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title: "जल और छोटे जैव-अणु"
book: "विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 1"
subject: biology
language: hi
chapter: 8
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/8-water-and-small-biomolecules
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# अध्याय 8 — जल और छोटे जैव-अणु

एक घन माइक्रोमीटर के किसी जीवाणु में कोई बीस अरब जल-अणु हैं और बाक़ी हर चीज़ के कुछ करोड़। [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) की पृष्ठभूमि नहीं, उसका माध्यम है: वह आयन और शर्कराएँ घोलता है, प्रोटीनों तथा झिल्लियों के तैलीय भाग छिपाता है, वह अम्लता तय करता है जिस पर हर एंजाइम निर्भर है, और उपापचय की आधी अभिक्रियाओं में वह अभिकारक या उत्पाद है। यह अध्याय [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) और उन दुर्बल बंधों का वर्णन करता है जिन्हें वह बनाता और तोड़ता है, अम्लों, क्षारकों तथा [बफ़रों](#def-b1-water-small-molecules-buffer) का अंकगणित, वे छोटे कार्बनिक अणु जिनसे अगले चार अध्यायों के वृहदणु बनते हैं, और ऊर्जा की वह मुद्रा — [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) — जिसमें [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) उन्हें बनाने की क़ीमत चुकाती है।

## 8.1 जल

**परिभाषा 8.1 (जल-अणु).**

जल, $\mathrm{H_2O}$, एक मुड़ा हुआ अणु है (H–O–H कोण $104.5^\circ$ है) जिसमें ऑक्सीजन साझा इलेक्ट्रॉनों को अपनी ओर खींचता है: वह *ध्रुवीय* है, और ऑक्सीजन पर आंशिक ऋण आवेश तथा हाइड्रोजनों पर आंशिक धन आवेश रखता है। हर अणु चार तक *हाइड्रोजन बंध* बना सकता है — यानी किसी विद्युत-ऋणात्मक परमाणु (O, N) से बँधे किसी हाइड्रोजन और किसी दूसरे विद्युत-ऋणात्मक परमाणु के एकाकी युग्म के बीच का स्थिरवैद्युत आकर्षण — दो अपने हाइड्रोजनों से और दो अपने ऑक्सीजन से। द्रव जल ऐसे ही बंधों का एक जाल है, जिनमें से हर एक कुछ पिकोसेकंड टिकता है।

![एक जल-अणु (H–O–H कोण 104.5) और उसके चार हाइड्रोजन-बद्ध पड़ोसी। ध्रुवीय मुड़ा हुआ अणु अपने हाइड्रोजनों से दो हाइड्रोजन बंध देता है और अपने ऑक्सीजन पर दो लेता है; और उनका बनाया जाल जल को उसका संसंजन, उसकी ऊष्माधारिता और विलायक के रूप में उसकी शक्ति देता है।](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/fig-ac29a714d8d0.svg)

*एक जल-अणु (H–O–H कोण $104.5^\circ$) और उसके चार हाइड्रोजन-बद्ध पड़ोसी। [ध्रुवीय](#def-b1-water-small-molecules-water) मुड़ा हुआ अणु अपने हाइड्रोजनों से दो [हाइड्रोजन बंध](#def-b1-water-small-molecules-water) देता है और अपने ऑक्सीजन पर दो लेता है; और उनका बनाया जाल [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) को उसका संसंजन, उसकी ऊष्माधारिता और विलायक के रूप में उसकी शक्ति देता है।*

**प्रतिज्ञप्ति 8.2 (जल के वे गुण जो जीवन के लिए मायने रखते हैं).**

हाइड्रोजन-बंध का जाल [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) के असाधारण गुण समझा देता है:

- ऊँचा *संसंजन* और पृष्ठ तनाव ( $72\,\mathrm{mN}/\mathrm{m}$ ): जल-स्तंभ बिना टूटे किसी पेड़ पर ऊपर खींचे जा सकते हैं ( [अध्याय 24](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/24-plant-gas-exchange-and-sap-transport#ch-b1-plant-transport) ); कीट तालाबों पर चलते हैं;
- ऊँची *ऊष्माधारिता* ( $4.18\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$ ) और वाष्पन ऊष्मा ( $2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ): [जीवों](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/1-the-organism-a-system-in-interaction-with-its-environment#def-b1-organism-environment-organism) का और जल-निकायों का ताप धीरे बदलता है, और एक ग्राम पसीने का वाष्पन $2.4\,\mathrm{kJ}$ हटा देता है;
- *द्रव से कम सघन ठोस* : बर्फ़ तैरती है, और झीलें ऊपर से नीचे की ओर जमती हैं, जिससे नीचे द्रव [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) बचा रहता है;
- आयनों और [ध्रुवीय अणुओं](#def-b1-water-small-molecules-water) के लिए उत्कृष्ट *विलायक* , जिन्हें वह अनुस्थापित खोलों से घेर लेता है ( *जलयोजन* ), और अध्रुवीय अणुओं के लिए घटिया विलायक, जिन्हें वह आपस में सटा देता है ( *जलविरागी प्रभाव* )।

**आंशिक उपपत्ति.** संसंजन और पृष्ठ तनाव उन अणुओं को अलग करने का कार्य मापते हैं जिनमें से हर एक लगभग $20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ के चार बंधों से थमा है। [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) गरम करने में अणुओं को हिलाने के साथ-साथ बंध भी तोड़ने पड़ते हैं, इसलिए इतनी ऊष्माधारिता; और उसे वाष्पित करने में सारे बंध तोड़ने पड़ते हैं। बर्फ़ हर अणु को चार बंधों की किसी खुली चतुष्फलकी जालक में रखती है, जो अव्यवस्थित द्रव से अधिक आयतन घेरती है, क्योंकि द्रव में अणु अधिक पास-पास जमते हैं। आयन और [ध्रुवीय](#def-b1-water-small-molecules-water) समूह [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) से बने [हाइड्रोजन बंधों](#def-b1-water-small-molecules-water) से स्थायी होते हैं; कोई अध्रुवीय अणु वे बंध नहीं बना सकता, और उसके चारों ओर के [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) को स्वयं को किसी पिंजरे में सजाना पड़ता है, जिसकी क़ीमत एंट्रॉपी में चुकानी पड़ती है और जो तब घट जाती है जब अध्रुवीय अणु गुच्छा बनाकर एक ही पिंजरा साझा कर लें। ∎

![किसी तालाब पर एक जलमापी कीट: उसके पैरों के नीचे के गड्ढे वही सतह हैं जिसे हाइड्रोजन-बद्ध जल का संसंजन तना हुआ रखता है।](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/img-5bf2f442a2ee.jpg)

*किसी तालाब पर एक जलमापी कीट: उसके पैरों के नीचे के गड्ढे वही सतह हैं जिसे हाइड्रोजन-बद्ध [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) का संसंजन [तना](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/3-functional-organization-of-a-flowering-plant#def-b1-flowering-plant-organization-organs) हुआ रखता है।*

**उदाहरण 8.3 (काम पर जलविरागी प्रभाव).**

तेल को [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) में हिलाइए और मिनटों में बूँदें आपस में मिल जाती हैं: [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) उसे निचोड़कर बाहर कर देता है जिससे वह बंध नहीं बना सकता। यही प्रभाव किसी प्रोटीन को वलित करता है (उसके तैलीय अवशेष भीतर छिप जाते हैं, [अध्याय 12](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/12-amino-acids-and-proteins#ch-b1-proteins)), किसी झिल्ली को जोड़ता है (लिपिडों की पूँछें [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) से दूर इकट्ठी हो जाती हैं, [अध्याय 9](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/9-lipids#ch-b1-lipids)), और दो मेल खाती आणविक सतहों को साथ ले आता है। तेल को तेल की ओर कुछ खींचता नहीं; [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) धकेलता है।

## 8.2 दुर्बल बंध

**परिभाषा 8.4 (सहसंयोजी और असहसंयोजी बंध).**

*सहसंयोजी बंध* दो परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉनों का एक युग्म साझा करता है और उसे तोड़ने में $300\text{ to }500\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ लगते हैं: अणुओं के कंकाल सहसंयोजी होते हैं, और [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) में उन्हें केवल एंजाइम ही बनाते या तोड़ते हैं। *असहसंयोजी बंध* वे दुर्बल, उत्क्रमणीय आकर्षण हैं जो अणुओं को *एक-दूसरे से* थामते हैं और उन्हें आकृति देते हैं: *[हाइड्रोजन बंध](#def-b1-water-small-molecules-water)* ([जल](#def-b1-water-small-molecules-water) में $4\text{ to }20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$); विपरीत आवेशों के बीच का *आयनिक बंध* ([जल](#def-b1-water-small-molecules-water) में लगभग $12\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, जिसका परावैद्युतांक आवेशों को अस्सी गुना परिरक्षित कर देता है); पास-पास आए किन्हीं दो परमाणुओं के बीच के *वान डर वाल्स* आकर्षण (हर एक $1\text{ to }4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, पर पूरी सतह पर जुड़ते हुए); और *[जलविरागी प्रभाव](#prop-b1-water-small-molecules-properties)*, जो बंध नहीं बल्कि [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) द्वारा अध्रुवीय सतहों का बहिष्करण है।

**प्रतिज्ञप्ति 8.5 (दुर्बल बंध ही जीवविज्ञान के बंध क्यों हैं).**

$37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर ऊष्मीय ऊर्जा $RT = 2.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ है। कोई अकेला दुर्बल बंध इससे कुछ ही गुना है और माइक्रोसेकंडों में टूट जाता है; पर दस बंध एक साथ, दो ऐसी सतहों पर जो एक-दूसरे में बैठती हों, घंटों थामे रहते हैं। आणविक *अभिज्ञान* — किसी एंजाइम का अपने क्रियाधार के लिए, किसी प्रतिरक्षी का अपने प्रतिजन के लिए, DNA की एक लड़ी का अपनी पूरक के लिए — पूरक सतहों के बीच एक साथ बने अनेक दुर्बल बंधों पर टिका है, और इसीलिए वह एक ही साथ विशिष्ट है (सारे बंध केवल कोई बैठती हुई सतह ही बनाती है) और उत्क्रमणीय भी (ऊष्मा, या कोई स्पर्धी, उसे खोल देता है)। सौ गुना अधिक मज़बूत [सहसंयोजी बंध](#def-b1-water-small-molecules-bonds) स्थायी होते।

**उदाहरण 8.6 (किसी द्विकुंडली को पिघलाना).**

DNA की दोनों लड़ियाँ प्रति [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) युग्म दो या तीन [हाइड्रोजन बंधों](#def-b1-water-small-molecules-water) और पड़ोसी युग्मों के स्तरण ([वान डर वाल्स](#def-b1-water-small-molecules-bonds)) से थमी हैं; कोई अकेला युग्म तुरंत अलग हो जाता, पर एक पंक्ति में एक हज़ार युग्म तब तक थामे रहते हैं जब तक ताप लगभग $90\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ तक न पहुँच जाए, और ताप घटने पर वे ठीक उसी पंजीकरण में फिर मिल जाते हैं ([अध्याय 11](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/11-nucleotides-and-nucleic-acids#ch-b1-nucleic-acids))। विशिष्ट, संख्या में मज़बूत, उत्क्रमणीय।

## 8.3 अम्ल, क्षारक और बफ़र

**परिभाषा 8.7 (pH, अम्ल, क्षारक, pKaK_aKa​).**

[जल](#def-b1-water-small-molecules-water) थोड़ा वियोजित होता है, $\mathrm{H_2O} \rightleftharpoons
\mathrm{H^+} + \mathrm{OH^-}$, और $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर $[\mathrm{H^+}][\mathrm{OH^-}] =
K_w = 10^{-14}\,\mathrm{mol}^{2}/\mathrm{L}^{2}$ होता है। *pH* $-\log_{10}[\mathrm{H^+}]$ है: शुद्ध [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) के लिए 7, अम्लों के लिए कम, क्षारकों के लिए अधिक। कोई *अम्ल* $\mathrm{HA}$ एक प्रोटॉन छोड़ता है, $\mathrm{HA} \rightleftharpoons \mathrm{H^+} +
\mathrm{A^-}$, जिसका वियोजन स्थिरांक $K_a =
[\mathrm{H^+}][\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]$ है और *p$K_a$* $= -\log_{10}K_a$; और उसका संयुग्मी *क्षारक* $\mathrm{A^-}$ एक प्रोटॉन लेता है। कोई प्रबल अम्ल (HCl) पूरा वियोजित होता है; [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) के अम्ल (कार्बोक्सिलिक अम्ल, फ़ॉस्फ़ेट, अमोनियम) दुर्बल हैं, जिनका p$K_a$ 2 और 10 के बीच है।

**प्रमेय 8.8 (हेंडरसन–हासेलबाख़).**

विलयन में किसी दुर्बल अम्ल के लिए,

$$
\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a + \log_{10}\frac{[\mathrm{A^-}]}{[\mathrm{HA}]} .
$$

$\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_a$ पर अम्ल आधा वियोजित होता है; उससे एक [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) मात्रक ऊपर $91\,\%$ वियोजित, और एक नीचे $9\,\%$।

**उपपत्ति.** $K_a = [\mathrm{H^+}][\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}]$ का लघुगणक लीजिए: $\log K_a = \log[\mathrm{H^+}] + \log([\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}])$, यानी $-\mathrm{p}K_a = -\mathrm{pH} + \log([\mathrm{A^-}]/[\mathrm{HA}])$। यह अनुपात $1$, $10$ और $0.1$ होता है, क्रमशः [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= \mathrm{p}K_a$, $\mathrm{p}K_a + 1$ और $\mathrm{p}K_a - 1$ पर। ∎

**परिभाषा 8.9 (बफ़र).**

*बफ़र* वह विलयन है जिसमें कोई दुर्बल अम्ल और उसका संयुग्मी [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) तुलनीय मात्राओं में हों; वह [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) के परिवर्तन का प्रतिरोध करता है, क्योंकि मिलाया गया $\mathrm{H^+}$ $\mathrm{A^-}$ ले लेता है और मिलाया गया $\mathrm{OH^-}$ $\mathrm{HA}$। वह p$K_a$ के एक मात्रक के भीतर सबसे अच्छा काम करता है, और उसकी *क्षमता* उस युग्म की कुल सांद्रता के साथ बढ़ती है। [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) के बफ़र: फ़ॉस्फ़ेट ($\mathrm{H_2PO_4^-}/\mathrm{HPO_4^{2-}}$, p$K_a$ 6.8) और [कोशिकाओं](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) के भीतर प्रोटीनों की पार्श्व शृंखलाएँ; तथा रक्त में बाइकार्बोनेट ($\mathrm{CO_2}/\mathrm{HCO_3^-}$, प्रभावी p$K_a$ 6.1), जिसका अम्ल साथी एक गैस है जिसे फेफड़े हटा सकते हैं।

![किसी क्षारक द्वारा किसी दुर्बल अम्ल (फ़ॉस्फ़ेट, pK_a 6.8) का अनुमापन। वक्र pK_a के आसपास चपटा है: वहाँ क्षारक मिलाने पर क्षारक और अम्ल का अनुपात बदलता है पर pH मुश्किल से। परास के बाहर pH स्वतंत्र रूप से झूलता है।](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/fig-638316514667.svg)

*किसी [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) द्वारा किसी दुर्बल अम्ल (फ़ॉस्फ़ेट, p$K_a$ 6.8) का अनुमापन। वक्र p$K_a$ के आसपास चपटा है: वहाँ [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) मिलाने पर [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) और अम्ल का अनुपात बदलता है पर [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) मुश्किल से। परास के बाहर [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) स्वतंत्र रूप से झूलता है।*

![सार्वत्रिक सूचक से दिखाई गई pH मापनी: pH 2 पर लाल से pH 12 पर बैंगनी तक। जठर रस 1–2 पर है, मूत्र 5–8, रक्त 7.4, छोटी आँत 8, कोशिकाद्रव 7.2, लयनकाय 5, प्रकाश में थाइलेकॉइड की अवकाशिका 5, और पीठिका 8।](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/img-84d743c72e32.jpg)

*सार्वत्रिक सूचक से दिखाई गई [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) मापनी: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 2 पर लाल से [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 12 पर बैंगनी तक। जठर रस 1–2 पर है, मूत्र 5–8, रक्त 7.4, छोटी आँत 8, [कोशिकाद्रव](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/6-functional-organization-of-the-eukaryotic-cell#def-b1-eukaryotic-cell-organelle) 7.2, [लयनकाय](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/6-functional-organization-of-the-eukaryotic-cell#def-b1-eukaryotic-cell-endomembrane) 5, प्रकाश में थाइलेकॉइड की अवकाशिका 5, और पीठिका 8।*

**विधि 8.10 (बफ़र का अंकगणित).**

1. अम्ल–क्षारक युग्म और कार्यरत ताप पर उसका p $K_a$ पहचानिए।
2. [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) से [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) /अम्ल का अनुपात पाने के लिए, या सांद्रताओं से [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) पाने के लिए, हेंडरसन–हासेलबाख़ लगाइए।
3. कोई प्रबल अम्ल मिलाने के लिए: उसकी मात्रा [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) में से घटाइए और अम्ल में जोड़िए, फिर [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) फिर से निकालिए। कोई प्रबल [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) मिलाने के लिए: उल्टा।
4. यदि कोई एक साथी तंत्र से निकल सकता हो (साँस से बाहर जाती कार्बन डाइऑक्साइड, उत्सर्जित अमोनिया), तो तंत्र *विवृत* है: उस साथी को जमा होने देने के बजाय उसके थोपे गए मान पर रखिए। विवृत [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) को बंद [बफ़रों](#def-b1-water-small-molecules-buffer) से कहीं बेहतर थामते हैं।

**उदाहरण 8.11 (रक्त).**

धमनी रक्त में $24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ बाइकार्बोनेट है और $1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर घुली $\mathrm{CO_2}$ (जिसे फेफड़े तय करते हैं): $\mathrm{pH} =
6.1 + \log(24/1.2) = 6.1 + 1.30 = 7.4$। $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ अम्ल मिलाने पर $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ बाइकार्बोनेट $\mathrm{CO_2}$ में बदल जाता है; यदि फेफड़े उस $\mathrm{CO_2}$ को उड़ा दें और घुला मान थामे रखें तो [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $6.1 + \log(19/1.2) = 7.30$ हो जाता है; और किसी बंद फ़्लास्क में $\mathrm{CO_2}$ बढ़कर $6.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ हो जाती और [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) गिरकर $6.1 + \log(19/6.2) =
6.59$। फ़र्क़ फेफड़े डालते हैं।

## 8.4 छोटे जैव-अणु

**परिभाषा 8.12 (क्रियात्मक समूह).**

[कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) के कार्बनिक अणु कार्बन के कंकाल हैं जो *क्रियात्मक समूहों* का एक छोटा समुच्चय धारण करते हैं और जो उनका रसायन तय करते हैं:

| समूह | सूत्र | गुण | कहाँ मिलता है |
| --- | --- | --- | --- |
| हाइड्रॉक्सिल | $-\mathrm{OH}$ | [ध्रुवीय](#def-b1-water-small-molecules-water), H-बंधकारी | शर्कराएँ, ऐल्कोहॉल |
| कार्बोनिल | $>\!\mathrm{C{=}O}$ | [ध्रुवीय](#def-b1-water-small-molecules-water), क्रियाशील | ऐल्डोस, कीटोस |
| कार्बोक्सिल | $-\mathrm{COOH}$ | अम्ल (p$K_a \approx 4$) | वसा अम्ल, ऐमीनो अम्ल |
| ऐमीनो | $-\mathrm{NH_2}$ | [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) (p$K_a \approx 9$) | ऐमीनो अम्ल |
| फ़ॉस्फ़ेट | $-\mathrm{OPO_3^{2-}}$ | आवेशित, ऊर्जा-समृद्ध जोड़ | न्यूक्लियोटाइड, [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) |
| सल्फ़हाइड्रिल | $-\mathrm{SH}$ | S–S सेतु बनाता है | सिस्टीन |
| मेथिल | $-\mathrm{CH_3}$ | अध्रुवीय | लिपिड, DNA के चिह्न |

[कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) के [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) पर कार्बोक्सिल समूह आयनित रहते हैं ($-\mathrm{COO^-}$) और ऐमीनो समूह प्रोटॉनित ($-\mathrm{NH_3^+}$)।

**प्रतिज्ञप्ति 8.13 (निर्माण-खंडों के चार कुल).**

किसी [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) का लगभग सारा कार्बनिक पदार्थ चार प्रकार के छोटे अणुओं से बना है, जिनमें से हर एक कुछ सौ डाल्टन का है: *शर्कराएँ* ([अध्याय 10](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/10-carbohydrates#ch-b1-carbohydrates)), *वसा अम्ल* ([अध्याय 9](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/9-lipids#ch-b1-lipids)), *ऐमीनो अम्ल* ([अध्याय 12](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/12-amino-acids-and-proteins#ch-b1-proteins)) और *न्यूक्लियोटाइड* ([अध्याय 11](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/11-nucleotides-and-nucleic-acids#ch-b1-nucleic-acids))। इनमें से तीन *बहुलकों* में जुड़ते हैं — बहुशर्कराएँ, प्रोटीन, न्यूक्लिक अम्ल — और वह जोड़ *संघनन* से बनता है (यानी एक जल-अणु के ह्रास के साथ बना बंध), जबकि *जल-अपघटन* उन्हें अलग करता है (यानी [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) जोड़कर तोड़ा गया बंध)। संघनन चढ़ाई है और [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) से चुकाया जाता है; [जल-अपघटन](#prop-b1-water-small-molecules-families) ढलान है और उसे केवल एक एंजाइम चाहिए।

![संघनन दो निर्माण-खंडों को एक जल-अणु के ह्रास के साथ जोड़ता है; जल-अपघटन एक जल-अणु जोड़कर उन्हें अलग करता है। शर्कराएँ, ऐमीनो अम्ल और न्यूक्लियोटाइड इसी तरह बहुलकित होते हैं।](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/biology-3/b1-water-small-molecules/fig-4b73bde69c74.svg)

*संघनन दो निर्माण-खंडों को एक जल-अणु के ह्रास के साथ जोड़ता है; [जल-अपघटन](#prop-b1-water-small-molecules-families) एक जल-अणु जोड़कर उन्हें अलग करता है। शर्कराएँ, ऐमीनो अम्ल और न्यूक्लियोटाइड इसी तरह बहुलकित होते हैं।*

**उदाहरण 8.14 (कोशिका की सूची).**

किसी जीवाणु के शुष्क द्रव्यमान में प्रोटीन $55\,\%$ हैं, RNA $20\,\%$, DNA $3\,\%$, लिपिड $9\,\%$, बहुशर्कराएँ $5\,\%$, और बाक़ी छोटे अणु तथा आयन। अणुओं की संख्या के हिसाब से चित्र उल्टा हो जाता है: नैनोमोलर से लेकर एक मोल प्रति लीटर के दसवें भाग तक की सांद्रताओं पर एक हज़ार प्रकार के छोटे उपापचयज और आयन उन अधिकांश अणुओं को बनाते हैं जो [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) नहीं हैं। पोटैशियम $150\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर है, ग्लूटामेट $100\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, और कोई अनुलेखन कारक प्रति [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) कुछ ही अणुओं पर।

## 8.5 ऊर्जा: मुक्त ऊर्जा और ATP

**प्रतिज्ञप्ति 8.15 (किसी अभिक्रिया की मुक्त ऊर्जा).**

अचर ताप और दाब पर कोई अभिक्रिया स्वतःस्फूर्त रूप से उस दिशा में चलती है जो गिब्स [मुक्त ऊर्जा](#prop-b1-water-small-molecules-gibbs) $G$ को घटाती है। $\mathrm{A} + \mathrm{B} \rightleftharpoons \mathrm{C} + \mathrm{D}$ के लिए,

$$
\Delta G = \Delta G^{\circ\prime} + RT\ln\frac{[\mathrm{C}][\mathrm{D}]}{[\mathrm{A}][\mathrm{B}]},
$$

जिसमें $\Delta G^{\circ\prime}$ मानक मुक्त-ऊर्जा परिवर्तन है (सारी सांद्रताएँ $1\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$, [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7) और लघुगणकीय पद असली सांद्रताओं के लिए संशोधन करता है। साम्य पर $\Delta G = 0$ होता है, इसलिए $\Delta G^{\circ\prime} = -RT\ln K'_{\text{सा}}$: और $\Delta G^{\circ\prime}$ के हर $5.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ पर साम्य स्थिरांक दस गुना खिसक जाता है। $\Delta G$ बताता है कि कोई अभिक्रिया किस ओर जा सकती है, कितनी तेज़ नहीं: वह एंजाइम का काम है ([अध्याय 13](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/13-enzymes-and-biochemical-catalysis#ch-b1-enzymes))।

**उपपत्ति.** हर स्पीशीज़ का रासायनिक विभव $\mu = \mu^\circ + RT\ln c$ है (भौतिकी पाठ्यक्रम का आदर्श-विलयन परिणाम); $\Delta G$ उत्पादों के विभवों के योग में से अभिकारकों के विभवों का योग घटाने पर मिलता है, जिससे सूत्र निकल आता है; और साम्य पर उसे शून्य रखने पर $K'_{\text{सा}}$ से संबंध मिल जाता है। ∎

**परिभाषा 8.16 (ATP, युग्मन).**

*ATP* (एडेनोसिन ट्राइफ़ॉस्फ़ेट) एक न्यूक्लियोटाइड है ([अध्याय 11](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/11-nucleotides-and-nucleic-acids#ch-b1-nucleic-acids)) जो एक पंक्ति में तीन फ़ॉस्फ़ेट धारण करता है; बाहर के दोनों बंध *फ़ॉस्फ़ोऐनहाइड्राइड* बंध हैं जिनके [जल-अपघटन](#prop-b1-water-small-molecules-families), $\mathrm{ATP} + \mathrm{H_2O} \to \mathrm{ADP} +
\mathrm{P_i}$, का $\Delta G^{\circ\prime} = -30.5\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ है और किसी [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) की सांद्रताओं पर $\Delta G \approx -50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$। ATP [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) की *ऊर्जा मुद्रा* है: अपचय उसे बनाता है ([अध्याय 15](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/15-cellular-respiration-and-fermentation#ch-b1-respiration-fermentation)), और जैवसंश्लेषण, अभिगमन तथा गति उसे ख़र्च करते हैं। किसी चढ़ाई वाली अभिक्रिया को चलाया जाता है, उसे किसी साझा मध्यवर्ती के माध्यम से ATP के [जल-अपघटन](#prop-b1-water-small-molecules-families) से *युग्मित* करके, ताकि दोनों के $\Delta G$ का योग ऋणात्मक हो।

**उदाहरण 8.17 (ATP का जल-अपघटन इतना कुछ क्यों छोड़ता है).**

तीन कारण: [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) के फ़ॉस्फ़ेटों के चारों ऋण आवेश एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं और कटने से उन्हें राहत मिल जाती है; उत्पाद $\mathrm{ADP}$ और $\mathrm{P_i}$ अनुनाद तथा जलयोजन से ऐनहाइड्राइड की तुलना में बेहतर स्थायी होते हैं; और [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) को ADP तथा फ़ॉस्फ़ेट के साथ उसके साम्य से एक हज़ार गुना ऊपर रखती है। अंतिम पद सबसे बड़ा है: [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर, ADP $1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर, $\mathrm{P_i}$ $10\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर, $\Delta G = -30.5 + 2.58\ln\frac{10^{-3}\times 10^{-2}}{5\times 10^{-3}}
= -30.5 - 16 = -46.5\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$।

**उदाहरण 8.18 (युग्मन).**

ग्लूकोज़ $+\ \mathrm{P_i} \to$ ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट $+\ \mathrm{H_2O}$ का $\Delta G^{\circ\prime} = +13.8\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ है: साम्य पर लगभग कोई ग्लूकोज़ फ़ॉस्फ़ोरिलित नहीं होता। इसके बजाय हेक्सोकाइनेज़ फ़ॉस्फ़ेट सीधे [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) से हस्तांतरित करता है: ग्लूकोज़ $+$ [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) $\to$ ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट $+$ ADP, $\Delta G^{\circ\prime} = 13.8 - 30.5 =
-16.7\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, साम्य स्थिरांक $800$, और अभिक्रिया लगभग पूरी। फ़ॉस्फ़ेट कभी मुक्त नहीं दिखता: दोनों अभिक्रियाएँ एक ही हैं।

## 8.6 अभ्यास

**अभ्यास 8.1 ★.**

जल-अणु की संरचना से समझाइए कि [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) लवणों के लिए अच्छा विलायक और तेलों के लिए घटिया विलायक क्यों है।

**हल — अभ्यास 8.1.**

इस मुड़े हुए, ध्रुवी अणु की ऑक्सीजन अंशतः ऋणात्मक और हाइड्रोजन अंशतः धनात्मक हैं: वह किसी धनायन को अपनी ऑक्सीजनों से और किसी ऋणायन को अपनी हाइड्रोजनों से घेर लेता है, उन्हें स्थायी करता हुआ (जलयोजन), और वह ध्रुवी समूहों से [हाइड्रोजन बंध](#def-b1-water-small-molecules-water) बनाता है। तेल में बँधने लायक कोई आवेश या ध्रुवी समूह नहीं; उसके चारों ओर जल-अणुओं को एक पिंजरे में क्रमबद्ध होना पड़ता है, जो प्रतिकूल है, इसलिए तेल बाहर कर दिया जाता है।

**अभ्यास 8.2 ★.**

असहसंयोजी अंतःक्रियाओं के चारों प्रकारों को सामर्थ्य के क्रम में रखिए और हर एक की एक जैविक भूमिका बताइए।

**हल — अभ्यास 8.2.**

[हाइड्रोजन बंध](#def-b1-water-small-molecules-water) ($4\text{ to }20\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$): DNA में क्षारक-युग्मन, प्रोटीन की द्वितीयक संरचना। आयनी बंध ([जल](#def-b1-water-small-molecules-water) में $12\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$): प्रोटीनों में लवण-सेतु, क्रियाधार का बँधना। जलविरोधी प्रभाव (कोई बंध नहीं, पर कुल मिलाकर तुलनीय): झिल्ली का जुड़ना, प्रोटीन वलन। [वान डर वाल्स](#def-b1-water-small-molecules-bonds) (हर एक $1\text{ to }4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$): किन्हीं भी दो पूरक पृष्ठों का कसकर जमना, एंजाइम–क्रियाधार का बैठना।

**अभ्यास 8.3 ★.**

उस विलयन का [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए जिसमें $[\mathrm{H^+}] = 4 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ है, और [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 1.5 के जठर रस में $[\mathrm{H^+}]$ भी।

**हल — अभ्यास 8.3.**

$\mathrm{pH} = -\log(4\times 10^{-8}) = 7.4$। [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 1.5 पर, $[\mathrm{H^+}] = 10^{-1.5} = 0.032\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$।

**अभ्यास 8.4 ★.**

अनुमापन वाले आलेख से बताइए कि फ़ॉस्फ़ेट [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) के किस परास में काम करता है, और [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.4 पर [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) तथा अम्ल का अनुपात क्या है।

**हल — अभ्यास 8.4.**

लगभग 5.8 से 7.8 तक (p$K_a \pm 1$)। 7.4 पर: $\log(\text{क्षार}/\text{अम्ल})
= 0.6$, अनुपात $4$।

**अभ्यास 8.5 ★★.**

ऐसीटिक अम्ल का p$K_a$ 4.76 है। [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 4.76 पर, [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.2 ([कोशिकाद्रव](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/6-functional-organization-of-the-eukaryotic-cell#def-b1-eukaryotic-cell-organelle)) पर और [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 2 (आमाशय) पर उसका कितना भिन्न आयनित है? कौन-सा रूप झिल्ली अधिक आसानी से पार करता है, और ऐसीटिक अम्ल कहाँ अवशोषित होगा?

**हल — अभ्यास 8.5.**

[pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 4.76 पर: $50\,\%$। 7.2 पर: $\log(\mathrm{A^-}/\mathrm{HA}) =
2.44$, अनुपात $275$: $99.6\,\%$ आयनित। [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 2 पर: अनुपात $10^{-2.76} =
1/575$: $0.2\,\%$ आयनित। उदासीन अम्ल-रूप [लिपिड द्विस्तर](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/7-membranes-and-membrane-transport#def-b1-membranes-transport-membrane) पार करता है; ऐसीटिक अम्ल आमाशय में सोखा जाता है, जहाँ वह अनआयनित रहता है, और [कोशिकाद्रव्य](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) में ऐसीटेट के रूप में फँस जाता है।

**अभ्यास 8.6 ★★.**

किसी [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) में $50\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ $\mathrm{HPO_4^{2-}}$ और $50\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ $\mathrm{H_2PO_4^-}$ है (p$K_a$ 6.8)। उसका [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए। $10\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ HCl मिलाने के बाद का [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए, और वही HCl शुद्ध [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) में मिलाने के बाद का भी।

**हल — अभ्यास 8.6.**

[pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.8 + \log 1 = 6.8$। HCl के बाद: क्षार $40$, अम्ल $60$: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.8 +
\log(40/60) = 6.62$। शुद्ध [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) में, $[\mathrm{H^+}] = 0.01\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $2$।

**अभ्यास 8.7 ★★.**

पसीने का वाष्पन किसी धावक को ठंडा करता है। $500\,\mathrm{kJ}$ हटाने के लिए कितना पसीना वाष्पित होना चाहिए? [हाइड्रोजन बंधों](#def-b1-water-small-molecules-water) से समझाइए कि [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) की वाष्पन ऊष्मा इतनी बड़ी क्यों है।

**हल — अभ्यास 8.7.**

$500/2.4 = 208\,\mathrm{g}$। किसी अणु को वाष्पित करने के लिए उसके चारों [हाइड्रोजन बंध](#def-b1-water-small-molecules-water) तोड़ने पड़ते हैं; $2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ यानी $43\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$, मोटे तौर पर प्रति अणु दो बंधों की ऊर्जा (हर बंध दो में बँटा होता है)।

**अभ्यास 8.8 ★★.**

अभिक्रिया ग्लूकोज़-1-फ़ॉस्फ़ेट $\to$ ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट का $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर $K'_{\text{सा}} = 19$ है। $\Delta G^{\circ\prime}$ निकालिए। जिस [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) में ग्लूकोज़-6-फ़ॉस्फ़ेट $2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर और ग्लूकोज़-1-फ़ॉस्फ़ेट $0.02\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर हो, उसमें $\Delta G$ निकालिए और बताइए कि अभिक्रिया किस ओर चलती है।

**हल — अभ्यास 8.8.**

$\Delta G^{\circ\prime} = -RT\ln 19 = -2.48\times 2.94 =
-7.3\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$। [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) में: $\Delta G = -7.3 + 2.48\ln(2/0.02) =
-7.3 + 11.4 = +4.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$: अभिक्रिया उलटी दिशा में, ग्लूकोज-1-फ़ॉस्फ़ेट की ओर चलती है (जैसा वह ग्लाइकोजन-संश्लेषण में करती है)।

**अभ्यास 8.9 ★★.**

कोई झील ऊपर से नीचे की ओर क्यों जमती है, और यह उसकी मछलियों के लिए क्यों मायने रखता है? जिस संसार में बर्फ़ डूबती, वहाँ क्या होता?

**हल — अभ्यास 8.9.**

[जल](#def-b1-water-small-molecules-water) $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर सबसे सघन होता है; उससे ठंडा [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) और बर्फ़ हलके होते हैं और पृष्ठ पर रह जाते हैं, इसलिए बर्फ़ ऊपर बनती है और नीचे के तरल को कुचालित कर देती है, जो सारा जाड़ा $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ के पास बना रहता है। यदि बर्फ़ डूबती, तो झीलें तली से ऊपर तक ठोस जम जातीं और गरमी में केवल पृष्ठ पर पिघलतीं; किसी जाड़े भर मीठे [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) का जीवन असंभव हो जाता।

**अभ्यास 8.10 ★★★.**

उस पेशी [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) में [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) के [जल-अपघटन](#prop-b1-water-small-molecules-families) का $\Delta G$ निकालिए जिसमें $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) $8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, ADP $0.9\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ और $\mathrm{P_i}$ $8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ है; फिर उस थकी पेशी में जिसमें [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, ADP $3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ और $\mathrm{P_i}$ $30\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ है। थकान ने प्रति [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) उपलब्ध ऊर्जा का क्या किया है?

**हल — अभ्यास 8.10.**

$RT = 2.58\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$। विश्राम में: $Q = 0.9\times 10^{-3}\times 8\times
10^{-3}/8\times 10^{-3} = 9\times 10^{-4}$, $\ln Q = -7.0$: $\Delta G =
-30.5 - 18.1 = -48.6\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$। थकी हुई: $Q = 3\times 10^{-3}\times
30\times 10^{-3}/5\times 10^{-3} = 0.018$, $\ln Q = -4.0$: $\Delta G =
-30.5 - 10.4 = -40.9\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$। थकान ने प्रति [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) ऊर्जा $16\,\%$ काट दी है, जो उन पंपों और प्रेरकों को धीमा करने के लिए बहुत है जिन्हें उसका अधिकांश चाहिए।

**अभ्यास 8.11 ★★★.**

[pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.2 और $37\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की किसी [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) का भीतरी आयतन $1000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ है। उसमें कितने मुक्त $\mathrm{H^+}$ आयन हैं? इसकी तुलना उसके $3 \times 10^{9}$ बफ़रकारी समूहों से कीजिए। इस तुलना से “किसी [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) का [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph)” के अर्थ के बारे में क्या पता चलता है?

**हल — अभ्यास 8.11.**

$[\mathrm{H^+}] = 10^{-7.2} = 6.3 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$; आयतन $1 \times 10^{-12}\,\mathrm{L}$: $6.3 \times 10^{-20}\,\mathrm{mol}\times6 \times 10^{23} = 38$ प्रोटॉन। और $3 \times 10^{9}$ प्रतिरोधी समूहों के सामने: “[pH](#def-b1-water-small-molecules-ph)” प्रोटॉनों की गिनती नहीं बल्कि प्रतिरोधकों की प्रोटॉनन-अवस्था है, जो [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) से प्रोटॉन उन थोड़े मुक्त प्रोटॉनों के मायने रखने से एक अरब गुना तेज़ बदलते रहते हैं।

**अभ्यास 8.12 ★★★.**

“जीवन अभिक्रियाओं को साम्य से दूर रखने का एक ढंग है।” [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) के सांद्रता-अनुपात, युग्मन, और उस [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) का क्या होता है जिसका [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) ADP के साथ साम्य पर पहुँच जाए — इनकी सहायता से एक अनुच्छेद में चर्चा कीजिए।

**हल — अभ्यास 8.12.**

साम्य पर [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp), ADP और फ़ॉस्फ़ेट लगभग $10^{-5}$ के अनुपात पर बैठते; [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) को ADP से हज़ार गुना ऊपर रखती है, ताकि उसका [जल-अपघटन](#prop-b1-water-small-molecules-families) कुछ नहीं के बजाय $50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ छोड़े। हर चढ़ाई वाली प्रक्रिया — संश्लेषण, परिवहन, गति — उसी विस्थापन से युग्मित है; अपचय की एकमात्र भूमिका उसे बनाए रखना है। जिस [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) का [ATP](#def-b1-water-small-molecules-atp) साम्य पर आ जाए उसके पास खर्च करने को कोई प्रवणता नहीं बचती: पंप रुक जाते हैं, आयन रिसते हैं, [कोशिका](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/5-the-cell-unit-of-life#def-b1-cell-unit-of-life-cell) मिनटों में फूलकर मर जाती है। जीवित होना उस असाम्य को बनाए रखना है, कोई पदार्थ नहीं।

## 8.7 समस्या: बफ़र के रूप में रक्त

**समस्या 8.1.**

सप्ताहांत समस्या — किसी दौड़ के दौरान pH 7.40 पर पाँच लीटर रक्त: बाइकार्बोनेट, कार्बन डाइऑक्साइड, फेफड़े और गुर्दे, और अंत में किसी दिए गए लैक्टेट भार पर pH का खिसकाव

धमनी रक्त: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.40, बाइकार्बोनेट $[\mathrm{HCO_3^-}] =
24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$, घुली कार्बन डाइऑक्साइड $[\mathrm{CO_2}] =
1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ (जो उसके आंशिक दाब के समानुपाती है: $40\,\mathrm{mmHg}$ का आंशिक दाब $1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ देता है)। बाइकार्बोनेट तंत्र का प्रभावी p$K_a$ 6.1 है: $\mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}
\rightleftharpoons \mathrm{H^+} + \mathrm{HCO_3^-}$। रक्त का आयतन $5\,\mathrm{L}$। प्लाज़्मा प्रोटीन और हीमोग्लोबिन एक दूसरा [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) जोड़ते हैं जिसकी क्षमता प्रति लीटर प्रति [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) मात्रक $25\,\mathrm{mmol}$ $\mathrm{H^+}$ है। कोई दौड़ मिनट भर में $60\,\mathrm{mmol}$ लैक्टिक अम्ल (जो रक्त के [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) पर प्रबल अम्ल है) रक्त में छोड़ देती है।

**भाग I — विश्राम की अवस्था।**

1. बाइकार्बोनेट और कार्बन डाइऑक्साइड के मानों से धमनी रक्त का [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) जाँचिए।
2. [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.40 पर $[\mathrm{H^+}]$ नैनोमोल प्रति लीटर में निकालिए।
3. पूरे रक्त-आयतन में कितने मुक्त प्रोटॉन हैं? इसकी तुलना $120\,\mathrm{mmol}$ बाइकार्बोनेट से कीजिए।
4. बाइकार्बोनेट का घुली कार्बन डाइऑक्साइड से अनुपात निकालिए, और बफ़र-युग्म का वह भिन्न भी जो [क्षारक](#def-b1-water-small-molecules-ph) के रूप में मौजूद है।
5. शिरा रक्त में $\mathrm{CO_2}$ का आंशिक दाब $46\,\mathrm{mmHg}$ है और बाइकार्बोनेट $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ । उसका [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए।
6. 6.1 का p $K_a$ , जो रक्त के [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) से एक मात्रक से अधिक नीचे है, इस [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) के लिए शरीर में बाधा क्यों नहीं है, जबकि किसी फ़्लास्क में होता?

**भाग II — दौड़, बंद तंत्र।** पहले मान लीजिए कि कोई कार्बन डाइऑक्साइड बाहर नहीं जा सकती: बाइकार्बोनेट द्वारा लिया गया हर प्रोटॉन घुली $\mathrm{CO_2}$ बन जाता है।

7. रक्त में जोड़ी गई लैक्टिक अम्ल की सांद्रता निकालिए।
8. यदि सारा अम्ल बाइकार्बोनेट से [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) हो जाए तो नया बाइकार्बोनेट और नई घुली $\mathrm{CO_2}$ निकालिए।
9. परिणामी [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए।
10. वही अम्ल $5\,\mathrm{L}$ शुद्ध [जल](#def-b1-water-small-molecules-water) में जो [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) देता, वह निकालिए।
11. क्या बंद बाइकार्बोनेट तंत्र इस भार के लिए अच्छा [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) है? [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) के खिसकाव से इसे मात्रात्मक रूप में बताइए।
12. [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.40 और प्रश्न 9 के [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) के बीच $[\mathrm{H^+}]$ का परिवर्तन निकालिए, और जोड़े गए प्रोटॉनों का वह भिन्न भी जो विलयन में मुक्त रह जाता है।

**भाग III — दौड़, [विवृत तंत्र](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/1-the-organism-a-system-in-interaction-with-its-environment#def-b1-organism-environment-organism)।** अब फेफड़े अतिरिक्त को उड़ाकर घुली $\mathrm{CO_2}$ को $1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर थामे रखते हैं।

13. बाइकार्बोनेट को उसके नए मान पर और $\mathrm{CO_2}$ को $1.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर थामकर [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए।
14. उस मान को थामने के लिए फेफड़ों को, विश्राम के निर्गम से ऊपर, कितने मिलीमोल $\mathrm{CO_2}$ हटाने होंगे?
15. विश्राम का निर्गम प्रति मिनट $10\,\mathrm{mmol}$ $\mathrm{CO_2}$ है। अतिरिक्त हटाने के लिए मिनट भर के लिए संवातन कितने गुणक से बढ़ना चाहिए?
16. धावक और अधिक अतिश्वसन करता है और $\mathrm{CO_2}$ का आंशिक दाब $30\,\mathrm{mmHg}$ तक ले जाता है। नई घुली $\mathrm{CO_2}$ और [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए।
17. अब प्रोटीन [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) भी जोड़िए: $60\,\mathrm{mmol}$ प्रोटॉनों में से एक हिस्सा प्रोटीन लेते हैं, दोनों [बफ़रों](#def-b1-water-small-molecules-buffer) की क्षमताओं के अनुपात में। [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.4 के पास विवृत बाइकार्बोनेट तंत्र की क्षमता आँकिए (यानी प्रति लीटर वे मिलीमोल अम्ल जो [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) को एक मात्रक खिसकाते हैं, $\mathrm{CO_2}$ को नियत रखकर हेंडरसन–हासेलबाख़ से) और हर [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) के लिए प्रोटॉनों का हिस्सा भी।
18. दोनों [बफ़रों](#def-b1-water-small-molecules-buffer) के साथ दौड़ के बाद का [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) फिर से निकालिए।

**भाग IV — सुधार, और गुर्दा।**

19. अगले घंटे में यकृत लैक्टेट का ऑक्सीकरण कर देता है (और इस तरह अम्ल हट जाता है)। फेफड़ों के $\mathrm{CO_2}$ को अचर रखते हुए बाइकार्बोनेट और [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) का क्या होता है?
20. गुर्दे की विफलता वाला कोई रोगी दिन में $60\,\mathrm{mmol}$ अम्ल रोक लेता है और उसे उत्सर्जित नहीं कर पाता। प्रतिदिन बाइकार्बोनेट का पतन ( [विवृत तंत्र](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/1-the-organism-a-system-in-interaction-with-its-environment#def-b1-organism-environment-organism) ) निकालिए, और यदि बाइकार्बोनेट न बदला जाए तो तीन दिन बाद का [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) भी।
21. फेफड़े के रोग वाला कोई रोगी $\mathrm{CO_2}$ को $60\,\mathrm{mmHg}$ के आंशिक दाब पर रोक लेता है और उसका बाइकार्बोनेट $24\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ है। [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए। गुर्दे दिनों में बाइकार्बोनेट $33\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ तक बढ़ाकर अनुक्रिया करते हैं; तब का [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) निकालिए।
22. दो वाक्यों में समझाइए कि फेफड़े [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) को मिनटों में और गुर्दे दिनों में क्यों सुधारते हैं, और हेंडरसन–हासेलबाख़ के अनुपात में हर एक किसे नियंत्रित करता है।
23. गुर्दे एक दिन के $60\,\mathrm{mmol}$ अम्ल को [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 5 पर $1.5\,\mathrm{L}$ मूत्र में उत्सर्जित करते हैं। उस मूत्र में मुक्त प्रोटॉन निकालिए, और निष्कर्ष निकालिए कि अम्ल किस रूप में ढोया जाता है।
24. उल्टी से $100\,\mathrm{mmol}$ HCl चला जाता है। [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) के परिवर्तन की दिशा की भविष्यवाणी कीजिए और [विवृत तंत्र](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/1-the-organism-a-system-in-interaction-with-its-environment#def-b1-organism-environment-organism) के लिए उसे निकालिए।
25. परिणाम बताइए: $60\,\mathrm{mmol}$ लैक्टेट भार पर रक्त के [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) का खिसकाव — बंद तंत्र में, अकेले बाइकार्बोनेट वाले [विवृत तंत्र](https://one-course.com/books/biology/3/hi/chapter/1-the-organism-a-system-in-interaction-with-its-environment#def-b1-organism-environment-organism) में, और प्रोटीन [बफ़र](#def-b1-water-small-molecules-buffer) जोड़ने पर।

**हल — समस्या 8.1.**

**1.** $6.1 + \log(24/1.2) = 6.1 + 1.301 = 7.40$। **2.** $10^{-7.4} = 4.0 \times 10^{-8}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} = 40\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$। **3.** $40\times 5 = 200\,\mathrm{nmol}$, यानी बाइकार्बोनेट से छह लाख गुना कम। **4.** $\mathrm{CO_2} = 1.2\times 46/40 = 1.38\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(25/1.38) = 6.1 + 1.258 = 7.36$। **5.** किसी फ्लास्क में $20:1$ का अनुपात क्षार सोखने के लिए बहुत कम अम्ल-साथी छोड़ता है, और p$K_a$ से एक इकाई दूर क्षमता नीची रहती है; शरीर में अम्ल-साथी एक गैस है जिसकी सांद्रता फेफड़े तय करते हैं और बिना सीमा फिर से बना सकते हैं, इसलिए वह अनुपात p$K_a$ की परवाह किए बिना संवातन से फिर बैठाया जा सकता है। **6.** $24/1.2 = 20$; क्षार जोड़ी का $20/21 = 95\,\%$ है। **7.** $60/5 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$। **8.** बाइकार्बोनेट $24 - 12 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; $\mathrm{CO_2}$ $1.2 + 12 = 13.2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$। **9.** [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(12/13.2) = 6.1 - 0.04 = 6.06$। **10.** $[\mathrm{H^+}] = 0.012\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $1.92$। **11.** $1.34$ इकाइयों की खिसकन: वह रक्त को [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 1.9 से बचा लेता है पर 6.06 उससे बहुत नीचे है जितना कोई एंजाइम सह सके। किसी संवृत निकाय के रूप में, खराब। **12.** $[\mathrm{H^+}]$ $40\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ से चढ़कर $10^{-6.06} = 870\,\mathrm{nmol}/\mathrm{L}$ हो जाता है: यानी जोड़े गए $12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ के लिए $0.83\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ की बढ़त, यानी $14\,000$ में एक प्रोटॉन मुक्त रह जाता है; बाकी बाइकार्बोनेट पर हैं। **13.** [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(12/1.2) = 6.1 + 1.0 = 7.10$। **14.** बनी $\mathrm{CO_2}$: $12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}\times
5\,\mathrm{L} = 60\,\mathrm{mmol}$। **15.** $10\,\mathrm{mmol}$ के ऊपर एक मिनट में $60\,\mathrm{mmol}$: यानी सात गुना। **16.** $\mathrm{CO_2} = 0.9\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 +
\log(12/0.9) = 6.1 + 1.125 = 7.22$। **17.** 7.4 के पास विवृत बाइकार्बोनेट: [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) एक इकाई तब बदलता है जब बाइकार्बोनेट दस गुना गिरे, $24\,$ से $2.4\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ तक, यानी प्रति इकाई $21.6\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ अम्ल; पर पहली इकाइयों भर स्थानीय ढाल $2.3\times[\mathrm{HCO_3^-}] =
55\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ प्रति इकाई है। प्रोटीनों के $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ प्रति इकाई के सामने, बाइकार्बोनेट प्रोटॉनों का लगभग $55/80 = 69\,\%$ लेता है, और प्रोटीन $31\,\%$। **18.** बाइकार्बोनेट $0.69\times 12 = 8.3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ लेता है: $24 - 8.3 = 15.7\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(15.7/1.2) = 6.1 +
1.117 = 7.22$ (प्रोटीनों का हिस्सा $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ प्रति इकाई $\times 0.18$ इकाई $= 4.5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ के अनुकूल, जो उनके $3.7\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ के पास है)। **19.** अम्ल हटाने से वह बाइकार्बोनेट फिर बन जाता है जो खर्च हुआ था ($12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ से वापस $24\,$) और, $\mathrm{CO_2}$ थामे रखने पर, [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7.40 पर लौट आता है। **20.** प्रति दिन $60/5 = 12\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ बाइकार्बोनेट खोता है; तीन दिन बाद $24 - 36 < 0$: बाइकार्बोनेट चुक जाता है और [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 7 से कहीं नीचे ढह जाता है — व्यवहार में रोगी को बाइकार्बोनेट देना या अपोहन करना ही पड़ता है; और अकेले एक दिन बाद, $6.1 + \log(12/1.2) =
7.10$। **21.** $\mathrm{CO_2} = 1.2\times 60/40 = 1.8\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(24/1.8) = 6.1 + 1.125 = 7.22$। $33\,$ पर बाइकार्बोनेट के साथ: $6.1 + \log(33/1.8) = 6.1 + 1.263 = 7.36$। **22.** फेफड़े कुछ ही साँसों में हर बदल देते हैं (घुली $\mathrm{CO_2}$), क्योंकि वह एक गैस है जिसे वे बाहर छोड़ते हैं; और वृक्क अंश बदलते हैं (बाइकार्बोनेट), अम्ल उत्सर्जित करके और बाइकार्बोनेट फिर से बनाकर, जो घंटों से दिनों की प्रक्रिया है। **23.** [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) 5 पर, $[\mathrm{H^+}] = 10\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$: यानी $1.5\,\mathrm{L}$ में $15\,\text{µ}\mathrm{mol}$ मुक्त, जो $60\,\mathrm{mmol}$ का चार-हज़ारवाँ भाग है; अम्ल प्रतिरोधकों से बँधकर निकलता है — अमोनियम के रूप में और डाइहाइड्रोजन फ़ॉस्फ़ेट के रूप में। **24.** अम्ल खोने से [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) चढ़ता है: बाइकार्बोनेट $100/5 = 20\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ चढ़कर $44\,$ हो जाता है; [pH](#def-b1-water-small-molecules-ph) $= 6.1 + \log(44/1.2) =
6.1 + 1.564 = 7.66$ (क्षारमयता), इससे पहले कि फेफड़े और वृक्क भरपाई करें। **25.** संवृत: 7.40 से 6.06 तक, यानी $-1.34$ की खिसकन। विवृत, अकेले बाइकार्बोनेट से: 7.10 तक, यानी $-0.30$ की खिसकन। प्रोटीनों के साथ विवृत: 7.22 तक, यानी $-0.18$ की खिसकन।