व्याख्यान-1 (Lecture-1)

परिचय, कार्बोहाइड्रेट - महत्व और वर्गीकरण (Introduction, Carbohydrates – importance & classification)

जैव रसायन, जैसा कि नाम से पता चलता है, जीवित प्राणी / जीवों का रसायन विज्ञान (chemistry) है। जीवित प्राणी / जीव, चाहे वे सूक्ष्मजीव (microorganisms), पौधे या जानवर हों, मूल रूप से समान रासायनिक घटकों से बने होते हैं। जैव रसायन उस तरीके का अध्ययन है जिसमें इन घटकों को जीवों द्वारा उनके जीवन प्रक्रियाओं में संश्लेषित (synthesized) और उपयोग किया जाता है। यह पारंपरिक रसायन विज्ञान और जीव विज्ञान (biology) के बीच की खाई को पाटता है।

दूसरे शब्दों में, जीवन और कुछ नहीं बल्कि हजारों क्रमित रासायनिक प्रतिक्रियाएं हैं, या रसायन विज्ञान (chemistry) सभी जैविक घटनाओं का तर्क है।

जैव रसायन का इतिहास

17वीं और 18वीं शताब्दी के दौरान, जीव विज्ञान के कई क्षेत्रों में महत्वपूर्ण नींव रखी गई थी।

19वीं शताब्दी में विभिन्न अवधारणाओं का विकास देखा गया - जैसे कि श्लाइडेन (Schleiden) और श्वान (Schwann) द्वारा कोशिका सिद्धांत, मेंडल (Mendel) का वंशानुक्रम का अध्ययन और डार्विन (Darwin) का विकासवाद का सिद्धांत।
जैव रसायन को वास्तविक बढ़ावा 1828 में मिला, जब वोहलर (Wohler) द्वारा लेड सायनेट और अमोनिया (ammonia) से यूरिया (urea) का पूर्ण संश्लेषण (synthesis) प्राप्त किया गया, जिन्होंने इस प्रकार अकार्बनिक यौगिक से कार्बनिक यौगिक का संश्लेषण शुरू किया।
लुई पाश्चर ने 1857 के दौरान, किण्वन (fermentations) पर बहुत काम किया और इस प्रक्रिया में एंजाइम (enzymes) के केंद्रीय महत्व को इंगित किया।
एंजाइम अनुसंधान और इसलिए जैव रसायन (biochemistry) में बड़ी सफलता 1897 में एडवर्ड बुचनर द्वारा प्राप्त की गई थी, जब उन्होंने यीस्ट कोशिकाओं (yeast cells) से कच्चे रूप में एंजाइम निकाला था जो चीनी के अणु को अल्कोहल में किण्वित (ferment) कर सकता था।
न्यूबर्ग (Neuberg) ने 1903 में जैव रसायन (biochemistry) शब्द प्रस्तुत किया।

20वीं सदी के शुरुआती हिस्से में रासायनिक विश्लेषण, पृथक्करण विधियों, और जैविक अध्ययन के लिए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों (जैसे कि एक्स-रे विवर्तन, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप, आदि) में ज्ञान में तीव्र वृद्धि देखी गई, जिससे अंततः जीवन प्रक्रियाओं में शामिल कई प्रमुख अणुओं, जैसे कि प्रोटीन, एंजाइम, डीएनए (DNA) और आरएनए (RNA) की संरचना और कार्य को समझने में मदद मिली।

1926 में, जेम्स सुमनर ने एंजाइम की प्रोटीन प्रकृति (protein nature) को स्थापित किया। वे यूरिएज (urease) के पृथक्करण (isolation) और क्रिस्टलीकरण (crystallization) के लिए जिम्मेदार थे, जिसने विशिष्ट एंजाइमों के गुणों के अध्ययन में एक बड़ी सफलता प्रदान की।
स्पष्ट किया गया पहला चयापचय मार्ग (metabolic pathway) 20वीं सदी के पूर्वार्ध के दौरान एम्बडेन (Embden) और मेयरहोफ (Meyerhof) द्वारा ग्लाइकोलाइटिक मार्ग (glycolytic pathway) था। ओटो वारबर्ग, कोरी (Cori) और पारनास (Parnas) ने भी ग्लाइकोलाइटिक मार्ग से संबंधित बहुत महत्वपूर्ण योगदान दिया।
क्रेब्स (Krebs) ने 1930-40 के दौरान साइट्रिक एसिड (citric acid) और यूरिया चक्र (urea cycles) की स्थापना की।
1940 में, लिपमैन (Lipmann) ने जैविक प्रणालियों में एटीपी (ATP) की केंद्रीय भूमिका का वर्णन किया।
1953 में वॉटसन (Watson) और क्रिक (Crick) द्वारा डीएनए की संरचना की स्थापना और उसके बाद 1956 में कोर्नबर्ग (Kornberg) द्वारा डीएनए पोलीमरेज़ (DNA polymerase) की खोज के बाद न्यूक्लिक एसिड (nucleic acids) का जैव रसायन घातीय वृद्धि के चरण में प्रवेश कर गया।

1960 के बाद से, जैव रसायन एक अंतःविषय (interdisciplinary) चरण में डूब गया, जिसमें जीव विज्ञान और आणविक आनुवंशिकी के साथ बहुत कुछ साझा किया गया।

1953 में प्रोटीन के अनुक्रमण (sequencing) और 1977 में न्यूक्लिक एसिड के अनुक्रमण में फ्रेडरिक सेंगर का योगदान प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड अनुसंधान के क्षेत्र में आगे के विकास के लिए जिम्मेदार था।

पिछले दो दशकों के दौरान जैव रसायन और आणविक जीव विज्ञान का विकास अभूतपूर्व था。

1980 के दौरान स्नेल (Snell) और सहकर्मियों द्वारा पुनः संयोजक डीएनए (recombinant DNA) अनुसंधान के विकास ने आगे की वृद्धि और एक नए क्षेत्र, जेनेटिक इंजीनियरिंग के उद्भव की अनुमति दी।

इस प्रकार जीव विज्ञान से जैव रसायन और फिर आणविक जीव विज्ञान, जेनेटिक इंजीनियरिंग और जैव प्रौद्योगिकी (biotechnology) में प्रगतिशील विकास हुआ।

कार्बोहाइड्रेट (CARBOHYDRATES)

मूलानुपाती सूत्र, (CH₂O)_n, वाले यौगिकों को कार्बोहाइड्रेट (कार्बन के हाइड्रेट - hydrates of carbons) कहा जाता था। कई विविध कार्बोहाइड्रेट की खोज के साथ यह देखा गया कि कई, लेकिन सभी नहीं, कार्बोहाइड्रेट में उपरोक्त मूलानुपाती सूत्र होता है; कुछ में नाइट्रोजन, फास्फोरस या सल्फर भी होते हैं। कुछ कार्बोहाइड्रेट (derivatives) ऐसे भी हैं जिनमें (CH₂O)_n नहीं होता है। दूसरी ओर, कुछ गैर-कार्बोहाइड्रेट यौगिक हैं जैसे लैक्टिक एसिड (lactic acid) जिनका मूलानुपाती सूत्र (CH₂O)_n होता है। इसलिए, रासायनिक रूप से कार्बोहाइड्रेट को पॉलीहाइड्रॉक्सी एल्डिहाइड या कीटोन, उनके व्युत्पन्न और उनके बहुलक कहलाते हैं।

उपस्थिति और महत्व

कार्बोहाइड्रेट प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले जैव अणुओं (biomolecules) के प्रमुख समूहों में से एक हैं। ऐसा मुख्य रूप से इसलिए है क्योंकि सूर्य से प्रकाश ऊर्जा को प्राथमिक उत्पादन के माध्यम से पौधों द्वारा रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है और शर्करा तथा कार्बोहाइड्रेट व्युत्पन्न में स्थानांतरित किया जाता है।
पौधों का सूखा पदार्थ 50-80% कार्बोहाइड्रेट से बना होता है। पौधों में संरचनात्मक सामग्री मुख्य रूप से सेल्यूलोज (cellulose) और संबंधित हेमिसेल्यूलोज (hemicelluloses) है।
स्टार्च पौधों में भंडारण पॉलीसेकेराइड (storage polysaccharide) का महत्वपूर्ण रूप है।
पेक्टिन (Pectins) और सुक्रोज (sucrose) तथा ग्लूकोज (glucose) जैसे शर्करा भी पौधों के घटक हैं।
कई गैर-कार्बोहाइड्रेट कार्बनिक अणु ग्लाइकोसाइड्स (glycosides) के रूप में शर्करा के साथ संयुग्मित (conjugated) पाए जाते हैं।
जानवरों में कार्बोहाइड्रेट ज्यादातर ग्लाइकोप्रोटीन (glycoproteins) के रूप में प्रोटीन के साथ संयोजन में, साथ ही अन्य यौगिकों के साथ पाए जाते हैं।
कार्बोहाइड्रेट का भंडारण रूप, ग्लाइकोजन (glycogen), यकृत और मांसपेशियों में पाया जाता है, रक्त समूह पदार्थ, म्यूसिन्स (mucins), म्यूकोपॉलीसेकेराइड (mucopolysaccharides) के रूप में कोशिकाओं के बीच आधार पदार्थ (ground substance), जानवरों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने वाले कार्बोहाइड्रेट के कुछ उदाहरण हैं।
निचले जानवरों के बाह्य-कंकाल (exo-skeleton) में पाया जाने वाला चिटिन (Chitin), एन-एसिटाइल ग्लूकोसामाइन (N-acetyl glucosamine) का एक बहुलक (polymer) है।

कार्बोहाइड्रेट अन्य बहुलक पदार्थों में भी सार्वभौमिक रूप से पाए जाते हैं। उदाहरण के लिए,

वसा एक चीनी अल्कोहल, ग्लिसरॉल (glycerol), के फैटी एसिड एस्टर (fatty acid esters) हैं।
राइबोज (Ribose) और डीऑक्सीराइबोज (deoxyribose) न्यूक्लिक एसिड के घटक हैं।

इसके अलावा, सभी जीवित रूपों में, यांत्रिक कार्य और रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए आवश्यक ऊर्जा कार्बोहाइड्रेट से प्राप्त होती है।

एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट और संबंधित पदार्थ जिनमें एक घटक के रूप में राइबोज होता है, ऊर्जा भंडारण और हस्तांतरण में प्रमुख पदार्थ हैं।
लगभग सभी कार्बनिक अणुओं के कार्बन कंकाल कार्बोहाइड्रेट से प्राप्त होते हैं।

इसके अलावा, कार्बोहाइड्रेट चीनी और चीनी उत्पादों, स्टार्च उत्पादों, कागज और लकड़ी के गूदे, वस्त्र (textiles), प्लास्टिक, खाद्य प्रसंस्करण और किण्वन (fermentation) सहित कई महत्वपूर्ण उद्योगों का मूल कच्चा माल हैं।

वर्गीकरण (CLASSIFICATION)

कार्बोहाइड्रेट को तीन प्रमुख समूहों में वर्गीकृत किया गया है:

मोनोसैकेराइड (Monosaccharides)
ओलिगोसैकेराइड (Oligosaccharides)
पॉलीसैकेराइड (Polysaccharides)

कार्बोहाइड्रेट का वर्गीकरण

मोनोसैकेराइड (सरल शर्करा) (Monosaccharides (Simple sugars))	ओलिगोसैकेराइड (Oligosaccharides)	पॉलीसैकेराइड (ग्लाइकन्स) (Polysaccharides (Glycans))
कम आणविक भार वाले कार्बोहाइड्रेट और इन्हें आगे हाइड्रोलाइज (hydrolysed) नहीं किया जा सकता है।	ग्लाइकोसिडिक बॉन्ड द्वारा जुड़े 2-10 मोनोसैकेराइड होते हैं। कम आणविक भार वाले कार्बोहाइड्रेट जिन्हें एंजाइम या एसिड द्वारा मोनोसैकेराइड प्राप्त करने के लिए हाइड्रोलाइज किया जा सकता है।	ग्लाइकोसिडिक बॉन्ड द्वारा जुड़े कई मोनोसैकेराइड होते हैं। उन्हें एंजाइम या एसिड द्वारा हाइड्रोलाइज किया जा सकता है।
क्रिस्टलीय (Crystalline), पानी में घुलनशील, और स्वाद में मीठे होते हैं।	पाउडर वाले (Powdery) या क्रिस्टलीय (crystalline), पानी में घुलनशील और स्वाद में मीठे।	पानी में अघुलनशील, स्वादहीन (tasteless), रैखिक (linear) या शाखित (branched)।
कार्बन परमाणुओं की संख्या के आधार पर ट्राइओस (triose), टेट्रोस (tetrose), पेंटोस (pentose), हेक्सोस (hexose) और हेप्टोस (heptose) में वर्गीकृत किया गया है। वे या तो एल्डोज (aldoses) या केटोज (ketoses) हो सकते हैं, यह इस बात पर निर्भर करता है कि उनमें क्रमशः एक मुक्त एल्डिहाइड या कीटोन (ketone) समूह है या नहीं।	इनमें मौजूद मोनोसैकेराइड की संख्या के आधार पर डाइसैकेराइड (disaccharide), ट्राइसैकेराइड (trisaccharide), टेट्रासैकेराइड (tetrasaccharide) और पेंटासैकेराइड (pentasaccharide) में वर्गीकृत किया गया है।	मौजूद मोनोसैकेराइड के प्रकार के आधार पर होमोग्लाइकन्स (homoglycans) और हेटेरोग्लाइकन्स (heteroglycans) में वर्गीकृत किया गया है। कार्य के आधार पर, उन्हें भंडारण (storage) और संरचनात्मक (structural) पॉलीसैकेराइड के रूप में वर्गीकृत किया गया है।
सभी मोनोसैकेराइड प्रकृति में कम करने वाले हैं।	उनमें से कुछ कम करने वाले (reducing) हैं और कुछ प्रकृति में गैर-कम करने वाले हैं।	प्रकृति में गैर-कम करने वाले और आयोडीन के साथ गहरा नीला (एमाइलोज - amylose) या लाल रंग (एमाइलोपेक्टिन - amylopectin) देते हैं।

मोनोसैकेराइड (Monosaccharides)

मोनोसैकेराइड सबसे सरल रूप हैं जिन्हें आगे छोटी इकाइयों में हाइड्रोलाइज नहीं किया जा सकता है। उन्हें वर्गीकृत किया गया है:

सरल मोनोसैकेराइड (simple monosaccharides)
व्युत्पन्न मोनोसैकेराइड (derived monosaccharides)

सरल मोनोसैकेराइड को आगे वर्गीकृत किया गया है:

क्रियात्मक समूह के प्रकार के आधार पर और
उनके पास मौजूद कार्बन परमाणुओं की संख्या के आधार पर।

व्युत्पन्न मोनोसैकेराइड में सरल मोनोसैकेराइड के व्युत्पन्न शामिल हैं जैसे ऑक्सीकरण उत्पाद, कमी उत्पाद, प्रतिस्थापन उत्पाद और एस्टर (esters)।

मोनोसैकेराइड का वर्गीकरण (Classification of monosaccharides)

मोनोसैकेराइड (Monosaccharides)	कार्बन परमाणुओं की संख्या	एल्डोज (Aldose)	केटोज (Ketose)	उपस्थिति
सरल (Simple)
ट्राइओस (Triose)	3	डी-ग्लिसरोज (D-Glycerose)	डाइहाइड्रॉक्सी एसीटोन	ग्लूकोज चयापचय में मध्यस्थ मेटाबोलाइट्स (Intermediary metabolites in glucose metabolism)
टेट्रोस (Tetrose)	4	डी-एरिथ्रोज (D-Erythrose)	डी-एरिथ्रुलोस (D-Erythrulose)	-
पेंटोस (Pentose)	5	डी-राइबोज (D-Ribose)	डी-राइबुलोस (D-Ribulose)	राइबोज न्यूक्लिक एसिड का एक घटक है (Ribose is a constituent of nucleic acid)
		एल-अराबिनोज (L-Arabinose)	-	ओलिगोसैकेराइड में होता है (Occurs in oligosaccharides)
		डी-जाइलोज (D-Xylose)	डी-जाइलुलोस (D-Xylulose)	बबूल की गोंद, चेरी गोंद, लकड़ी की गोंद, प्रोटीओग्लाइकन्स (proteoglycans)
हेक्सोस (Hexose)	6	डी-ग्लूकोज (D-Glucose)	डी-फ्रुक्टोज (D-Fructose)	फलों के रस और गन्ने की चीनी
		डी-गैलेक्टोज (D-Galactose)	-	लैक्टोज, लिपिड का घटक
		डी-मैनोज (D-Mannose)	-	प्लांट मन्नासन और ग्लाइकोप्रोटीन
हेप्टोस (Heptose)	7	-	डी-सेडोहेप्टुलोस (D-Sedoheptulose)	कार्बोहाइड्रेट चयापचय में मध्यवर्ती
व्युत्पन्न (Derived)
डीऑक्सीसुगर (Deoxysugar)	5	2-डीऑक्सीराइबोज (2-Deoxyribose)	-	डीएनए (DNA)
	6	एल-रैम्नोज (L-Rhamnose)	-	कोशिका भित्ति का घटक
अमीनोसुगर (Aminosugar)	6	डी-ग्लूकोसामाइन (D-Glucosamine)	-	कीड़ों और क्रस्टेशियंस (चिटिन) में पाए जाने वाले पॉलीसेकेराइड का एक प्रमुख घटक
पॉलीओल (Polyol)	6	सॉर्बिटोल (Sorbitol)	-	जामुन (Berries)
	6	मैनिटोल (Mannitol)	-	व्यावसायिक रूप से मैनोज और फ्रुक्टोज से तैयार किया जाता है (Commercially prepared from mannose and fructose)
एल्डोनिक एसिड (Aldonic acid)	6	ग्लूकोनिक एसिड (Gluconic acid)	-	-
यूरोनिक एसिड (Uronic acid)	6	ग्लुकुरोनिक एसिड (Glucuronic acid)	-	चोंड्रोइटिन सल्फेट का घटक
	6	गैलेक्टुरोनिक एसिड (Galacturonic acid)	-	पेक्टिन का घटक
एल्डारिक एसिड (सैकैरिक एसिड)	6	ग्लूकेरिक एसिड (Glucaric acid)	-	ग्लूकोज का ऑक्सीकरण उत्पाद (Oxidation product of glucose)
	6	म्यूसिक एसिड (Mucic acid)	-	गैलेक्टोज का ऑक्सीकरण उत्पाद (Oxidation product of galactose)

ओलिगोसैकेराइड (Oligosaccharides)

इनमें ग्लाइकोसिडिक लिंकेज द्वारा जुड़ी दो से दस मोनोसैकेराइड इकाइयाँ होती हैं जिन्हें आसानी से हाइड्रोलाइज किया जा सकता है।

पॉलीसैकेराइड (Polysaccharides)

ये उच्च आणविक भार वाले बहुलक हैं जिनमें दस से अधिक मोनोसैकेराइड होते हैं। वे संरचना में रैखिक (linear) या शाखित (branched) होते हैं。

पॉलीसैकेराइड को आगे वर्गीकृत किया गया है:

मौजूद मोनोसैकेराइड के प्रकार के आधार पर:
- होमोपॉलीसैकेराइड (Homopolysaccharides): जब वे एक ही प्रकार के मोनोसैकेराइड से बने होते हैं। उदाहरण: स्टार्च (starch), सेल्यूलोज (cellulose), इनुलिन (inulin), ग्लाइकोजन (glycogen), चिटिन (chitin)।
- हेटेरोपॉलीसैकेराइड (Heteropolysaccharides): एक से अधिक प्रकार के मोनोसैकेराइड से बने होते हैं। उदाहरण: हेमिसेल्यूलोज (Hemicellulose), म्यूकोपॉलीसैकेराइड (Mucopolysaccharides) - चोंड्रोइटिन सल्फेट, हाइलूरोनिक एसिड (Hyaluronic acid), हेपरिन (Heparin) और केराटन सल्फेट।
कार्यात्मक पहलू के आधार पर:
- भंडारण पॉलीसैकेराइड: उदाहरण: स्टार्च, ग्लाइकोजन, इनुलिन, गैलेक्टोमैनन (Galactomannan)।
- संरचनात्मक पॉलीसैकेराइड (Structural Polysaccharide): उदाहरण: सेल्यूलोज, चिटिन, हेमिसेल्यूलोज।

🔄 संस्करण 2.0 अद्यतन

अंतिम अद्यतन: 28 अगस्त 2026

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