विश्वविद्यालय जीवविज्ञान — वर्ष 1 · Bachelor Year 1

9लिपिड

मरुस्थल पार करता कोई ऊँट अपने कूबड़ में तीस किलोग्राम वसा ढोता है और वहाँ जल बिलकुल नहीं; $4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की किसी पहाड़ी धारा की ट्राउट की झिल्लियाँ उतनी ही तरल हैं जितनी किसी गरम तालाब की कार्प की; और जल में हिलाई गई ज़ैतून के तेल की एक बूँद बूँदों के बादल में बिखर जाती है जो, छोड़ दिए जाने पर, फिर एक हो जाती हैं। तीनों में लिपिड काम पर हैं: वह सबसे सघन रासायनिक ऊर्जा-भंडार जो कोई जीव ढो सकता है, वह झिल्ली जो हर कोशिका और हर कोशिकांग की सीमा बनाती है, और अणुओं का वह वर्ग जिसे जल घोलने से इनकार कर देता है। यह अध्याय वसा अम्लों और उनसे बनी वसाओं का, उन उभयरागी लिपिडों का जो झिल्लियों में जुड़ जाते हैं, इस बात का कि झिल्ली को अधिक या कम तरल क्या बनाता है, और उन दूसरे लिपिडों का — स्टेरॉल, वर्णक, हॉर्मोन — वर्णन करता है जो कुछ कार्बन वलयों और शृंखलाओं में सजकर बन सकते हैं।

9.1 वसा अम्ल

परिभाषा 9.1 (लिपिड, वसा अम्ल)

लिपिड वे जैविक अणु हैं जिनकी परिभाषा किसी साझा संरचना से नहीं बल्कि किसी साझा गुण से होती है: वे जल में अघुलनशील हैं और अध्रुवीय विलायकों में घुलनशील। अधिकांश वसा अम्लों पर बने हैं: यानी ऐसे कार्बोक्सिलिक अम्ल जिनकी हाइड्रोकार्बन शृंखला अशाखित है और $12\text{ to }24\,$ कार्बनों की, और लगभग सदा सम संख्या में (वे एक बार में दो कार्बन जोड़कर बनाए जाते हैं, अध्याय 16)। किसी संतृप्त वसा अम्ल में केवल एकल बंध होते हैं और शृंखला सीधी तथा लचीली होती है; किसी असंतृप्त में एक या अधिक द्विबंध होते हैं, सिस विन्यास में, और हर एक शृंखला में लगभग $30^\circ$ का कड़ा मोड़ डाल देता है। संकेतन: C18:1 $\Delta^9$ वह 18-कार्बन अम्ल है जिसमें कार्बन 9 के बाद एक द्विबंध है (ओलेइक अम्ल); और किसी ओमेगा-3 अम्ल का अंतिम द्विबंध मेथिल सिरे से तीन कार्बन दूर होता है।

18 कार्बन वाले दो वसा अम्ल। संतृप्त शृंखला सीधी है और अपने पड़ोसियों से सटकर जमती है; ओलेइक अम्ल का सिस द्विबंध शृंखला को मोड़ देता है और पड़ोसियों को दूर रखता है, और इसीलिए ओलेइक अम्ल कमरे के ताप पर द्रव है और स्टिऐरिक अम्ल ठोस। — 18 कार्बन वाले दो वसा अम्ल। संतृप्त शृंखला सीधी है और अपने पड़ोसियों से सटकर जमती है; ओलेइक अम्ल का *सिस* द्विबंध शृंखला को मोड़ देता है और पड़ोसियों को दूर रखता है, और इसीलिए ओलेइक अम्ल कमरे के ताप पर द्रव है और स्टिऐरिक अम्ल ठोस।

प्रतिज्ञप्ति 9.2 (गलनांक)

किसी वसा अम्ल का गलनांक, और उससे बने किसी भी लिपिड-संयोजन की तरलता, इससे तय होती है कि शृंखलाएँ कितनी पास-पास जम सकती हैं: वह शृंखला की लंबाई के साथ बढ़ता है (C12:0 के लिए $44\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , C16:0 के लिए $63\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , C18:0 के लिए $70\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) और हर सिस द्विबंध के साथ तेज़ी से गिरता है (C18:0 $70\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , C18:1 $13\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , C18:2 $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , C18:3 $-11\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ )। जंतु वसाएँ, जो संतृप्त अम्लों से समृद्ध हैं, कमरे के ताप पर ठोस होती हैं; और पादप तथा मछली के तेल, जो असंतृप्त अम्लों से समृद्ध हैं, द्रव।

उपपत्ति. सीधी शृंखलाएँ अगल-बगल लेटती हैं और हर $\mathrm{CH_2}$ अपने पड़ोसियों से वान डर वाल्स संपर्क बनाता है, जिनमें से हर एक कुछ किलोजूल प्रति मोल का है और जो शृंखला भर जुड़ते जाते हैं: अधिक कार्बन, अधिक संपर्क, और उन्हें अलग करने को अधिक ऊष्मा। कोई मोड़ हर ओर कई कार्बनों तक निकट संपर्क रोक देता है और एक साथ अनेक संपर्क हटा देता है। ∎

9.2 वसाएँ: ऊर्जा का भंडार

परिभाषा 9.3 (ट्राइग्लिसराइड)

ट्राइग्लिसराइड (ट्राइऐसिलग्लिसरॉल, ठोस होने पर वसा, द्रव होने पर तेल) ग्लिसरॉल है — यानी तीन कार्बन का कोई ऐल्कोहॉल — जिसके तीनों हाइड्रॉक्सिलों का तीन वसा अम्लों से एस्टरीकरण हो चुका है। उस पर न कोई आवेश है न कोई ध्रुवीय समूह बचा है: वह पूरी तरह जलविरागी है, और वसाकोशिकाओं में निर्जल बूँदों के रूप में संचित रहता है, यानी वसा ऊतक की उन कोशिकाओं में जो वसा की एक बूँद और एक ओर ठेले गए केंद्रक से कुछ अधिक नहीं हैं।

श्वेत वसा ऊतक: हर कोशिका ट्राइग्लिसराइड की एक बूँद है, 100\, µ m तक चौड़ी, जिसका कोशिकाद्रव्य और केंद्रक एक पतली मेंड़ में दबे हैं। कोशिकाओं के बीच केशिकाएँ चलती हैं जो वसा अम्ल पहुँचाती और इकट्ठा करती हैं। — श्वेत वसा ऊतक: हर कोशिका ट्राइग्लिसराइड की एक बूँद है, $100\,\text{µ}\mathrm{m}$ तक चौड़ी, जिसका कोशिकाद्रव्य और केंद्रक एक पतली मेंड़ में दबे हैं। कोशिकाओं के बीच केशिकाएँ चलती हैं जो वसा अम्ल पहुँचाती और इकट्ठा करती हैं।

प्रतिज्ञप्ति 9.4 (वसा सबसे सघन ऊर्जा-भंडार है)

$1\,\mathrm{g}$ वसा का ऑक्सीकरण $38\,\mathrm{kJ}$ छोड़ता है, जबकि $1\,\mathrm{g}$ कार्बोहाइड्रेट या प्रोटीन $17\,\mathrm{kJ}$ : किसी वसा अम्ल के कार्बन अधिक अपचयित होते हैं (अधिक C–H बंध, कम C–O) और इसलिए ऑक्सीजन को अधिक इलेक्ट्रॉन देते हैं। इसके अलावा वसा सूखी संचित होती है, जबकि ग्लाइकोजन प्रति ग्राम लगभग $3\,\mathrm{g}$ जल बाँधता है: $1\,\mathrm{g}$ संचित ग्लाइकोजन प्रति ग्राम संचित द्रव्यमान $4\,\mathrm{kJ}$ देता है, और वसा नौ गुना अधिक। कोई दुबला मनुष्य $0.5\,\mathrm{kg}$ ग्लाइकोजन (एक दिन की ऊर्जा) और $12\,\mathrm{kg}$ वसा (एक महीने से अधिक) ढोता है।

उदाहरण 9.5 (सब कुछ वसा के रूप में क्यों न संचित करें)

वसा केवल ऑक्सीजन के साथ, धीरे-धीरे जलाई जा सकती है, और जंतुओं में उसे वापस ग्लूकोज़ में नहीं बदला जा सकता (अध्याय 16); मस्तिष्क और लाल कोशिकाओं को ग्लूकोज़ चाहिए, और दौड़ती पेशी को वह उससे तेज़ चाहिए जितना वसा दे सकती है। ग्लाइकोजन घंटों के लिए तेज़, ऑक्सीजन-मुक्त ग्लूकोज़ भंडार है; और वसा हफ़्तों के लिए सघन भंडार। कोई प्रवासी पक्षी, कोई शीतनिद्रा में पड़ा छछूँदर और कोई ऊँट वसा हैं; किसी धावक की टाँगें ग्लाइकोजन।

परिभाषा 9.6 (मोम)

मोम किसी वसा अम्ल और किसी लंबी-शृंखला ऐल्कोहॉल के एस्टर हैं: ठोस, पूरी तरह जलविरागी, और लेप के रूप में काम आते हैं — पत्तियों की उपचर्म (अध्याय 3), कीटों की सतह, पंखों और रोमों का जलरोधन, और मधुमक्खियों का छत्ता।

9.3 झिल्ली-लिपिड और स्वयं-संयोजन

परिभाषा 9.7 (उभयरागी लिपिड)

झिल्लियों के लिपिड उभयरागी होते हैं: एक ध्रुवीय सिर जिसे जल विलेयित करता है और एक या दो अध्रुवीय पूँछें जिन्हें वह बाहर करता है। ग्लिसरोफ़ॉस्फ़ोलिपिड ग्लिसरॉल हैं जो दो वसा अम्ल धारण करते हैं और, तीसरे कार्बन पर, किसी छोटे ध्रुवीय ऐल्कोहॉल (कोलीन, एथेनोलामीन, सेरीन, इनोसिटॉल) से जुड़ा एक फ़ॉस्फ़ेट: फ़ॉस्फ़ेटिडिल-कोलीन जंतु झिल्लियों का सबसे आम लिपिड है। स्फ़िंगोलिपिड ग्लिसरॉल के बजाय ऐमीनो-ऐल्कोहॉल स्फ़िंगोसिन पर बने हैं, जिनमें एक वसा अम्ल है और सिर फ़ॉस्फ़ोकोलीन (स्फ़िंगोमाइलिन) या शर्कराओं (ग्लाइकोलिपिड) का, और वे बाहरी पर्ण में तथा तंत्रिका आवरणों में समृद्ध होते हैं। स्टेरॉल — जंतुओं में कोलेस्टेरॉल और पौधों तथा कवकों में उससे जुड़े स्टेरॉल — चार वलयों वाले कड़े अणु हैं जिनका सिर एक ही हाइड्रॉक्सिल है, और जो दूसरे लिपिडों की पूँछों के बीच लेटे रहते हैं।

प्रतिज्ञप्ति 9.8 (स्वयं-संयोजन)

जल में उभयरागी अणु स्वतःस्फूर्त रूप से इस तरह जुड़ते हैं कि अपनी पूँछें छिपा लें और अपने सिर उघाड़ रखें। संरचना अणु की आकृति तय करती है: शंकु जैसी आकृति के एकपुच्छी लिपिड (वसा अम्ल, अपमार्जक) मिसेल बनाते हैं — यानी कुछ नैनोमीटर चौड़े गोले जिनके भीतर पूँछें हैं; और बेलन जैसी आकृति के द्विपुच्छी फ़ॉस्फ़ोलिपिड द्विस्तर बनाते हैं, जो कोई किनारा उघाड़ा न छूटे इसलिए अपने ही ऊपर मुड़कर लिपोसोम (पुटिकाएँ) बन जाते हैं। इस संयोजन को जलविरागी प्रभाव चलाता है (अध्याय 8): इसमें ऊर्जा नहीं लगती और कोई एंजाइम नहीं चाहिए, और कोई फटा द्विस्तर अपने आप फिर सील हो जाता है। झिल्लियाँ स्वयं भरने वाली चादरें हैं जो नए लिपिड घुसाकर बढ़ती हैं और कभी शून्य से नहीं बनतीं: हर झिल्ली किसी झिल्ली से आती है।

साक्ष्य. जल में फैलाया गया सूखा फ़ॉस्फ़ोलिपिड ऐसी बंद पुटिकाएँ बनाता है जिनकी द्विस्तरीय भित्तियाँ इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में दिखती हैं (बैंघम, 1965); आयनों और जल के लिए उनकी पारगम्यता कोशिका झिल्लियों की पारगम्यता से मेल खाती है, और उन्हें दवाओं से भरा तथा कोशिकाओं से जोड़ा जा सकता है। कोई अपमार्जक (एकपुच्छी, शंकु जैसा) मिलाने पर द्विस्तर घुलकर मिश्रित मिसेल बन जाता है; और उसे डायलिसिस से हटाने पर द्विस्तर फिर बन जाता है। ∎

जल में उभयरागी लिपिडों के तीन संयोजन। शंकु जैसे एकपुच्छी अणु मिसेलों में जमते हैं; बेलनाकार द्विपुच्छी फ़ॉस्फ़ोलिपिड एक द्विस्तर बनाते हैं, जो अपने किनारे छिपाने के लिए किसी पुटिका में मुड़ जाता है।

जल में हिलाया गया तेल: बूँदों का एक बादल जो मिनटों में फिर मिल जाएगा, जब तक कोई उभयरागी — कोई अपमार्जक, कोई पित्त लवण, कोई फ़ॉस्फ़ोलिपिड — उन्हें लेप न दे। पायसीकरण वही है जो आँत आहारी वसा के साथ करती है, इससे पहले कि उसके एंजाइम उस तक पहुँच सकें।

उदाहरण 9.9 (पित्त लवण)

आहारी वसा आँत में तेल के रूप में पहुँचती है; और जो लाइपेज़ उसे पचाता है वह केवल तेल–जल अंतरापृष्ठ पर काम करता है। पित्त लवण, जो कोलेस्टेरॉल के उभयरागी व्युत्पन्न हैं, उस वसा को एक माइक्रोमीटर चौड़ी बूँदों में लेप देते हैं और अंतरापृष्ठ को एक हज़ार गुना कर देते हैं, और फिर मुक्त हुए वसा अम्लों को मिसेलों में अवशोषक कोशिकाओं तक ले जाते हैं (अध्याय 22)। यही चाल साबुन भी चलता है।

9.4 झिल्ली की तरलता

परिभाषा 9.10 (तरलता, प्रावस्था संक्रमण)

किसी लिपिड द्विस्तर का एक प्रावस्था संक्रमण ताप $T_m$ होता है: उससे नीचे शृंखलाएँ किसी सुव्यवस्थित, जेल जैसी अवस्था में जमी रहती हैं जिसमें लिपिड मुश्किल से चलते हैं; और उससे ऊपर वे अव्यवस्थित हो जाती हैं और द्विस्तर एक द्विविमीय तरल बन जाता है जिसमें कोई लिपिड प्रति सेकंड दस लाख बार अपने पड़ोसी से जगह बदलता है और झिल्ली के तल में $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{s}$ से चलता है। कोशिकाएँ अपनी झिल्लियाँ $T_m$ से ऊपर रखती हैं: तरलता प्रोटीनों को विसरित और घूमने देती है, पुटिकाओं को निकलने और जुड़ने, और द्विस्तर को फिर सील होने।

प्रतिज्ञप्ति 9.11 (तरलता किससे तय होती है)

$T_m$ शृंखलाओं की लंबाई के साथ बढ़ता है और उनकी असंतृप्तता के साथ घटता है, जैसा मुक्त वसा अम्लों के लिए होता है; C18:0 शृंखलाओं का कोई द्विस्तर $55\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर पिघलता है और C18:1 शृंखलाओं का $-20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर। पूँछों के बीच घुसा कोलेस्टेरॉल दोहरा असर करता है: $T_m$ से ऊपर उसके कड़े वलय शृंखलाओं की गति रोकते हैं और झिल्ली को कड़ा करते हैं; और $T_m$ से नीचे वे शृंखलाओं को जमने से रोकते हैं और उसे जमने नहीं देते। वह संक्रमण को चौड़ा करके एक क्रमिक परिवर्तन बना देता है और ताप के एक विस्तृत परास में तरलता को लगभग अचर रखता है — यानी तरलता का एक बफ़र। जंतुओं की प्लाज़्मा झिल्लियों में हर फ़ॉस्फ़ोलिपिड पर एक तक कोलेस्टेरॉल होता है।

तीन द्विस्तरों के लिए ताप के सापेक्ष तरलता। संतृप्त शृंखलाएँ 40\, C के पास तेज़ी से जम जाती हैं; प्रति लिपिड एक द्विबंध संक्रमण को शून्य से नीचे उतार देता है; और कोलेस्टेरॉल संक्रमण को एक कोमल ढलान में बदल देता है, जिससे झिल्ली शरीरक्रियात्मक परास भर न ठोस रहती है न बहुत तरल। — तीन द्विस्तरों के लिए ताप के सापेक्ष तरलता। संतृप्त शृंखलाएँ $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ के पास तेज़ी से जम जाती हैं; प्रति लिपिड एक द्विबंध संक्रमण को शून्य से नीचे उतार देता है; और कोलेस्टेरॉल संक्रमण को एक कोमल ढलान में बदल देता है, जिससे झिल्ली शरीरक्रियात्मक परास भर न ठोस रहती है न बहुत तरल।

प्रतिज्ञप्ति 9.12 (समश्यानता अनुकूलन)

जो जीव अपना ताप नियंत्रित नहीं कर सकते वे तरलता अचर रखने के लिए अपनी झिल्लियों का संघटन समायोजित करते हैं: ताप गिरने पर वे संतृप्त की जगह असंतृप्त वसा अम्ल और लंबी शृंखलाओं की जगह छोटी शृंखलाएँ रख लेते हैं, और ताप बढ़ने पर उल्टा।

साक्ष्य. $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर उगाई गई E. coli में असंतृप्त वसा अम्लों का अनुपात $40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर उगाई गई उसी नस्ल से दुगुना होता है, और दोनों संवर्धनों की झिल्लियाँ, किसी प्रोब की गतिशीलता से मापने पर, अपने-अपने वृद्धि-तापों पर बराबर तरल हैं। $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की अभ्यस्त ट्राउट अपने झिल्ली-लिपिडों में $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की ट्राउट से अधिक बहुअसंतृप्त अम्ल ढोती हैं; और बर्फ़ के पास रहने वाली बारहसिंगे की टाँगों की वसा उसके धड़ की वसा से अधिक असंतृप्त होती है। पाला सह लेने वाले पौधे शरद ऋतु में अपनी झिल्लियों को असंतृप्त लिपिडों से समृद्ध कर लेते हैं, और जो उत्परिवर्ती ऐसा नहीं कर पाते वे ठंड पड़ते ही मर जाते हैं। ∎

उदाहरण 9.13 (मक्खन, ज़ैतून का तेल, मछली का तेल)

मक्खन ( $65\,\%$ संतृप्त) रेफ़्रिजरेटर में ठोस और कमरे के ताप पर नरम रहता है; ज़ैतून का तेल ( $75\,\%$ ओलेइक अम्ल) कमरे के ताप पर द्रव रहता है और रेफ़्रिजरेटर में धुँधला हो जाता है; और मछली का तेल, जो पाँच तथा छह द्विबंधों वाले ओमेगा-3 अम्लों से समृद्ध है, $-20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर भी द्रव रहता है, और उत्तरी अटलांटिक में किसी कॉड की झिल्लियों को यही चाहिए।

9.5 स्टेरॉल, वर्णक और संकेत

परिभाषा 9.14 (स्टेरॉइड, आइसोप्रीनॉइड)

स्टेरॉइड कोलेस्टेरॉल के चार संगलित वलय साझा करते हैं: स्वयं कोलेस्टेरॉल (झिल्लियाँ, और बाक़ी सबका पूर्ववर्ती), पित्त लवण, विटामिन D, और स्टेरॉइड हॉर्मोन — कोर्टिसोल, ऐल्डोस्टेरोन, लिंग हॉर्मोन — यानी छोटे, जलविरागी अणु जो झिल्लियाँ स्वतंत्र रूप से पार करते हैं और कोशिका के भीतर के ग्राहियों पर क्रिया करते हैं। आइसोप्रीनॉइड (टर्पीन) पाँच-कार्बन आइसोप्रीन इकाइयों की शृंखलाएँ और वलय हैं: वे कैरोटिनॉइड जो गाजर को रंग देते हैं और हरितलवकों की रक्षा करते हैं (अध्याय 14), पर्णहरित की पार्श्व शृंखला, इलेक्ट्रॉन-अभिगमन शृंखलाओं के क्विनोन, रबर, और वसा-घुलनशील विटामिन A, E तथा K।

प्रतिज्ञप्ति 9.15 (लिपिड क्या करते हैं)

ऊर्जा-संचय (ट्राइग्लिसराइड); झिल्लियाँ (फ़ॉस्फ़ोलिपिड, स्फ़िंगोलिपिड, स्टेरॉल); कुचालकता और जलरोधन (वसा, मोम); प्रकाश का अवशोषण तथा रक्षा (कैरोटिनॉइड); इलेक्ट्रॉन-वहन (क्विनोन); कोशिकाओं के बीच संकेतन (स्टेरॉइड हॉर्मोन, प्रोस्टाग्लैंडिन) और उनके भीतर संकेतन (इनोसिटॉल फ़ॉस्फ़ोलिपिड, डाइऐसिलग्लिसरॉल); विटामिन। एक ही गुण — जल में अघुलनशीलता — इन सबके नीचे है: कोई लिपिड वहीं रहता है जहाँ उसे रखा जाए, किसी बूँद, किसी झिल्ली या किसी परत में, या फिर बिना किसी वाहक के कोई झिल्ली पार कर जाता है।

उदाहरण 9.16 (वह हॉर्मोन जिसे सतह पर ग्राही नहीं चाहिए)

अधिवृक्क ग्रंथि से स्रावित कोर्टिसोल रक्त में किसी वाहक प्रोटीन से बँधा चलता है, किसी लक्ष्य कोशिका पर उसे छोड़ देता है, सेकंडों में प्लाज़्मा झिल्ली से घुलकर पार हो जाता है, और कोशिकाद्रव के किसी ग्राही से बँधता है जो फिर केंद्रक में घुसकर जीन चालू कर देता है (अध्याय 20)। इंसुलिन जैसा कोई प्रोटीन हॉर्मोन, जो जल-घुलनशील है और पार करने के लिए बहुत बड़ा, बाहर किसी ग्राही से बँधकर अपना संदेश भीतर पहुँचवाना पड़ता है। संदेशवाहक का रसायन ही संदेश का रास्ता तय करता है।

9.6 अभ्यास

अभ्यास 9.1 ★

लिपिड की परिभाषा दीजिए और समझाइए कि यह परिभाषा संरचना के बजाय गुण से क्यों होती है।

हल

हल — अभ्यास 9.1.

कोई लिपिड ऐसा जैविक अणु है जो जल में अविलेय और अध्रुवी विलायकों में विलेय है। वसाएँ, फ़ॉस्फ़ोलिपिड, स्टेरॉल और कैरोटिनॉइड कोई साझा कंकाल नहीं बाँटते, केवल जल के प्रति यही बरताव, और यही उन्हें उनकी साझी भूमिकाएँ देता है (भंडार, फ़िल्म, झिल्लियाँ)।

अभ्यास 9.2 ★

लिनोलेइक अम्ल (18 कार्बन, कार्बन 9 और 12 के बाद द्विबंध) का संकेतन लिखिए और बताइए कि वह ओमेगा-3 अम्ल है या ओमेगा-6।

हल

हल — अभ्यास 9.2.

C18:2 $\Delta^{9,12}$ । आखिरी द्विबंध कार्बॉक्सिल से गिनते हुए कार्बन 12 पर शुरू होता है, यानी मेथिल सिरे से कार्बन 6 पर: ओमेगा-6.

अभ्यास 9.3 ★

कोई ट्राइग्लिसराइड बूँदें और कोई फ़ॉस्फ़ोलिपिड द्विस्तर क्यों बनाता है? इसके लिए कौन-सा संरचनात्मक भेद ज़िम्मेदार है?

हल

हल — अभ्यास 9.3.

किसी ट्राइग्लिसराइड का कोई ध्रुवी शीर्ष नहीं होता: पूरी तरह जलविरोधी होने से वह जल से एक थोक प्रावस्था के रूप में, यानी एक बूँद के रूप में बाहर कर दिया जाता है। कोई फ़ॉस्फ़ोलिपिड उभयरागी है: उसके ध्रुवी शीर्ष को जल में रहना ही है जबकि उसकी पूँछों को उसे छोड़ना ही है, और यह केवल दो अणु मोटी कोई चादर ही पूरा कर सकती है।

अभ्यास 9.4 ★

तरलता वाले आलेख से बताइए कि तीनों द्विस्तरों में से हर एक अपने संक्रमण के आधे रास्ते किस ताप पर है। $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर रहते किसी जीवाणु में आप किसकी अपेक्षा करेंगे?

हल

हल — अभ्यास 9.4.

लगभग $41\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , $-5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ और $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ (कोलेस्टेरॉल के वक्र में कोई तीखा संक्रमण नहीं है; उसकी आधी चढ़ाई $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ के पास है)। $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर किसी बैक्टीरियम को असंतृप्त संघटन चाहिए, जो उसके वृद्धि-ताप से बहुत नीचे तक तरल रहे।

अभ्यास 9.5 ★★

कोई व्यक्ति $15\,\mathrm{kg}$ वसा संचित करता है। उसमें रखी ऊर्जा निकालिए, वे दिन भी जितने वह $8\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ के विश्राम-व्यय को चला सकती है, और उतनी ही ऊर्जा रखने वाले जलयोजित ग्लाइकोजन का द्रव्यमान भी।

हल

हल — अभ्यास 9.5.

$15\,000\times 38 = 570\,\mathrm{MJ}$ ; $570/8 = 71$ दिन। ग्लाइकोजन: शुष्क $570\,000/17 = 33.5\,\mathrm{kg}$ , जलयोजित $134\,\mathrm{kg}$ ।

अभ्यास 9.6 ★★

गलनांक के क्रम में रखिए: C14:0, C18:0, C18:1, C18:3, C22:0, और क्रम के हर पग का औचित्य दीजिए।

हल

हल — अभ्यास 9.6.

C22:0 $>$ C18:0 $>$ C14:0 $>$ C18:1 $>$ C18:3. संतृप्त अम्लों में लंबी शृंखलाएँ अधिक वान डर वाल्स संपर्क बनाती हैं; एक सिस द्विबंध जितना जमाव हटाता है उतना चार अतिरिक्त कार्बन नहीं जोड़ते (C18:1 का गलनांक C14:0 से नीचे है); और हर आगे का बंध उसे फिर नीचे ले जाता है।

अभ्यास 9.7 ★★

किसी लाल रक्त कोशिका की सतह $140\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ है; कोई फ़ॉस्फ़ोलिपिड सिर $0.6\,\mathrm{nm}^{2}$ घेरता है। झिल्ली (दोनों पर्ण) में फ़ॉस्फ़ोलिपिड अणुओं की संख्या निकालिए और, $750\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ पर, पिकोग्राम में उनका कुल द्रव्यमान भी।

हल

हल — अभ्यास 9.7.

$2\times140\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}/0.6\,\mathrm{nm}^{2} = 2\times 1.4\times 10^{-10}/6\times 10^{-19} = 4.7 \times 10^{8}$ अणु; द्रव्यमान $4.7 \times 10^{8}\times 750/6 \times 10^{23} = 5.8 \times 10^{-13}\,\mathrm{g} = 0.58\,\mathrm{pg}$ ।

अभ्यास 9.8 ★★

$1\,\mathrm{g}$ ज़ैतून का तेल (घनत्व $0.9\,\mathrm{g}/\mathrm{mL}$ ) $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ व्यास की बूँदों में पायसीकृत किया जाता है। कुल अंतरापृष्ठ क्षेत्रफल निकालिए। एक ही बूँद के लिए वही दोहराइए। अग्न्याशयी लाइपेज़ को पायस क्यों चाहिए?

हल

हल — अभ्यास 9.8.

आयतन $1.11\,\mathrm{mL}$ $= 1.11 \times 10^{-6}\,\mathrm{m}^{3}$ ; गोलों का पृष्ठ $= 6V/d = 6\times 1.11\times 10^{-6}/10^{-6} = 6.7\,\mathrm{m}^{2}$ । उतने ही आयतन की एक बूँद: $d = 1.28\,\mathrm{cm}$ , पृष्ठ $5.2\,\mathrm{cm}^{2}$ : यानी पायस में तेरह हज़ार गुना अधिक अंतरापृष्ठ है। लाइपेस जल में विलेय है और केवल अंतरापृष्ठ पर काम करती है; दर उसी के अनुपात में है।

अभ्यास 9.9 ★★

झिल्ली की तरलता पर कोलेस्टेरॉल के दोनों विपरीत प्रभाव समझाइए और यह भी कि कोलेस्टेरॉल वाली झिल्ली में कोई तीखा संक्रमण क्यों नहीं होता।

हल

हल — अभ्यास 9.9.

$T_m$ से ऊपर उसके कठोर वलय पड़ोसी शृंखलाओं की गति में बाधा डालते हैं और तरलता घटाते हैं; $T_m$ से नीचे उसका भारीपन शृंखलाओं को क्रमबद्ध जेल में जमने नहीं देता और जमने से रोकता है। कोई सहकारी जमाव संभव न होने से ऐसा कोई तापमान नहीं रहता जिस पर समूचा द्विस्तर एक साथ अवस्था बदले: संक्रमण फैल जाता है।

अभ्यास 9.10 ★★★

कोई उत्परिवर्ती पौधा असंतृप्त वसा अम्ल नहीं बना सकता। $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ और $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर उसकी झिल्लियों की भविष्यवाणी कीजिए, यह भी कि किसी ठंडी रात में उसकी कोशिकाओं का क्या होता है, और यह भी कि जंगली प्ररूप क्यों बच जाता है।

हल

हल — अभ्यास 9.10.

सब संतृप्त शृंखलाएँ: $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर झिल्लियाँ पहले ही अपने संक्रमण के पास और अकड़ी हैं; $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर वे जेल बन जाती हैं। जेल बनी झिल्लियाँ प्रोटीनों को काम करना बंद करा देती हैं और, फिर गरम होने पर या यांत्रिक प्रतिबल पर, चटककर रिसती हैं: कोशिकाएँ अपनी सामग्री खो देती हैं और ऊतक मर जाता है (शीत-क्षति)। वन्य प्ररूप शरद में अपने लिपिड असंतृप्त कर लेता है और $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर तरल बना रहता है।

अभ्यास 9.11 ★★★

वसा प्रति ग्राम ऑक्सीकरण पर $1.07\,\mathrm{g}$ जल देती है (ग्लाइकोजन $0.56\,\mathrm{g}$ , प्रोटीन $0.4\,\mathrm{g}$ )। $1\,\mathrm{kg}$ वसा का ऑक्सीकरण करते किसी ऊँट से बना जल निकालिए। उसके लिए चाहिए ऑक्सीजन प्रति ग्राम वसा $2\,\mathrm{L}$ है; और सूखी मरुस्थली हवा में उसे साँस से लेने पर, $5\,\%$ ऑक्सीजन-निष्कर्षण पर, प्रति लीटर संवातित हवा लगभग $0.03\,\mathrm{g}$ जल ख़र्च होता है। साँस में खोया जल निकालिए और बताइए कि कूबड़ जल का भंडार है या नहीं।

हल

हल — अभ्यास 9.11.

प्रति किलोग्राम वसा $1.07\,\mathrm{kg}$ जल। ऑक्सीजन: $2000\,\mathrm{L}$ ; $21\,\%$ ऑक्सीजन के $5\,\%$ निष्कर्षण पर, चाहिए हवा $2000/(0.21\times 0.05) = 190\,\mathrm{m}^{3}$ ; और $30\,\mathrm{g}/\mathrm{m}^{3}$ पर खोया जल: $5.7\,\mathrm{kg}$ । ऊँट साँस लेने में वसा से मिलने वाले जल से पाँच गुना अधिक जल खोता है: कूबड़ ऊर्जा का भंडार है, जल का भंडार नहीं।

अभ्यास 9.12 ★★★

“झिल्ली अपने आप जुड़ती है, पर कोई कोशिका शून्य से झिल्ली नहीं बना सकती।” जलविरागी प्रभाव, लिपिड घुसाकर झिल्लियों की वृद्धि, और कोशिका विभाजन के आरपार झिल्लियों की निरंतरता की सहायता से इस वाक्य के दोनों आधों में एक अनुच्छेद में मेल बिठाइए।

हल

हल — अभ्यास 9.12.

कोई द्विस्तर दे दिया जाए तो जलविरोधी प्रभाव उसे फिर से बंद करा देता है, पुटिकाओं में बँधवा देता है और बिना किसी ऊर्जा-निवेश के नए लिपिड ग्रहण करवा देता है: यानी जुड़ना स्वतःस्फूर्त है। पर कोशिका अपने लिपिड ऐसे एंजाइमों से बनाती है जो किसी पहले से बनी झिल्ली (ER) में बैठे हैं, और वे उन्हें वहीं धँसा देते हैं; कोई नई झिल्ली किसी पुरानी के फैलाव से बढ़ती है और विभाजन पर बाँट दी जाती है, ताकि हर कोशिका की हर झिल्ली पिछली कोशिका की झिल्लियों से उतरे। स्वतः-संयोजन चादर की भौतिकी समझाता है, कोशिका में उसका उद्गम नहीं।

9.7 समस्या: ठंडा पानी और मरुस्थली वसा

समस्या 9.1

सप्ताहांत समस्या — किसी पहाड़ी धारा में एक ट्राउट की झिल्लियाँ और मरुस्थल में एक ऊँट का कूबड़: असंतृप्तता, संक्रमण ताप, ऊर्जा-घनत्व और उपापचयी जल, और अंत में वह द्रव्यमान जो ग्लाइकोजन के बजाय वसा संचित करने से बचता है

भाग I एक ट्राउट के बारे में है जिसके झिल्ली-फ़ॉस्फ़ोलिपिड C16:0, C18:1 और C22:6 (छह द्विबंधों वाला एक ओमेगा-3 अम्ल) की शृंखलाएँ धारण करते हैं। भाग II $500\,\mathrm{kg}$ के एक ऊँट के बारे में है जिसका ट्राइग्लिसराइड का कूबड़ $30\,\mathrm{kg}$ का है और जो $60\,\mathrm{MJ}/\mathrm{d}$ की उपापचय दर पर मरुस्थल पार कर रहा है। ऊर्जा: वसा $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , सूखा ग्लाइकोजन $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , जो प्रति ग्राम $3\,\mathrm{g}$ जल के साथ संचित रहता है। उपापचयी जल: वसा का $1.07\,\mathrm{g}/\mathrm{g}$ । ऑक्सीजन: प्रति ग्राम वसा $2.0\,\mathrm{L}$ ; हवा $21\,\%$ ऑक्सीजन है; ऊँट जितनी ऑक्सीजन साँस में लेता है उसका $5\,\%$ निकालता है; और छोड़ी गई हवा भीतर ली गई मरुस्थली हवा से $30\,\mathrm{g}/\mathrm{m}^{3}$ अधिक जल ढोती है।

भाग I — ट्राउट। $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की अभ्यस्त ट्राउट की झिल्ली-शृंखलाएँ $40\,\%$ C16:0, $45\,\%$ C18:1 और $15\,\%$ C22:6 हैं; और $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ की ट्राउट की $25\,\%$ , $40\,\%$ तथा $35\,\%$ ।

तीनों अम्लों का संकेतन लिखिए और हर एक में प्रति शृंखला द्विबंध गिनिए।
हर ताप पर प्रति शृंखला द्विबंधों की माध्य संख्या निकालिए।
शृंखलाओं के जमाव से समझाइए कि यह बदलाव झिल्ली का संक्रमण ताप क्यों घटाता है।
किसी द्विस्तर का $T_m$ औसतन प्रति शृंखला हर अतिरिक्त $0.5\,$ द्विबंध पर लगभग $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ गिरता है। दोनों ट्राउटों के बीच $T_m$ का खिसकाव आँकिए।
गरम पानी की ट्राउट की झिल्ली $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर तरल है पर $5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ पर जेल बन जाती। किसी अचानक ठंडी रात में उसके अभिगमन प्रोटीनों, उसके पंपों और उसके तंत्रिका-चालन का क्या होता?
यह अनुकूलन दिनों में होता है। बताइए कि ट्राउट को किन एंजाइमों की मात्रा बढ़ानी पड़ती है, और वे कोशिका में कहाँ काम करते हैं (अध्याय 6)।
दोनों ट्राउटों में कोलेस्टेरॉल हर दो फ़ॉस्फ़ोलिपिडों पर एक अणु है। समझाइए कि वह हर स्थिति में क्या देता है।

भाग II — ऊँट की ऊर्जा।

कूबड़ में संचित ऊर्जा निकालिए।
वह यात्रा के कितने दिनों के लिए पर्याप्त है?
उतनी ही ऊर्जा रखने वाले सूखे ग्लाइकोजन का द्रव्यमान निकालिए, और जलयोजित ग्लाइकोजन का द्रव्यमान भी।
ग्लाइकोजन के बजाय वसा संचित करने से बचा द्रव्यमान निकालिए, और उसे ऊँट के शरीर-द्रव्यमान के भिन्न के रूप में लिखिए।
वसा त्वचा के नीचे फैलाकर नहीं, बल्कि किसी कूबड़ में संचित होती है। अध्याय 2 के ऊष्मा-बजट से इसका कोई कारण सुझाइए।

भाग III — क्या कूबड़ जल का भंडार है?

पूरे कूबड़ के ऑक्सीकरण से बना उपापचयी जल निकालिए।
उसके लिए चाहिए ऑक्सीजन लीटर में निकालिए।
उसे पाने के लिए ऊँट को जितनी हवा संवातित करनी पड़ेगी उसका आयतन निकालिए।
वह हवा छोड़ने में खोया जल निकालिए।
कमाए गए जल की तुलना खोए जल से कीजिए, और निष्कर्ष निकालिए।
पसीना बहाने के बजाय ऊँट दिन में अपने शरीर का ताप $6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ बढ़ने देता है और रात में उसे ठंडा कर लेता है। इस तरह वह जितनी ऊष्मा संचित करता है वह निकालिए (ऊष्माधारिता $3.5\,\mathrm{kJ}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{K}^{-1}$ ) और वह जल भी जो उतनी ही ऊष्मा वाष्पन से हटाने में लगता ( $2.4\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ )।
कोई ऊँट अपने शरीर के जल का $25\,\%$ खोकर भी जी सकता है, और जब वह दस मिनट में $100\,\mathrm{L}$ पानी पी लेता है तब उसकी लाल कोशिकाएँ फटे बिना अपने आयतन की दुगुनी हो जाती हैं। दूसरे गुण को अध्याय 7 की झिल्लियों से जोड़िए।

भाग IV — द्विस्तर का अंकगणित। कोई फ़ॉस्फ़ोलिपिड सिर $0.65\,\mathrm{nm}^{2}$ घेरता है; कोई द्विस्तर $5\,\mathrm{nm}$ मोटा है; ऊँट की लाल कोशिकाओं की सतह $80\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ है और वे प्रति लीटर रक्त $8 \times 10^{12}$ हैं।

एक लाल-कोशिका झिल्ली में फ़ॉस्फ़ोलिपिडों की संख्या निकालिए।
$40\,\mathrm{L}$ रक्त की सारी लाल कोशिकाओं में उनकी संख्या निकालिए।
$750\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ पर उस लिपिड का द्रव्यमान ग्राम में निकालिए।
कोई फ़ॉस्फ़ोलिपिड स्वतःस्फूर्त रूप से एक पर्ण से दूसरे में हफ़्ते में लगभग एक बार पलटता है, पर पार्श्व दिशा में सेकंड भर में $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ विसरित हो जाता है। जलविरागी प्रभाव से दोनों संख्याएँ समझाइए।
समझाइए कि पलटने की इस दर को देखते हुए किसी झिल्ली के दोनों पर्ण कोशिका के पूरे जीवन भर संघटन में भिन्न कैसे बने रह सकते हैं।
परिणाम बताइए: उतनी ही ऊर्जा के ग्लाइकोजन के बजाय $30\,\mathrm{kg}$ वसा ढोकर ऊँट जो द्रव्यमान बचाता है, और जल-भंडार के रूप में कूबड़ पर निर्णय।

हल

हल — समस्या 9.1.

1. C16:0 (0), C18:1 $\Delta^9$ (1), C22:6 $\Delta^{4,7,10,13,16,19}$ (6)। 2. गरम: $0.40\times 0 + 0.45\times 1 + 0.15\times 6 = 1.35$ ; ठंडा: $0 + 0.40 + 2.10 = 2.50$ द्विबंध प्रति शृंखला। 3. हर सिस बंध शृंखला में मोड़ डालता है और पड़ोसियों के साथ कसकर जमने नहीं देता; कम वान डर वाल्स संपर्क, शृंखलाओं को अव्यवस्थित करने के लिए कम ऊष्मा, और नीचा $T_m$ । 4. प्रति शृंखला $1.15$ अधिक बंध: लगभग $45\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ नीचे। 5. किसी जेल में लिपिड चल ही नहीं सकते: वाहक अपनी संरूपण नहीं बदल सकते, पंप रुक जाते हैं, चैनल अटक जाते हैं; आयन-प्रवणताएँ क्षीण हो जाती हैं, तंत्रिका-चालन विफल हो जाता है, और मछली उस ठंड से लकवाग्रस्त होकर मर जाती है जिसे कोई ठंड-अभ्यस्त मछली सह लेती है। 6. असंतृप्तक, जो वसा-ऐसिल शृंखलाओं में द्विबंध डालते हैं; वे अंतर्द्रव्यी जालिका के समाकल प्रोटीन हैं, जहाँ लिपिड बनते हैं। 7. दोनों में वह तरलता को सँभालता है: बहुत असंतृप्त ठंडी झिल्ली को उसके नीचे $T_m$ से ऊपर अकड़ाकर, और गरम झिल्ली को किसी ठंडे दिन जेल बनने से बचाकर। 8. $30\,000\times 38 = 1140\,\mathrm{MJ}$ । 9. $1140/60 = 19$ दिन। 10. शुष्क: $1.14 \times 10^{6}/17 = 67\,\mathrm{kg}$ ; जलयोजित: $268\,\mathrm{kg}$ । 11. $268 - 30 = 238\,\mathrm{kg}$ , यानी ऊँट के द्रव्यमान का लगभग आधा। 12. समूची त्वचा के नीचे वसा की एक परत शरीर को कुचालित कर देती और उसे मरुस्थल में ऊष्मा बहाने से रोक देती; वसा को एक ही कूबड़ में सिमटाने से बाकी त्वचा ऊष्मा खोने के लिए खुली रह जाती है। 13. $1.07\times 30 = 32\,\mathrm{kg}$ जल। 14. ऑक्सीजन की $2.0\times 30\,000 = 60\,000\,\mathrm{L} = 60\,\mathrm{m}^{3}$ । 15. हवा की $60/(0.21\times 0.05) = 5700\,\mathrm{m}^{3}$ । 16. जल की $5700\times 30 = 171\,\mathrm{kg}$ । 17. जितना मिलता है उससे पाँच गुना खोया: कूबड़ को ऑक्सीकृत करने में जल पड़ता है। कूबड़ ऊर्जा का ऐसा भंडार है जो ऊँट को बिना भोजन के चलने देता है; उसकी जल-किफ़ायत उसके वृक्कों से, निर्जलीकरण की उसकी सहनशीलता से और अपना तापमान चढ़ने देने की उसकी क्षमता से आती है। 18. $500\times 3.5\times 6 = 10.5\,\mathrm{MJ}$ ऊष्मा के रूप में संचित और रात में छोड़ी जाती है; उसे वाष्पित करके हटाने में प्रति दिन $10\,500/2.4 = 4.4\,\mathrm{kg}$ जल पड़ता। 19. कोई झिल्ली कुछ ही प्रतिशत खिंच सकती है, इसलिए किसी लाल कोशिका का आयतन दुगना करने के लिए विश्राम की द्विअवतल आकृति में मुड़ी हुई बहुत अतिरिक्त झिल्ली चाहिए, और ऐसा कोशिकाकंकाल भी जो उसे बिना फटे खुलने दे: ऊँट की लाल कोशिकाएँ अंडाकार हैं, और उनमें प्रति आयतन मनुष्य की कोशिकाओं से अधिक झिल्ली है। 20. $2\times 80\times 10^{-12}/0.65\times 10^{-18} = 2.5 \times 10^{8}$ । 21. $2.5 \times 10^{8}\times8 \times 10^{12}\times 40 = 7.9 \times 10^{22}$ । 22. $7.9 \times 10^{22}\times 750/6 \times 10^{23} = 99\,\mathrm{g}$ । 23. पार्श्व विसरण हर चरण पर शीर्ष को जल में और पूँछों को तेल में रखता है, और उसमें कुछ नहीं पड़ता; पलटने के लिए ध्रुवी शीर्ष को जलविरोधी गूदा पार करना पड़ता है, जो एक बड़ी ऊर्जा-रोक है जिसे तापीय हलचल हफ़्ते में एक बार पार कर पाती है। 24. दोनों पर्णों के बीच कोई अंतर उतनी ही तेज़ी से क्षीण होता है जितनी तेज़ी से लिपिड पलटते हैं; प्रति अणु हफ़्ते में एक बार पर, विशिष्ट लिपिड आरपार ले जाते एंजाइमों (फ़्लिपेज़) से बनाई कोई असममिति स्वतःस्फूर्त पलटने के विरुद्ध अनिश्चित काल तक टिकी रहती है। 25. लगभग $240\,\mathrm{kg}$ की बचत — यानी अपने शरीर-द्रव्यमान का लगभग आधा — $270\,\mathrm{kg}$ जलयोजित ग्लाइकोजन के बजाय $30\,\mathrm{kg}$ वसा ढोकर; और कूबड़ कोई जल-भंडार नहीं: उसे ऑक्सीकृत करने में साँस में उससे पाँच गुना अधिक जल खोता है जितना वह बनाता है।

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