जैव-अकार्बनिक रसायन: ऑक्सीजन वाहक, आयरन–सल्फ़र प्रोटीन, कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ तथा Cu–Zn सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़
2. मायोग्लोबिन व हीमोग्लोबिन में हीम: बिना जंग लगे O₂ बाँधना
हीम प्रोटोपॉर्फ़िरिन IX में बैठा आयरन है: चार पिरोल नाइट्रोजन Fe को एक वर्ग-तल में थामते हैं। दोनों प्रोटीनों में पाँचवाँ (अक्षीय) लिगैंड समीपस्थ हिस्टिडीन (His F8) है; दूसरी सतह पर छठा स्थल वह है जहाँ O₂ बँधता है, दूरस्थ हिस्टिडीन (His E7) के पास। मायोग्लोबिन (Mb) एक हीम वाली एकल शृंखला है जो पेशी में O₂ संग्रहित करती है और माइटोकॉन्ड्रिया तक उसके विसरण को तेज़ करती है। हीमोग्लोबिन (Hb) चार हीम वाला α₂β₂ चतुष्टय (tetramer) है, लाल रक्त कोशिकाओं में भरा, जो O₂ को फेफड़ों से ऊतकों तक ले जाता है।
डीऑक्सी हीम में आयरन उच्च-चक्रण Fe(II) (d⁶, चार अयुग्मित इलेक्ट्रॉन) है, पाँच-उपसहसंयोजी और पॉर्फ़िरिन के छिद्र के लिए बहुत बड़ा, अतः वह तल से कुछ दशांश ऐंग्स्ट्रॉम बाहर समीपस्थ His की ओर बैठता है। O₂ बँधने पर आयरन छह-उपसहसंयोजी व निम्न-चक्रण हो जाता है, सिकुड़ता है और तल में आ जाता है। ऑक्सी-Hb व ऑक्सी-Mb O₂ को सिरे से और मुड़े रूप में (Fe–O–O लगभग 120°) बाँधते हैं और प्रतिचुंबकीय होते हैं। इनका O–O तनन लगभग 1105 cm⁻¹ है, जो सुपरऑक्साइड के निकट है, अतः बँधी इकाई को Fe(III)–O₂⁻ के रूप में भली-भाँति वर्णित किया जाता है जिसमें शेष दो चक्रण प्रतिलौहचुंबकीय युग्मन से युग्मित हैं; पुराना चित्र, निम्न-चक्रण Fe(II) के साथ एकक (singlet) O₂, भी शून्य शुद्ध चक्रण देता है। दोनों ही रूपों में बंधन उत्क्रमणीय है: O₂ O₂ के रूप में ही निकलती है और आयरन Fe(II) पर लौट आता है।
मुक्त हीम से CO, O₂ की तुलना में दसियों हज़ार गुना अधिक कसकर बँधती है, पर प्रोटीनों में केवल कुछ सौ गुना: दूरस्थ His मुड़ी Fe–O₂ इकाई से हाइड्रोजन-बंध बनाता है पर CO से नहीं, और जेब उस रैखिक Fe–C–O के प्रतिकूल है जो CO को प्रिय है। इतनी बढ़त भी CO को विषैला बना देती है।
3. सहकारिता, हिल समीकरण व ऑक्सीजन-वहन क्षमता
मायोग्लोबिन में एक ही स्थल है, अतः उसकी आंशिक संतृप्ति θ एक अतिपरवलय का अनुसरण करती है, θ = pO₂/(P₅₀ + pO₂), जिसमें P₅₀ केवल कुछ torr है। हीमोग्लोबिन का वक्र सिग्मॉइडी (S-आकार) है: एक O₂ बँधने से शेष हीमों की बंधुता बढ़ जाती है। इसे आनुभविक हिल समीकरण वर्णित करता है: θ = pO₂ⁿ/(P₅₀ⁿ + pO₂ⁿ), अथवा log[θ/(1 − θ)] = n log pO₂ − n log P₅₀। ढाल n (हिल गुणांक) स्वतंत्र स्थलों के लिए 1 है और वयस्क Hb के लिए लगभग 2.8 से 3, जिसका रक्त में P₅₀ लगभग 26 torr है। n परस्पर क्रिया करने वाले स्थलों की संख्या (चार) से अधिक नहीं हो सकता; यह मापता है कि स्थल कितनी प्रबलता से परस्पर क्रिया करते हैं, यह नहीं कि वे कितने हैं।
क्रियाविधि। डीऑक्सी-Hb निम्न-बंधुता वाली T (तनावग्रस्त) अवस्था में है, जिसे उप-इकाइयों के बीच लवण-सेतु थामे रहते हैं; ऑक्सी-Hb उच्च-बंधुता वाली R (शिथिल) अवस्था में है। O₂ बँधने पर जब आयरन पॉर्फ़िरिन तल में आता है, तो वह समीपस्थ His और उसकी F हेलिक्स को खींचता है, और यह गति α₁β₂ अंतरापृष्ठ तक पहुँचती है। प्रत्येक बँधी O₂ R में बदलना आसान करती है, इसलिए बाद वाले हीम अधिक सहजता से बँधते हैं। हल किया उदाहरण: फेफड़े 100 torr पर, विश्रामरत ऊतक 40 torr पर। Hb (P₅₀ = 26 torr, n = 2.8) के लिए θ 0.978 से 0.770 पर आता है, अतः लगभग 21% स्थल O₂ छोड़ते हैं। Mb (P₅₀ = 2.8 torr, n = 1) के लिए θ 0.973 से 0.935 पर आता है, केवल लगभग 4%। सिग्मॉइड Hb के वक्र का तीखा भाग ऊतक-परास में रखता है, जबकि Mb तब तक भरा रहता है जब तक पेशी का pO₂ बहुत न गिर जाए, जो भंडार के लिए उपयुक्त है।
- बोर प्रभाव: H⁺ व CO₂ O₂-बंधुता घटाते हैं (दाईं ओर खिसकाव, P₅₀ बढ़ता है): प्रोटॉनित His अवशेष T-अवस्था के लवण-सेतुओं को दृढ़ करते हैं और CO₂ N-सिरे के ऐमीनो समूहों पर कार्बामेट बनाती है, अतः अम्लीय सक्रिय ऊतक को अधिक O₂ मिलती है। ताप भी वक्र को दाईं ओर खिसकाता है।
- 2,3-बिसफ़ॉस्फ़ोग्लिसरेट (2,3-BPG): इसका एक अणु डीऑक्सी-Hb की केंद्रीय गुहा में, β शृंखलाओं के बीच, बँधता है और T को स्थिर करता है (दाईं ओर खिसकाव); अधिक ऊँचाई पर इसका स्तर बढ़ता है।
- भ्रूणीय Hb (α₂γ₂): BPG-स्थल में जहाँ β शृंखला में His143 है वहाँ γ शृंखला में Ser है, अतः वह BPG को दुर्बलता से बाँधता है और उसकी O₂-बंधुता अधिक है (बाईं ओर खिसकाव), जिससे वह माता के रक्त से O₂ खींच लेता है।
- CO: कुछ हीमों पर बैठकर चतुष्टय को R की ओर धकेलती है (बाईं ओर खिसकाव), जिससे शेष O₂ अधिक कसकर बँधी रहती है और कम छूटती है; यह दोहरी हानि है।
ऑक्सीजन-वहन क्षमता। एक Hb चतुष्टय (मोलर द्रव्यमान लगभग 64,500 g mol⁻¹) चार O₂ वहन करता है, अतः एक ग्राम अधिकतम 4 × 22,400 mL/64,500 = 1.39 mL O₂ (STP पर) बाँधता है (मापे गए मान थोड़े कम आते हैं)। प्रति 100 mL में 15 g Hb वाला पूर्ण संतृप्त रक्त प्रति 100 mL लगभग 20.8 mL O₂ ले जाता है, जबकि 100 torr पर घुली O₂ प्रति 100 mL केवल लगभग 0.3 mL है: हीमोग्लोबिन क्षमता को लगभग सत्तर गुना बढ़ा देता है।
4. हीमोसायनिन: दो ताँबा आयन और एक परॉक्साइड
हीमोसायनिन अनेक संधिपादों (केकड़े, लॉब्स्टर, मकड़ियाँ) व मोलस्कों (घोंघे, ऑक्टोपस) में O₂ वहन करता है। इसमें हीम नहीं है। प्रत्येक O₂-स्थल पर दो ताँबा आयन होते हैं, प्रत्येक तीन हिस्टिडीनों से बँधा (टाइप 3 ताँबा स्थल), और यह प्रोटीन कोशिकाओं में भरा न होकर हीमोलिम्फ़ में बड़े बहु-उपइकाई समुच्चयों के रूप में घुला रहता है। डीऑक्सी-हीमोसायनिन Cu(I)…Cu(I) है: d¹⁰, रंगहीन व प्रतिचुंबकीय। बंधन दो-इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण है, 2Cu(I) + O₂ → Cu(II)–O₂²⁻–Cu(II): O₂ परॉक्साइड बन जाती है जो दोनों ताँबों के बीच पार्श्व-रूप से (μ-η²:η²) सेतु बनाती है। ऑक्सी-हीमोसायनिन परॉक्साइड से Cu(II) की ओर आवेश-स्थानांतरण पट्टियों के कारण गहरा नीला होता है। प्रत्येक Cu(II) d⁹ है जिसमें एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन है, फिर भी ऑक्सी-हीमोसायनिन प्रतिचुंबकीय व EPR-मौन है: सेतुबद्ध परॉक्साइड दोनों चक्रणों को प्रबल प्रतिलौहचुंबकीय रूप से युग्मित कर देता है।
O–O तनन आवृत्ति इलेक्ट्रॉन गिनती है। O₂ में जुड़े इलेक्ट्रॉन उसके π* कक्षकों में जाते हैं और आबंध-कोटि घटाते हैं: O₂ (आबंध-कोटि 2, लगभग 1555 cm⁻¹), सुपरऑक्साइड O₂⁻ (1.5, लगभग 1100 से 1150 cm⁻¹), परॉक्साइड O₂²⁻ (1, मोटे तौर पर 750 से 900 cm⁻¹)। अतः ऑक्सी-Hb (लगभग 1105 cm⁻¹) ने लगभग एक इलेक्ट्रॉन पाया है, और ऑक्सी-हीमोसायनिन (लगभग 750 cm⁻¹) ने दो।
| लक्षण | हीमोग्लोबिन व मायोग्लोबिन | हीमोसायनिन |
|---|---|---|
| धातु-स्थल | हीम में एक Fe, अक्षीय समीपस्थ His | दो Cu, प्रत्येक तीन His के साथ; पॉर्फ़िरिन नहीं |
| डीऑक्सी रूप | उच्च-चक्रण Fe(II), अनुचुंबकीय, गहरा लाल | Cu(I)…Cu(I), d¹⁰, प्रतिचुंबकीय, रंगहीन |
| ऑक्सी रूप | Fe(III)–सुपरऑक्साइड-सदृश, प्रतिचुंबकीय, चटक लाल | Cu(II)–परॉक्साइड–Cu(II), युग्मित, प्रतिचुंबकीय, नीला |
| प्रति धातु O₂; बंधन-विधि | प्रति Fe 1 O₂; सिरे से, मुड़ा, ν(O–O) ≈ 1105 cm⁻¹ | प्रति 2 Cu 1 O₂; पार्श्व सेतु, ν(O–O) ≈ 750 cm⁻¹ |
| कहाँ कार्य करता है | लाल कोशिकाएँ (Hb), पेशी (Mb) | हीमोलिम्फ़ में घुला हुआ |
5. आयरन–सल्फ़र प्रोटीन: एक-इलेक्ट्रॉन वाहक
Fe–S प्रोटीनों में उच्च-चक्रण आयरन सल्फ़र दाताओं के लगभग चतुष्फलकीय समूह में बैठता है: सिस्टीन थायोलेट, सामान्यतः सेतुबद्ध अकार्बनिक सल्फ़ाइड (S²⁻) के साथ। प्रत्येक गुच्छ एक बार में एक इलेक्ट्रॉन लेता या देता है, चाहे उसमें कितने ही आयरन परमाणु हों। दोनों ऑक्सीकरण अवस्थाओं के बीच ज्यामिति में बहुत कम परिवर्तन होता है और जुड़ा इलेक्ट्रॉन पूरे गुच्छ पर फैल जाता है, अतः इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण तीव्र होता है। प्रोटीन का परिवेश (सल्फ़रों से हाइड्रोजन-बंध, विलायक से संपर्क, आवेशित अवशेष) अपचयन विभव को प्रबल ऋणात्मक से धनात्मक तक समायोजित करता है।
| प्रोटीन | स्थल व लिगैंड | प्रयुक्त युग्म | विशिष्ट E°′ व भूमिका |
|---|---|---|---|
| रूब्रेडॉक्सिन | एक Fe, चार Cys; अकार्बनिक सल्फ़ाइड नहीं | Fe(III)/Fe(II) | लगभग 0 V; जीवाणु |
| पादप-प्रकार फ़ेरेडॉक्सिन | [2Fe–2S], दो S²⁻, चार Cys | [2Fe–2S]²⁺/⁺ | लगभग −0.4 V; प्रकाशतंत्र I से NADP⁺ की ओर इलेक्ट्रॉन ले जाता है |
| रीस्के प्रोटीन | [2Fe–2S]; एक Fe पर दो Cys, दूसरे पर दो His | [2Fe–2S]²⁺/⁺ | लगभग +0.3 V; संकुल III (bc₁) व साइटोक्रोम b₆f |
| जीवाणु फ़ेरेडॉक्सिन | [4Fe–4S] घन, चार S²⁻, चार Cys | [4Fe–4S]²⁺/⁺ | लगभग −0.4 V; संकुल I व II में भी |
| HiPIP (उच्च-विभव आयरन–सल्फ़र प्रोटीन) | वही [4Fe–4S] घन | [4Fe–4S]³⁺/²⁺ | लगभग +0.35 V; प्रकाशसंश्लेषी जीवाणु |
ऑक्सीकरण-अवस्था का लेखा-जोखा। कोर आवेश में केवल Fe व S²⁻ गिने जाते हैं: Fe का कुल आवेश = कोर आवेश + 2 × (S²⁻ की संख्या)। [2Fe–2S]²⁺ दो Fe(III) है; [2Fe–2S]⁺ Fe(III) + Fe(II) है। घन के लिए [4Fe–4S]³⁺ में Fe का कुल आवेश 11 है (औसत 2.75: तीन Fe(III), एक Fe(II)), विश्राम 2+ अवस्था का औसत 2.50 और 1+ अवस्था का 2.25 है। इलेक्ट्रॉन विस्थानीकृत हैं, अतः ये औपचारिक गणनाएँ हैं। यही त्रि-अवस्था चित्र है: सभी [4Fe–4S] प्रोटीन 2+ अवस्था साझा करते हैं, पर HiPIP अपना घन ऐसी जलविरागी जेब में दबाता है जहाँ सल्फ़रों से कम हाइड्रोजन-बंध बनते हैं, जो 3+/2+ युग्म के अनुकूल है, जबकि फ़ेरेडॉक्सिन 2+/1+ का उपयोग करते हैं।
6. कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़: लुईस अम्ल के रूप में ज़िंक
कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ CO₂ + H₂O ⇌ HCO₃⁻ + H⁺ को उत्प्रेरित करता है, जो बिना उत्प्रेरक के धीमी है। मानव का तीव्र समएंज़ाइम CA II प्रति सेकंड लगभग 10⁶ CO₂ परिवर्तित करता है, और इसका kcat/KM विसरण-सीमा के निकट है। लाल कोशिकाओं में यह ऊतक की CO₂ को परिवहन हेतु बाइकार्बोनेट में बदलता है और फेफड़ों में अभिक्रिया उलट देता है। सक्रिय स्थल तीन हिस्टिडीन इमिडाज़ोल व एक जल अणु द्वारा चतुष्फलकीय रूप से बँधा Zn(II) है।
- सक्रियण: Zn(II) बँधे जल को ध्रुवित करता है और उसका pKa कई इकाई घटाकर लगभग 7 कर देता है, अतः शरीर-क्रियात्मक pH पर स्थल का बड़ा भाग Zn–OH⁻ होता है, जो प्रबल नाभिकस्नेही है।
- आक्रमण: CO₂ पास की जलविरागी जेब में बैठती है; Zn–OH⁻ उसके कार्बन पर आक्रमण करके ज़िंक-बद्ध HCO₃⁻ बनाता है।
- मुक्ति: जल बाइकार्बोनेट को विस्थापित करता है और फिर से Zn–OH₂ बनता है।
- पुनर्जनन (दर-निर्धारक): Zn–OH₂ एक प्रोटॉन खोकर फिर Zn–OH⁻ बनाता है; गुहा के मुहाने पर स्थित His64, जो ज़िंक का लिगैंड नहीं है, प्रोटॉन को विलयन के बफ़र तक पहुँचाता है।
7. Cu–Zn सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़: रेडॉक्स ताँबा करता है, ढाँचा ज़िंक थामता है
सुपरऑक्साइड, O₂⁻, तब बनता है जब एकल इलेक्ट्रॉन O₂ तक रिस जाते हैं, उदाहरणतः श्वसन शृंखला से। सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़ (SOD) इसे डिसम्यूटेशन (असमानुपातन) से हटाता है: 2O₂⁻ + 2H⁺ → O₂ + H₂O₂। सुपरऑक्साइड में −½ वाला ऑक्सीजन अंशतः 0 (O₂) व अंशतः −1 (H₂O₂) पर जाता है; फिर कैटालेज़ व परॉक्सिडेज़ H₂O₂ हटाते हैं। अभिक्रिया ताँबे पर पिंग-पॉन्ग चक्र से चलती है:
- Cu(II)–SOD + O₂⁻ → Cu(I)–SOD + O₂
- Cu(I)–SOD + O₂⁻ + 2H⁺ → Cu(II)–SOD + H₂O₂
दोनों चरण ऊर्जा-अनुकूल हैं क्योंकि स्थल का Cu(II)/Cu(I) विभव O₂ को सुपरऑक्साइड में अपचयित करने के विभव (ऋणात्मक) और सुपरऑक्साइड को H₂O₂ में अपचयित करने के विभव (प्रबल धनात्मक) के बीच है। कोशिकाद्रव्यी Cu,Zn-SOD (SOD1) द्वितय है; प्रत्येक उपइकाई में एक Cu व एक Zn है। Cu(II) चार हिस्टिडीन व जल से बँधा है; Zn(II) तीन हिस्टिडीन व एक ऐस्पार्टेट से। एक हिस्टिडीन, विप्रोटॉनित होकर इमिडाज़ोलेट के रूप में, Cu व Zn के बीच सेतु बनाता है। Cu(II) के अपचयित होने पर इस सेतु से Cu–N बंध टूटता है और हिस्टिडीन एक प्रोटॉन ग्रहण करता है, जो H₂O₂ बनाने में सहायक है। ज़िंक कभी ऑक्सीकरण अवस्था नहीं बदलता: वह सेतु व सक्रिय स्थल के लूपों को स्थिर रखता है। चैनल के चारों ओर धनावेशित अवशेष ऋणायनी क्रियाधार को ताँबे की ओर मोड़ते हैं, अतः दर-स्थिरांक, लगभग 2 × 10⁹ M⁻¹ s⁻¹, विसरण-नियंत्रण के निकट है।
मुख्य बिंदु
- डीऑक्सी हीम उच्च-चक्रण Fe(II), पाँच-उपसहसंयोजी और तल से बाहर है; ऑक्सी हीम निम्न-चक्रण, तल में स्थित व प्रतिचुंबकीय है, जिसे Fe(III)–सुपरऑक्साइड के रूप में सबसे अच्छा वर्णित किया जाता है। ग्लोबिन μ-ऑक्सो द्वितय बनना रोकता है; मेट-Hb, Fe(III), O₂ नहीं बाँधता।
- Hb सहकारी रूप से बाँधता है (T → R, हिल n ≈ 2.8 से 3 और कभी 4 से अधिक नहीं, P₅₀ ≈ 26 torr)। H⁺, CO₂, 2,3-BPG व ताप वक्र को दाईं ओर खिसकाते हैं; भ्रूणीय Hb, CO व मायोग्लोबिन बाईं ओर रहते हैं। क्षमता: प्रति ग्राम Hb अधिकतम 1.39 mL O₂।
- हीमोसायनिन: 2Cu(I) + O₂ से पार्श्व Cu(II)–परॉक्साइड–Cu(II) सेतु बनता है, जो नीला होकर भी प्रतिलौहचुंबकीय युग्मन से प्रतिचुंबकीय है; प्रति दो Cu एक O₂। O–O तनन बताता है कि O₂ ने कितने इलेक्ट्रॉन पाए।
- Fe–S प्रोटीन प्रति गुच्छ एक इलेक्ट्रॉन वहन करते हैं: रूब्रेडॉक्सिन (सल्फ़ाइड नहीं), [2Fe–2S] फ़ेरेडॉक्सिन, रीस्के (दो His), [4Fe–4S] फ़ेरेडॉक्सिन (2+/1+, लगभग −0.4 V) व HiPIP (3+/2+, लगभग +0.35 V)। Fe की औसत ऑक्सीकरण अवस्था = (कोर आवेश + 2 × S²⁻ की संख्या)/Fe की संख्या।
- कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़: pKa ≈ 7 वाला Zn(II)(His)₃–OH₂ नाभिकस्नेही Zn–OH⁻ देता है; His64 के माध्यम से प्रोटॉन स्थानांतरण दर सीमित करता है। ज़िंक रेडॉक्स-निष्क्रिय, लचीला लुईस अम्ल है, और सल्फ़ोनामाइड उससे बँधकर संदमन करते हैं।
- Cu,Zn-SOD: Cu(II)/Cu(I) पिंग-पॉन्ग चक्र द्वारा 2O₂⁻ + 2H⁺ → O₂ + H₂O₂; ज़िंक संरचनात्मक है, एक इमिडाज़ोलेट दोनों धातुओं के बीच सेतु है, और स्थिरवैद्युत मार्गदर्शन विसरण-सीमा के निकट दर देता है।
अभ्यास प्रश्न (18)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
डीऑक्सीहीमोग्लोबिन में प्रत्येक हीम के आयरन का सबसे उपयुक्त वर्णन है:
उत्तर देखें
उत्तर: C — उच्च-चक्रण Fe(II), पाँच-उपसहसंयोजी, पॉर्फ़िरिन तल से समीपस्थ His की ओर विस्थापित
डीऑक्सी हीम का आयरन उच्च-चक्रण Fe(II) (d⁶, चार अयुग्मित इलेक्ट्रॉन) है जो केवल चार पॉर्फ़िरिन नाइट्रोजनों व समीपस्थ His से बँधा है; बड़ा उच्च-चक्रण आयन तल से बाहर बैठता है। बँधे जल वाला उच्च-चक्रण Fe(III) ऐक्वोमेटहीमोग्लोबिन है, जो O₂ नहीं बाँधता; अतः वह लुभावना विकल्प ऑक्सीकृत, निष्क्रिय रूप का वर्णन है। निम्न-चक्रण, तल में स्थित आयरन O₂ बँधने के बाद बनता है।जल में घुला मुक्त Fe(II)-हीम O₂ को केवल क्षणभर बाँधता है और शीघ्र ही ऐसी Fe(III) स्पीशीज़ में बदल जाता है जो O₂ नहीं बाँधती। मायोग्लोबिन की ग्लोबिन शृंखला ऐसा क्या करती है जिससे यह रुक जाता है?
उत्तर देखें
उत्तर: A — वह प्रत्येक हीम को जलविरागी जेब में दबा देती है, जिससे कोई दूसरा हीम बँधी O₂ तक पहुँचकर सेतुबद्ध Fe(III)–O–O–Fe(III) द्वितय नहीं बना पाता
जल में दूसरा Fe(II)-हीम Fe–O₂ इकाई पर आक्रमण कर परॉक्सो-सेतुबद्ध द्वितय बनाता है, जो टूटकर μ-ऑक्सो Fe(III)–O–Fe(III) द्वितय देता है: अनुत्क्रमणीय ऑक्सीकरण। ग्लोबिन प्रत्येक हीम को जलविरागी जेब में अलग कर इस द्वि-अणुक मार्ग को रोकता है। Fe(III) हीम (मेट रूप) O₂ बाँधता ही नहीं, डीऑक्सी आयरन O₂ बँधने तक उच्च-चक्रण रहता है, और मायोग्लोबिन O₂ को O₂ के रूप में ही छोड़ता है, परॉक्साइड के रूप में नहीं।निम्नलिखित में से कौन-से परिवर्तन लाल कोशिकाओं में वयस्क मानव हीमोग्लोबिन के O₂-बंधन वक्र को दाईं ओर खिसकाते हैं (P₅₀ बढ़ाते हैं)?
उत्तर देखें
उत्तर: A — स्थिर pCO₂ पर रक्त के pH का 7.4 से 7.2 तक गिरना; B — अधिक ऊँचाई पर कुछ दिन रहने के बाद लाल कोशिकाओं में 2,3-बिसफ़ॉस्फ़ोग्लिसरेट का बढ़ना
H⁺ (बोर प्रभाव) व 2,3-BPG दोनों T अवस्था को स्थिर कर O₂-बंधुता घटाते हैं, जिससे P₅₀ बढ़ता है। एक हीम पर बँधी CO चतुष्टय को R की ओर धकेलती है और शेष हीमों की बंधुता बढ़ाती है, जो बाईं ओर खिसकाव है। भ्रूणीय γ शृंखलाएँ 2,3-BPG को दुर्बलता से बाँधती हैं (His143 के स्थान पर Ser), अतः भ्रूणीय Hb की बंधुता अधिक है, यह भी बाईं ओर खिसकाव है।रक्त में हीमोग्लोबिन द्वारा O₂ बंधन हिल समीकरण θ = pO₂ⁿ/(P₅₀ⁿ + pO₂ⁿ) का पालन करता है, जिसमें P₅₀ = 26 torr व n = 3.0 है। रक्त फेफड़ों से pO₂ = 100 torr पर निकलता है और व्यायामरत पेशी से गुज़रता है जहाँ pO₂ = 20 torr है। पेशी में O₂ छोड़ने वाले हीमोग्लोबिन के O₂-बंधन स्थलों का प्रतिशत (फेफड़ों की संतृप्ति घटा पेशी की संतृप्ति, × 100), निकटतम पूर्णांक तक, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 67
θ(100) = 100³/(26³ + 100³) = 1,000,000/1,017,576 = 0.9827। θ(20) = 20³/(26³ + 20³) = 8000/25,576 = 0.3128। मुक्त अंश = 0.9827 − 0.3128 = 0.6699, अर्थात 67%। उसी P₅₀ वाला असहकारी वक्र (n = 1) केवल 0.794 − 0.435 = 0.36 देता, अतः सहकारिता O₂ आपूर्ति को लगभग दुगना कर देती है।रक्त में प्रति 100 mL 15.0 g हीमोग्लोबिन है। हीमोग्लोबिन का मोलर द्रव्यमान 64,500 g mol⁻¹, पूर्ण संतृप्ति पर प्रति चतुष्टय चार O₂, तथा STP पर O₂ का मोलर आयतन 22.4 L mol⁻¹ लें। यदि धमनी का हीमोग्लोबिन 98% संतृप्त है, तो 100 mL धमनी रक्त में हीमोग्लोबिन से बँधी O₂ का आयतन (STP पर mL में), एक दशमलव स्थान तक, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 20.4
Hb के मोल = 15.0/64,500 = 2.326 × 10⁻⁴ mol। पूर्ण संतृप्ति पर O₂ के मोल = 4 × 2.326 × 10⁻⁴ = 9.302 × 10⁻⁴ mol, जो 9.302 × 10⁻⁴ × 22,400 = 20.84 mL है। 98% संतृप्ति पर: 0.98 × 20.84 = 20.42, अर्थात 20.4 mL। चार का गुणक भूलने पर 5.1 mL आता है।दो शुद्ध O₂-बंधक प्रोटीनों का अध्ययन log pO₂ के विरुद्ध log[θ/(1 − θ)] आलेखित करके किया जाता है। प्रोटीन X पूरे परास में ढाल 1.0 की सीधी रेखा देता है। प्रोटीन Y बहुत कम व बहुत अधिक pO₂ पर लगभग 1 ढाल और अर्ध-संतृप्ति के निकट अधिकतम 2.8 ढाल देता है। केवल इन आँकड़ों से कौन-सा निष्कर्ष उचित है?
उत्तर देखें
उत्तर: B — प्रोटीन Y में प्रति अणु कम से कम तीन परस्पर क्रियाशील O₂ स्थल हैं, और कुछ पर बंधन शेष की बंधुता बढ़ा देता है
हिल गुणांक परस्पर क्रियाशील स्थलों की संख्या की निम्न सीमा है: n = 2.8 के लिए धनात्मक सहकारिता वाले कम से कम तीन स्थल चाहिए (वयस्क Hb में चार हैं)। ढाल स्थलों की गिनती नहीं है, अतः इसे औसत 2.8 स्थल पढ़ना गलत है। स्वतंत्र स्थलों वाला बहुलक भी ढाल 1 देता है, अतः X का एकलक होना आवश्यक नहीं। बंधुता P₅₀ से पढ़ी जाती है (जहाँ रेखा log[θ/(1 − θ)] = 0 को काटती है), ढाल से नहीं।केवल-चक्रण सूत्र μ = √[n(n + 2)] BM का उपयोग करते हुए, जहाँ n अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों की संख्या है, ऐक्वोमेटहीमोग्लोबिन के उच्च-चक्रण Fe(III) हीम का चुंबकीय आघूर्ण घटा डीऑक्सीहीमोग्लोबिन के उच्च-चक्रण Fe(II) हीम का आघूर्ण, BM में दो दशमलव स्थान तक, ____ है।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 1.02
उच्च-चक्रण Fe(III) d⁵ है जिसमें पाँच अयुग्मित इलेक्ट्रॉन हैं: μ = √35 = 5.916 BM। उच्च-चक्रण Fe(II) d⁶ है जिसमें चार अयुग्मित इलेक्ट्रॉन हैं: μ = √24 = 4.899 BM। अंतर = 5.916 − 4.899 = 1.017, अर्थात 1.02 BM। इसके विपरीत ऑक्सीहीमोग्लोबिन प्रतिचुंबकीय है।ऑक्सीहीमोसायनिन में बँधी डाइऑक्सीजन किस रूप में उपस्थित है?
उत्तर देखें
उत्तर: D — दो Cu(II) आयनों के बीच पार्श्व-रूप से सेतु बनाता परॉक्साइड, प्रत्येक ताँबा तीन हिस्टिडीनों से भी बँधा
दोनों Cu(I) आयन एक-एक इलेक्ट्रॉन देते हैं, अतः O₂ परॉक्साइड बनकर दोनों Cu(II) आयनों के बीच पार्श्व सेतु (μ-η²:η²) बनाती है, जिसका ν(O–O) लगभग 750 cm⁻¹ है। द्वि-आयरन स्थल पर हाइड्रोपरॉक्साइड हीमएरिथ्रिन का वर्णन है, जो एक भिन्न अकशेरुकी वाहक है, और पॉर्फ़िरिन वाला वर्णन हीमोग्लोबिन का है। एक ताँबे पर सुपरऑक्साइड अयुग्मित चक्रण छोड़ता, पर ऑक्सीहीमोसायनिन प्रतिचुंबकीय है।ऑक्सीहीमोसायनिन में दो Cu(II) आयन हैं, प्रत्येक d⁹, फिर भी वह कोई EPR संकेत नहीं देता और कमरे के ताप पर प्रतिचुंबकीय है। सबसे उपयुक्त व्याख्या है:
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उत्तर: C — सेतुबद्ध परॉक्साइड प्रत्येक Cu(II) के एकमात्र अयुग्मित इलेक्ट्रॉन को प्रतिलौहचुंबकीय रूप से युग्मित करता है, जिससे शुद्ध चक्रण शून्य हो जाता है
d⁹ आयन में लिगैंड क्षेत्र कैसा भी हो, एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन सदा रहता है, अतः निम्न-चक्रण युग्मन असंभव है। दोनों Cu(II) चक्रण सेतुबद्ध परॉक्साइड के कक्षकों के माध्यम से परस्पर क्रिया कर युग्मित हो जाते हैं (प्रतिलौहचुंबकीय युग्मन), जिससे S = 0 होता है। Cu(I) व उदासीन O₂ वाला वर्णन प्रश्न में दी गई Cu(II) अवस्था और लगभग 750 cm⁻¹ के परॉक्साइड-सदृश O–O तनन, दोनों से मेल नहीं खाता। हिस्टिडीन वलय ताँबे के इलेक्ट्रॉन ग्रहण नहीं करते।हीमोसायनिन की हीमोग्लोबिन से तुलना करने वाले निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — हीमोसायनिन प्रति दो ताँबा आयन एक O₂ बाँधता है, जबकि हीमोग्लोबिन प्रति आयरन एक O₂; B — O–O तनन आवृत्ति ऑक्सीहीमोग्लोबिन की तुलना में ऑक्सीहीमोसायनिन में कम है, क्योंकि बँधी O₂ को अधिक इलेक्ट्रॉन घनत्व स्थानांतरित हुआ है
दो Cu(I) मिलकर वे दो इलेक्ट्रॉन देते हैं जो एक O₂ को परॉक्साइड बनाते हैं, अतः अनुपात प्रति दो Cu एक O₂ है; हीम का प्रत्येक आयरन एक O₂ बाँधता है। परॉक्साइड (आबंध-कोटि 1, लगभग 750 cm⁻¹) ने ऑक्सी-Hb की सुपरऑक्साइड-सदृश O₂ (लगभग 1105 cm⁻¹) से अधिक इलेक्ट्रॉन पाए हैं। हीमोसायनिन में पॉर्फ़िरिन नहीं है; उसके ताँबे हिस्टिडीनों से बँधे हैं। Cu(I) d¹⁰ है, उसमें d–d संक्रमण नहीं होते, और डीऑक्सीहीमोसायनिन रंगहीन है; नीला रंग ऑक्सी रूप का है।किस इलेक्ट्रॉन-स्थानांतरण प्रोटीन में ऐसा [2Fe–2S] गुच्छ है जिसमें एक आयरन दो सिस्टीनों से और दूसरा आयरन दो हिस्टिडीनों से बँधा है?
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उत्तर: A — माइटोकॉन्ड्रिया के साइटोक्रोम bc₁ संकुल (संकुल III) का रीस्के प्रोटीन
रीस्के गुच्छ के एक आयरन पर दो His लिगैंड हैं, जो उसके अपचयन विभव को लगभग +0.3 V तक बढ़ा देते हैं। पादप फ़ेरेडॉक्सिन में वही Fe₂S₂ कोर है पर चार Cys लिगैंड और लगभग −0.4 V विभव है, अतः वह सबसे निकट का गलत विकल्प है। रूब्रेडॉक्सिन में एक आयरन है और सल्फ़ाइड नहीं, तथा HiPIP में [4Fe–4S] घन है।उच्च-विभव आयरन–सल्फ़र प्रोटीन (HiPIP) के ऑक्सीकृत रूप में गुच्छ-कोर [Fe₄S₄]³⁺ है, जिसके आवेश में केवल चार Fe व चार अकार्बनिक S आयन गिने गए हैं, सिस्टीन लिगैंड नहीं। प्रत्येक अकार्बनिक सल्फ़र को S²⁻ मानते हुए, आयरन की औसत ऑक्सीकरण अवस्था, दो दशमलव स्थान तक, ____ है।
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उत्तर: 2.75
चार S²⁻ का योगदान −8 है। आयरन का कुल आवेश = +3 − (−8) = +11, जो चार Fe में बँटा है: 11/4 = 2.75, औपचारिक रूप से तीन Fe(III) व एक Fe(II)। विश्राम अवस्था [Fe₄S₄]²⁺ का औसत 2.50 और अपचयित फ़ेरेडॉक्सिन अवस्था [Fe₄S₄]⁺ का औसत 2.25 है।नए शुद्ध किए गए एक जीवाणु प्रोटीन में प्रति अणु चार आयरन परमाणु हैं और अम्लीय करने पर वह H₂S छोड़ता है। पृथक्कृत रूप में वह कोई EPR संकेत नहीं देता; एक-इलेक्ट्रॉन ऑक्सीकरण के बाद वह S = ½ संकेत दिखाता है। उसका अपचयन विभव लगभग +0.35 V है। यह प्रोटीन सबसे संभवतः है:
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उत्तर: B — एक उच्च-विभव आयरन–सल्फ़र प्रोटीन जिसका [4Fe–4S] गुच्छ 3+ व 2+ अवस्थाओं के बीच चक्रित होता है
अम्ल-अस्थिर सल्फ़ाइड रूब्रेडॉक्सिन-प्रकार स्थलों को बाहर कर देता है। पृथक्कृत रूप में EPR-मौन रीस्के [2Fe–2S] गुच्छ पहले से ही अपनी ऑक्सीकृत 2+ अवस्था में है और आगे ऑक्सीकृत नहीं हो सकता, और उसमें चार नहीं दो आयरन हैं। फ़ेरेडॉक्सिन व HiPIP दोनों में [4Fe–4S] घन है जो 2+ अवस्था में EPR-मौन है, पर फ़ेरेडॉक्सिन लगभग −0.4 V पर अपचयन (2+ → 1+) से EPR-सक्रिय होता है, जबकि HiPIP धनात्मक विभव पर ऑक्सीकरण (2+ → 3+) से EPR-सक्रिय होता है। +0.35 V पर S = ½ तक ऑक्सीकरण HiPIP की पहचान है।आयरन–सल्फ़र प्रोटीनों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — फ़ेरेडॉक्सिन का [4Fe–4S] गुच्छ चार आयरन परमाणु होते हुए भी एक बार में एक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित करता है; B — रूब्रेडॉक्सिन व फ़ेरेडॉक्सिनों में प्रत्येक आयरन लगभग चतुष्फलकीय रूप से चार सल्फ़र दाताओं से घिरा है
Fe–S गुच्छ, उनमें कितने ही धातु-परमाणु हों, एक-इलेक्ट्रॉन वाहक हैं, और रूब्रेडॉक्सिन (चार Cys सल्फ़र) व फ़ेरेडॉक्सिनों (Cys सल्फ़र तथा सेतुबद्ध S²⁻) में आयरन सल्फ़र दाताओं के साथ चतुष्फलकीय है। रूब्रेडॉक्सिन में अकार्बनिक सल्फ़ाइड नहीं है, अतः अम्ल उससे H₂S नहीं निकालता। ऐकोनिटेज़ का गुच्छ लुईस अम्ल के रूप में सिट्रेट को आइसोसिट्रेट में समावयवीकरण हेतु बाँधता है; वह NAD⁺ को कोई इलेक्ट्रॉन नहीं देता।कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ का ज़िंक-बद्ध जल शरीर-क्रियात्मक pH पर CO₂ के प्रति नाभिकस्नेही की तरह क्यों कार्य कर पाता है?
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उत्तर: D — प्रबल लुईस अम्ल Zn(II) अपने बँधे जल का pKa लगभग 7 तक घटा देता है, अतः उसका बड़ा भाग Zn–OH⁻ के रूप में रहता है
लुईस-अम्लीय Zn(II) से उपसहसंयोजन बँधे जल को ध्रुवित करता है और उसका pKa कई इकाई घटाकर लगभग 7 कर देता है, अतः pH 7.4 पर स्थल का बड़ा भाग Zn–OH⁻ है, जो CO₂ की जेब के पास बैठा प्रबल नाभिकस्नेही है। Zn(II) d¹⁰ है: जीव-तंत्र में उसकी कोई Zn(I) अवस्था सुलभ नहीं और उसमें लिगैंड-क्षेत्र स्थायीकरण नहीं, अतः रेडॉक्स व LFSE वाले विकल्प गलत हैं; CO₂ के कार्बन पर Zn–OH⁻ आक्रमण करता है, CO₂ कार्बन से ज़िंक पर नहीं बँधती।मानव कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ II में हिस्टिडीन-64 (सक्रिय-स्थल गुहा के मुहाने पर स्थित अवशेष, जो तीन ज़िंक लिगैंडों में से नहीं है) को ऐलानीन से बदलने पर CO₂ जलयोजन का kcat कई गुना घट जाता है। बफ़र में इमिडाज़ोल या 4-मेथिलइमिडाज़ोल मिलाने पर सक्रियता काफ़ी हद तक लौट आती है। ये परिणाम किस निष्कर्ष का सबसे अच्छा समर्थन करते हैं? His64:
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उत्तर: B — ज़िंक-बद्ध जल से एक प्रोटॉन बफ़र तक पहुँचाता है, जिससे अगले चक्र के लिए Zn–OH⁻ पुनर्जनित होता है
बाइकार्बोनेट निकलने के बाद Zn–OH₂ को Zn–OH⁻ पुनर्जनित करने हेतु एक प्रोटॉन खोना होता है; यही चरण दर सीमित करता है, और His64 प्रोटॉन को बफ़र तक पहुँचाता है। इमिडाज़ोल जैसा छोटा बाहरी क्षारक यह काम सँभाल सकता है, इसीलिए वह उत्परिवर्ती को बचा लेता है। प्रश्न में कहा गया है कि His64 ज़िंक का लिगैंड नहीं है, अतः लिगैंड-प्रतिस्थापन वाली व्याख्या विफल है; CO₂ जलविरागी जेब में बैठती है और उस पर Zn–OH⁻ आक्रमण करता है, His64 नहीं।Cu,Zn-सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़ द्वारा उत्प्रेरण के दौरान कौन-सा धातु आयन अपनी ऑक्सीकरण अवस्था बदलता है, और किन अवस्थाओं के बीच?
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उत्तर: C — ताँबा, Cu(II) व Cu(I) के बीच चक्रित होता है, जबकि ज़िंक पूरे समय Zn(II) रहता है और संरचनात्मक भूमिका निभाता है
Cu(II) एक O₂⁻ को O₂ में ऑक्सीकृत कर स्वयं Cu(I) बनता है; Cu(I) अगले O₂⁻ को दो प्रोटॉनों के साथ H₂O₂ में अपचयित कर Cu(II) पर लौटता है। Zn(II), d¹⁰, के पास जीव-तंत्र में सुलभ कोई अन्य ऑक्सीकरण अवस्था नहीं; वह इमिडाज़ोलेट सेतु व सक्रिय स्थल के लूपों को स्थिर रखता है। चक्र में Cu(III) की कोई भूमिका नहीं है।कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ व Cu,Zn-सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़ के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ में ज़िंक उत्प्रेरक लुईस अम्ल है, जबकि Cu,Zn-सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़ में ज़िंक संरचनात्मक है और ताँबा उत्प्रेरक; B — सुपरऑक्साइड डिसम्यूटेज़ दो सुपरऑक्साइड आयनों को दो प्रोटॉनों के साथ एक O₂ व एक H₂O₂ में बदलता है; C — ऐसीटाज़ोलामाइड जैसी सल्फ़ोनामाइड औषधियाँ कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ के ज़िंक आयन से बँधकर उसका संदमन करती हैं
कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ में ज़िंक उत्प्रेरक है और Cu,Zn-SOD में संरचनात्मक आयन, जहाँ चक्रण ताँबा करता है। डिसम्यूटेशन 2O₂⁻ + 2H⁺ → O₂ + H₂O₂ है। सल्फ़ोनामाइड सक्रिय स्थल के ज़िंक से हाइड्रॉक्साइड के स्थान पर बँधते हैं। Zn(II) d¹⁰ है और उसमें d–d पट्टियाँ नहीं होतीं, ठीक इसी कारण रसायनज्ञ स्पेक्ट्रमी संकेतक पाने हेतु उसे Co(II) से बदलते हैं।