ سے زندگی کا ذریعہ ہے، یہ سب اس کی پولرٹی اور ہائیڈروجن بانڈنگ سے پیدا ہوتی ہیں: (1) بہترین سالونٹ: اس کی پولرٹی اور H-بانڈز نمکیات، شکر اور امینو ایسڈز کو حل کرتے ہیں، اس لیے آئنز اور مالیکیولز آسانی سے مل کر تعامل کرتے ہیں — میٹابولزم محلول میں ہوتا ہے۔ (2) زیادہ مخصوص حرارت کی گنجائش (4.184 J): یہ درجہ حرارت میں کم تبدیلی کے ساتھ بہت زیادہ حرارت جذب/خارج کرتا ہے، اس لیے جانداروں اور ان کے ماحول کا درجہ حرارت مستحکم رکھتا ہے۔ (3) بخارات بننے کی زیادہ حرارت (574 Kcal/kg): بخارات بننے سے بہت زیادہ حرارت نکلتی ہے، پودوں (ٹرانسپائریشن) اور جانوروں (پسینہ) کو ٹھنڈک ملتی ہے اور زمین کا درجہ حرارت معتدل رہتا ہے۔ (4) کوہیشن: H-بانڈز پانی کے مالیکیولز کو ایک ساتھ چپکاتے ہیں، اس لیے پانی کشش ثقل کے خلاف زائلم سے جڑوں سے پتوں تک اوپر کھینچا جاتا ہے، اور سطحی تناؤ چھوٹے جانداروں کو پانی پر چلنے دیتا ہے۔ (5) آئنائزیشن: پانی H+ اور OH− میں آئنائز ہوتا ہے (خالص پانی میں ہر ایک 10−7 mol/L)، جو pH طے کرتا ہے جس پر انزائمز اور بائیوکیمیکل تعاملات منحصر ہیں۔ (6) 4°C پر زیادہ سے زیادہ کثافت: برف مائع پانی سے کم کثیف ہوتی ہے، اس لیے وہ تیرتی ہے اور نیچے پانی کو موصل کرتی ہے، سردیوں میں آبی زندگی کو بچاتی ہے۔ یہ سب مل کر پانی کو واحد ذریعہ بناتے ہیں جس میں زندگی کی کیمسٹری چل سکتی ہے۔
مونوسکرائیڈز واحد شکر مالیکیولز ہیں، پانی میں آسانی سے حل ہو جاتے ہیں، ان میں 3 سے 7 کاربن ایٹم ہوتے ہیں؛ یہ خلیے کی میٹھی، فوری توانائی والی شکر ہیں اور ڈائی اور پولی سکرائیڈز کے مونومرز ہیں۔ ان کی درجہ بندی کاربن کی تعداد سے ہوتی ہے: ٹرائیوز (3C، C3H6O3) — گلیسرالڈیہائیڈ، ڈائی ہائیڈروکسی ایسیٹون؛ ٹیٹروز (4C، C4H8O4) — ایریتھروز، ایریتھریولوز؛ پینٹوز (5C، C5H10O5) — رائبوز، ڈی آکسی رائبوز (C5H10O4)، رائبیلوز — پینٹوز نیوکلیک ایسڈز اور ATP بناتے ہیں؛ ہیکسوز (6C، C6H12O6) — گلوکوز، فرکٹوز، گلیکٹوز — ہیکسوز توانائی ذخیرہ کرنے والی مرکزی شکر ہیں (گلوکوز توانائی ذخیرہ کرنے والا بنیادی مالیکیول ہے)؛ ہیپٹوز (7C، C7H14O7) — نایاب، فوٹوسنتھیسز میں درمیانی۔ ان کے کردار ساخت سے مختلف ہوتے ہیں: گلوکوز بنیادی ایندھن ہے، رائبوز/ڈی آکسی رائبوز نیوکلیک ایسڈز میں جینیاتی معلومات لے جاتے ہیں، اور آئسومرز (گلوکوز/فرکٹوز/گلیکٹوز) ایک ہی فارمولے کے باوجود پولیمر بنانے میں مختلف برتاؤ کرتے ہیں۔
گلوکوز (C6H12O6) کے دو قسم کے آئسومرز ہیں۔ سٹرکچرل آئسومرز کا مالیکیولر فارمولا ایک جیسا ہوتا ہے لیکن ایٹموں کی ترتیب مختلف ہوتی ہے (مختلف سٹرکچرل فارمولا): فرکٹوز گلوکوز کا سٹرکچرل آئسومر ہے — فرکٹوز میں ڈبل بانڈ والی آکسیجن آخری کاربن کے بجائے اندرونی کاربن 2 پر ہوتی ہے، اس لیے دونوں شکروں کی ساختیں اور خصوصیات مختلف ہیں (فرکٹوز زیادہ میٹھا ہے)۔ اسٹیریو آئسومرز کا سٹرکچرل فارمولا ایک جیسا ہوتا ہے لیکن خلا میں کسی گروپ کی اورینٹیشن مختلف ہوتی ہے: گلیکٹوز گلوکوز کا اسٹیریو آئسومر ہے — دونوں میں صرف کاربن 4 پر ایک ہائیڈروکسل (OH) گروپ کی اورینٹیشن میں فرق ہے۔ یہ چھوٹا فرق اہم ہے: کاربن 1 پر OH کی اورینٹیشن طے کرتی ہے کہ گلوکوز پولیمرز اسٹارچ بنیں گے (الفا-گلوکوز، OH نیچے) یا سیلولوز (بیٹا-گلوکوز، OH اوپر)، اس لیے آئسومرزم بننے والے پورے پولیمر کو بدل دیتا ہے۔
ڈائی سکرائیڈز دو مونوسکرائیڈز سے گلائکوسڈک بانڈ (ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز) سے بنتے ہیں؛ ہائیڈرولائسز پر وہ اپنے دو مونومرز واپس دیتے ہیں، اور وہ مونوسکرائیڈز سے پانی میں کم حل پذیر ہوتے ہیں۔ مالٹوز (مالٹ شکر): دو گلوکوز یونٹس، 1,4-گلائکوسڈک بانڈ (C1–C4)؛ اناج (گندم، مکئی) میں پایا جاتا ہے اور اسٹارچ کے ہضم میں درمیانی کے طور پر بنتا ہے — ایک توانائی والی شکر۔ لیکٹوز (دودھ کی شکر): گلوکوز + گلیکٹوز، گلیکٹوز 1-4 گلوکوز؛ صرف ممالیہ جانوروں کے دودھ میں پایا جاتا ہے؛ شیر خوار ممالیہ جانوروں کے لیے توانائی کا بنیادی ذریعہ۔ سکروز (گنے کی شکر): گلوکوز + فرکٹوز، گلوکوز 1-2 فرکٹوز، C11H22O11؛ مانوس ٹیبل شکر اور میٹھا کرنے والی؛ اعلیٰ پودوں میں یہ ٹرانسپورٹ ڈائی سکرائیڈ ہے جو فلوئم میں پودے کے مختلف حصوں سے اور تک لے جایا جاتا ہے۔ اس لیے مالٹوز ہضم/توانائی کا کام کرتا ہے، لیکٹوز شیر خوار کی غذائیت کا، اور سکروز مٹھاس اور لمبی دوری کی نقل و حمل کا۔
پروٹینز خلیے میں سب سے زیادہ پائے جانے والے نامیاتی مرکبات ہیں جن کی تعریف امینو ایسڈز کے پولیمرز کے طور پر کی جاتی ہے، اور انہیں خلیات کے بنیادی مرکبات سمجھا جاتا ہے — زندگی کے تعمیری بلاکس۔ ایک امینو ایسڈ پروٹینز کی بنیادی ساختی اکائی ہے: ایک نامیاتی مالیکیول جس میں چار گروپ — ایک امینو گروپ (NH2)، ایک کاربوکسل گروپ (COOH)، ایک ہائیڈروجن ایٹم (H) اور ایک سائیڈ گروپ (R) — ایک ہی الفا کاربن سے جڑے ہوتے ہیں۔ ترکیب: پیپٹائیڈ ربط (پیپٹائیڈ بانڈ) ڈی ہائیڈریشن سنتھیسز سے بنتا ہے — ایک امینو ایسڈ کا امینو گروپ دوسرے کے کاربوکسل گروپ سے تعامل کرتا ہے، پانی کا مالیکیول خارج ہوتا ہے، اور ایک کے N اور دوسرے کے C کے درمیان کوویلنٹ بانڈ بنتا ہے؛ اس کو دہرانے سے ڈائی پیپٹائیڈز اور پھر پولی پیپٹائیڈ زنجیریں بنتی ہیں۔ ٹوٹنا: پیپٹائیڈ روابط ہائیڈرولائسز سے ٹوٹتے ہیں — پیپٹائیڈ بانڈ پر پانی کا مالیکیول شامل ہوتا ہے، OH ایک امینو ایسڈ سے اور H دوسرے سے جڑ جاتا ہے، جس سے دونوں امینو ایسڈز آزاد ہو جاتے ہیں (پروٹیئسز سے پروٹین کے ہضم میں یہی ہوتا ہے)۔
کسی پروٹین کی پرائمری ساخت — اس کے امینو ایسڈز کی بالکل تعداد، قسم اور ترتیب — بہت مخصوص ہوتی ہے اور DNA میں نیوکلیوٹائیڈز کی ترتیب سے طے ہوتی ہے؛ ترتیب میں کوئی بھی تبدیلی پروٹین کے کام کو تباہ کر سکتی ہے۔ اس کا ثبوت سکل سیل ہیموگلوبن ہے: عام ہیموگلوبن کی چار زنجیریں ہوتی ہیں (دو الفا 141 امینو ایسڈز کی، دو بیٹا 146 کی)۔ سکل سیل ہیموگلوبن میں صرف ایک امینو ایسڈ کی غلطی ہوتی ہے — ہر بیٹا زنجیر میں چھٹی پوزیشن پر ویلین امینو ایسڈ گلوٹامک ایسڈ کی جگہ موجود ہوتا ہے — جو پورے پروٹین کو بدل دیتا ہے۔ غیر معمولی ہیموگلوبن سرخ خون کے خلیات کو درانتی کی شکل دے دیتا ہے، اور درانتی والے خلیات کافی آکسیجن منتقل نہیں کر سکتے، جس سے سکل سیل انیمیا ہوتا ہے۔ 574 میں سے ایک غلط امینو ایسڈ اس طرح پروٹین کی شکل، اس کا کام اور پورے جاندار کی صحت بدل دیتا ہے — اسی لیے امینو ایسڈز کی ترتیب اتنی اہم ہے۔
ایسیل گلیسرولز (چکنائی اور تیل) گلیسرول + فیٹی ایسڈز کے ایسٹرز ہیں (ٹرائی ایسیل گلیسرولز: ایک گلیسرول بیک بون پر 3 فیٹی ایسڈز)؛ یہ غیر پولر، پانی میں غیر حل پذیر، اور توانائی ذخیرہ کرنے والے مؤثر مالیکیولز ہیں (جانوروں کی چکنائی میں پودوں کے تیلوں سے زیادہ توانائی ہوتی ہے کیونکہ سیچوریٹڈ فیٹی ایسڈز میں زیادہ C-H بانڈز ہوتے ہیں)؛ تیل کمرے کے درجہ حرارت پر مائع ہوتے ہیں، چکنائی ٹھوس۔ فاسفولیپڈز فاسفیٹیڈک ایسڈ کے مشتقات ہیں (گلیسرول + 2 فیٹی ایسڈز + فاسفیٹ + کولین جیسا نائٹروجنس بیس)؛ ان کا سر پولر اور دو دمیں غیر پولر ہوتی ہیں، اور وہ پلازما ممبرینز کی لپڈ بائی لیئر بناتے ہیں — یہ ان کا بنیادی ساختی کردار ہے۔ ٹرپینز آئسوپرین یونٹس (CH2=C(CH3)–CH=CH2) سے بنتے ہیں؛ وہ حیاتیاتی طور پر اہم روغن بناتے ہیں (پودوں میں کلوروفل، آنکھوں میں ریٹینل) اور وٹامن A اور ربڑ جیسے مرکبات۔ ویکسز ایسیل گلیسرولز سے بنتے ہیں، ان کے پگھلنے کے نقطے زیادہ ہوتے ہیں (لمبی زنجیریں، طاق کاربن نمبر 25 تا 35)، کیمیائی طور پر غیر فعال اور بہت زیادہ ہائیڈروفوبک؛ وہ پھلوں، پتوں اور جانوروں کی جلد پر حفاظتی کوٹنگ اور پانی کی رکاوٹ کا کام کرتے ہیں، اور موم بتیاں، پالش، کریون اور واٹر پروفنگ کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔
نیوکلیوٹائیڈ نیوکلیک ایسڈز کا مونومر ہے جو تین حصوں سے بنا ہوتا ہے: (1) ایک پینٹوز شکر — RNA میں رائبوز، DNA میں ڈی آکسی رائبوز؛ (2) ایک نائٹروجنس بیس جو شکر کے کاربن 1 سے جڑی ہوتی ہے — ایک پائریمیڈین (ایک رنگ: دونوں میں سائٹوسین، صرف DNA میں تھائیمین، صرف RNA میں یوراسل) یا ایک پیورین (دو رنگ: دونوں میں ایڈینائن، گوانین)؛ بیس + شکر مل کر نیوکلیوسائیڈ بناتے ہیں؛ (3) ایک فاسفورک ایسڈ (فاسفیٹ) جو شکر کے C-5 پر ایسٹر ربط سے جڑا ہوتا ہے — نیوکلیوسائیڈ + فاسفیٹ = نیوکلیوٹائیڈ۔ نیوکلیوٹائیڈز فاسفوڈائی ایسٹر روابط سے جڑ کر لمبی پولی نیوکلیوٹائیڈ زنجیریں بناتے ہیں جن کی بیک بون باری باری شکر اور فاسفیٹ سے بنتی ہے، 5' سرے پر آزاد فاسفیٹ اور 3' سرے پر آزاد OH کے ساتھ۔ نیوکلیوٹائیڈز کا نام ان کے بیس پر رکھا جاتا ہے (جیسے ایڈینائن نیوکلیوٹائیڈ)، اور نیوکلیک ایسڈز بنانے کے علاوہ وہ توانائی کی کرنسی (ATP) اور کو-انزائمز (NAD) کا کام بھی کرتے ہیں۔
واٹسن اور کرک (1953، فرینکلن اور ولکنز کے کام اور چارگاف کے ڈیٹا پر مبنی کہ DNA میں A = T اور G = C تناسب میں ہیں) نے پیش کیا: DNA دو پولی نیوکلیوٹائیڈ زنجیروں (اسٹرینڈز) سے بنا ہوتا ہے جو ایک دوسرے کے گرد لپٹ کر ڈبل ہیلکس بناتے ہیں۔ ہیلکس سیڑھی کی طرح ہے: اس کے ستون (اطراف) شکروں اور فاسفیٹ گروپوں سے بنتے ہیں، اور اس کے ڈنڈے نائٹروجنس بیس جوڑوں سے بنتے ہیں۔ ہر ڈنڈا ایک پیورین + ایک پائریمیڈین ہے: ایڈینائن تھائیمین سے جوڑا بناتا ہے (2 ہائیڈروجن بانڈز) اور گوانین سائٹوسین سے جوڑا بناتا ہے (3 ہائیڈروجن بانڈز)؛ بیسز کے درمیان کمزور ہائیڈروجن بانڈز دونوں اسٹرینڈز کو ایک ساتھ رکھتے ہیں۔ دونوں اسٹرینڈز مخالف سمت میں ہوتے ہیں — اپنے فاسفوڈائی ایسٹر روابط کے لحاظ سے وہ مخالف سمتوں میں چلتے ہیں۔ ہیلکس 2 nm چوڑا ہے، ہر 3.4 nm میں ایک مکمل موڑ اور لگاتار بیس جوڑوں کے درمیان 0.34 nm فاصلہ ہوتا ہے۔ یہ ساخت وراثت (بیس ترتیب جینیاتی پروگرام ہے) اور نقل (ہر اسٹرینڈ نئی تکمیلی اسٹرینڈ کا سانچہ بن سکتا ہے) دونوں کی وضاحت کرتی ہے۔
RNA رائبونیوکلیوٹائیڈز کی ایک پولی نیوکلیوٹائیڈ زنجیر ہے (رائبوز شکر + فاسفیٹ + نائٹروجنس بیس: A، G، C یا U — تھائیمین کی جگہ یوراسل)۔ یہ ٹرانسکرپشن سے بنتا ہے: رائبونیوکلیوٹائیڈز DNA کی اسٹرینڈ کے ڈی آکسی رائبونیوکلیوٹائیڈز کے سامنے جڑتے ہیں، اس لیے اس کی ترتیب DNA کی ایک اسٹرینڈ کی تکمیلی ہوتی ہے۔ اس کی عمومی ساخت ایک زنجیر ہے (DNA کی ڈبل ہیلکس کے برعکس)، جس کی بیک بون شکر فاسفیٹ سے بنتی ہے اور بیسز اندر کی طرف نکلتے ہیں۔ تین اقسام سائز، حصے اور کام میں مختلف ہیں: mRNA (میسنجر RNA) — ایک زنجیر، خلیے کے RNA کا 3 تا 4٪، مخصوص پروٹین بنانے کے لیے DNA کا جینیاتی پیغام رائبوسومز تک لے جاتا ہے۔ tRNA (ٹرانسفر RNA) — چھوٹا، ہیلیکل، شبنم کے پتے کی شکل والا، خلیے کے RNA کا 10 تا 15٪، پروٹین کی ترکیب کے عمل میں امینو ایسڈز کو رائبوسوم اور mRNA تک لے جاتا ہے۔ rRNA (رائبوسومل RNA) — نیوکلیولائی کے DNA سے بنتا ہے، رائبوسومل پروٹین سے مل کر رائبوسومز بناتا ہے، خلیے کے RNA کا تقریباً 80٪، رائبوسومز میں پروٹینز کی ترکیب کے لیے مشینری کا کام کرتا ہے۔
کنجوگیٹڈ مالیکیولز مختلف اقسام سے تعلق رکھنے والے دو یا زیادہ مالیکیولز کے ملنے سے بنتے ہیں۔ عام مثالوں اور کرداروں میں: گلائکوپروٹینز — پروٹین + کاربوہائیڈریٹ پولیمر کوویلنٹ ربط سے جڑے؛ وہ ممبرینز کے لازمی ساختی جزو کے طور پر، خون کے سیرم میں، خلوی اخراج کے طور پر، اور کارٹلیج، آنکھوں اور جلد میں وسیع پیمانے پر پائے جاتے ہیں۔ گلائکولپڈز — لپڈ + کاربوہائیڈریٹ کوویلنٹ ربط سے جڑے؛ وہ ممبرینز کے لازمی ساختی جزو ہیں۔ لائپوپروٹینز — لپڈز + پروٹینز ہائیڈروفوبک تعاملات (کوویلنٹ یا آئنک بانڈز نہیں) سے جڑے؛ وہ تمام پلازما ممبرینز کا بنیادی ساختی ڈھانچہ ہیں، اور لپڈز خون میں بہت کم کثافت والے لائپوپروٹینز کے طور پر منتقل ہوتے ہیں۔ نیوکلیوپروٹینز — کروموسومل DNA + پروٹینز آئنک بانڈز سے جڑے (جیسے ہسٹون پروٹینز DNA سے جڑ کر نیوکلیوسومز بناتے ہیں)؛ وہ یوکیریوٹس میں کروموسومل ساخت کو مستحکم کرتے ہیں اور جین کے اظہار کے کنٹرول میں اہم کردار ادا کرتے ہیں۔
Because a protein's primary structure — its exact amino acid sequence — determines its shape and function, substituting even one amino acid can change the whole protein and cause disease. The specific example from the book is sickle cell haemoglobin: in each beta chain of haemoglobin, at position six, the amino acid valine replaces glutamic acid. This single substitution changes the haemoglobin molecule so that red blood cells become sickle-shaped instead of round, and the abnormal haemoglobin cannot transport sufficient oxygen — the result is sickle cell anaemia. One amino acid out of 574 changes the protein, the cell, and the health of the person.
A protein's function depends entirely on its three-dimensional shape, which is built level by level: the primary sequence of amino acids decides how the chain folds into secondary structures (alpha helix, pleated sheet, held by hydrogen bonds), which fold further into a tertiary globular shape (held by ionic, hydrogen and disulphide bonds, with hydrophobic amino acids buried inside and hydrophilic ones on the surface), and several chains may aggregate into a quaternary structure. The final 3D shape creates the protein's working parts — for example, an enzyme's active site fits only its specific substrate, haemoglobin's four-chain quaternary shape lets it carry oxygen, and antibodies' shape lets them recognize only their specific antigen. If the shape is lost (denaturation) or changed by one wrong amino acid (sickle cell haemoglobin), the function is lost too. Structure = function.
Nucleic acids encode information in the sequence of their nitrogenous bases. In DNA, the linear order of the four bases (A, T, G, C) along a polynucleotide chain forms genes — each gene is a sequence of nucleotides that codes for one polypeptide (the E. coli chromosome, for example, has about 5 million bases per strand, in genes of several hundred bases each). The information is used in two steps of the central dogma: first transcription — an RNA copy (mRNA) of the gene is made from the DNA strand; then translation — the mRNA's base sequence is read at the ribosome (with tRNA bringing amino acids and rRNA as the machinery) and translated into the amino acid sequence of a specific protein. In this way the base sequence of DNA becomes the amino acid sequence of a protein, and DNA controls the properties and activities of the cell.
This chapter, Biomolecules, is the chemistry of life: it explains the four fundamental biological molecules — carbohydrates, proteins, lipids and nucleic acids — and the one molecule that makes all life possible, water. You will learn how monomers join into polymers by condensation and break apart by hydrolysis, why water's polarity and hydrogen bonds make it the medium of life, how sugars build up from monosaccharides to starch, glycogen and cellulose, how amino acids fold into the four levels of protein structure (and how one wrong amino acid causes sickle cell anaemia), how fats, phospholipids, terpenes, steroids and prostaglandins work, and how nucleotides build DNA's double helix and RNA — ending with the central dogma, DNA → RNA → Protein, and the conjugated molecules that combine these worlds.
Revision guidance: پہلے ہر section کا English box پڑھیں, پھر اس کا Urdu box, پھر اپنے آپ سے یہ سوال پوچھیں — maltose کیسے بنتا ہے? cellulose اور starch میں کیا فرق ہے? sickle cell anaemia کیوں ہوتی ہے? DNA کی double helix کیسی ہے? — اور آخر میں exercise کے سوال خود حل کر کے answers سے ملائیں.
یہ باب، بائیومالیکیولز، زندگی کی کیمسٹری ہے: یہ چار بنیادی حیاتیاتی مالیکیولز — کاربوہائیڈریٹس، پروٹینز، لپڈز اور نیوکلیک ایسڈز — اور اس ایک مالیکیول کی وضاحت کرتا ہے جو تمام زندگی کو ممکن بناتا ہے، پانی۔ آپ سیکھیں گے کہ مونومرز کنڈینسیشن سے پولیمرز میں کیسے جڑتے ہیں اور ہائیڈرولائسز سے کیسے ٹوٹتے ہیں، پانی کی پولرٹی اور ہائیڈروجن بانڈز اسے زندگی کا ذریعہ کیوں بناتے ہیں، شکر مونوسکرائیڈز سے اسٹارچ، گلائکوجن اور سیلولوز تک کیسے بنتی ہے، امینو ایسڈز پروٹین کی چار سطحوں میں کیسے مڑتے ہیں (اور ایک غلط امینو ایسڈ سکل سیل انیمیا کیسے پیدا کرتا ہے)، چکنائی، فاسفولیپڈز، ٹرپینز، اسٹیرائیڈز اور پروسٹاگلینڈنز کیسے کام کرتے ہیں، اور نیوکلیوٹائیڈز DNA کی ڈبل ہیلکس اور RNA کیسے بناتے ہیں — آخر میں سینٹرل ڈوگما، DNA → RNA → پروٹین، اور کنجوگیٹڈ مالیکیولز جو ان دنیاؤں کو جوڑتے ہیں۔
دہرائی کی رہنمائی: پہلے ہر سیکشن کا انگریزی باکس پڑھیں، پھر اس کا اردو باکس، پھر اپنے آپ سے یہ سوالات پوچھیں — مالٹوز کیسے بنتا ہے؟ سیلولوز اور اسٹارچ میں کیا فرق ہے؟ سکل سیل انیمیا کیوں ہوتی ہے؟ DNA کی ڈبل ہیلکس کیسی ہے؟ — اور آخر میں مشق کے سوالات خود حل کر کے جوابات سے ملائیں۔
Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:
PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 1 Biology, Chapter 4 (New Book, Session 2026–27) • English + Urdu