24जैवअकार्बनिक रसायन

हमारा रक्त आयरन के कारण लाल है; हॉर्सशू केकड़े का रक्त अपनी शिराओं में रंगहीन होता है और वायु में नीला हो जाता है, क्योंकि वह ऑक्सीजन को कॉपर पर वहन करता है। जीवन मुट्ठी भर धातु आयनों का उपयोग उन कार्यों के लिए करता है जो कोई कार्बनिक समूह नहीं कर सकता: ऑक्सीजन को उत्क्रमणीय रूप से बाँधना, एकल इलेक्ट्रॉनों को ले जाना, जल को विभाजित करना, नाइट्रोजन का अपचयन करना, किसी जल अणु को इतना अम्लीय बनाना कि वह कार्बन डाइऑक्साइड पर आक्रमण कर सके। यह अध्याय इन कार्यों को उपसहसंयोजन रसायन के औज़ारों से पढ़ता है: कठोर और मृदु अम्ल, लिगैंड क्षेत्र और चक्रण अवस्थाएँ, साम्य और दर नियम, और औषधों के रूप में प्रयुक्त धातुओं के साथ समाप्त होता है।

पहले से ज्ञात

द्वितीय वर्ष के खंड ने $\alpha$-ऐमीनो अम्लों, पार्श्व शृंखलाओं और पेप्टाइडों, न्यूक्लियोक्षारकों और न्यूक्लियोटाइडों, उपसहसंयोजन संकुलों, लिगैंड क्षेत्रों, उच्च और निम्न चक्रण, तथा कठोर और मृदु नाभिकरागियों और इलेक्ट्रॉनरागियों का विवेचन किया; प्रथम वर्ष के खंड ने संकुलन स्थिरांकों और pL पैमाने का। अध्याय 18 और अध्याय 19 ने स्पेक्ट्रम, मार्कस सिद्धांत और सिसप्लैटिन का ऐक्वाकरण दिया, अध्याय 13 ने माइकेलिस–मेंटेन बलगतिकी, और अध्याय 8 ने विश्रांति काल $T_1$।

24.1 जीवविज्ञान में धातुएँ

परिभाषा 24.1 (धातुप्रोटीन)

धातुप्रोटीन वह प्रोटीन है जिसमें बँधे हुए धातु आयन होते हैं; धातुएंज़ाइम वह है जो किसी अभिक्रिया को उत्प्रेरित करता है। सहकारक एक अप्रोटीन स्पीशीज़ है, कोई धातु आयन या छोटा अणु, जो किसी प्रोटीन से बँधा हो और उसकी सक्रियता के लिए आवश्यक हो।

मात्रा में महत्त्वपूर्ण धातुएँ सोडियम, पोटैशियम, मैग्नीशियम और कैल्सियम हैं, जो अधिकतर आवेश वहन करती हैं और संरचनाएँ थामती हैं; संक्रमण धातुएँ आयरन, ज़िंक, कॉपर, मैंगनीज़, कोबाल्ट, मॉलिब्डेनम और निकेल अल्प मात्रा में होती हैं पर रसायन का बड़ा भाग चलाती हैं। कोई प्रोटीन अपनी धातु का चयन उन दाता परमाणुओं और उनकी ज्यामिति द्वारा करता है जो वह प्रस्तुत करता है।

परिभाषा 24.2 (कठोर और मृदु अम्ल)

कठोर अम्ल एक छोटा, उच्च आवेशित, दुर्बल ध्रुवणीय लुइस अम्ल है ($\ce{H+}$, $\ce{Mg^2+}$, $\ce{Ca^2+}$, $\ce{Fe^3+}$); मृदु अम्ल कम आवेश वाला एक बड़ा, ध्रुवणीय अम्ल है ($\ce{Cu+}$, $\ce{Ag+}$, $\ce{Hg^2+}$, $\ce{Cd^2+}$)। कठोर और मृदु अम्ल–क्षारक सिद्धांत कहता है कि कठोर अम्ल वरीयता से कठोर क्षारकों (ऑक्सीजन दाता, फ़्लुओराइड) से और मृदु अम्ल मृदु क्षारकों (सल्फ़र दाता, आयोडाइड) से बँधते हैं।

प्रोटीनों में कार्बोक्सिलेट और फ़ीनॉलेट कठोर हैं, सिस्टीन का थायोलेट और मेथियोनीन का थायोईथर मृदु, और हिस्टिडीन का इमिडैज़ोल बीच में। आयरन(III) ऑक्सीजन दाताओं के बीच बैठता है, कॉपर(I) सल्फ़र दाताओं के बीच, ज़िंक, एक सीमांत अम्ल, हिस्टिडीन और सिस्टीन के साथ; पारा और कैडमियम अंशतः इसलिए विषैले हैं क्योंकि वे एंज़ाइमों के सिस्टीनों को जकड़ लेते हैं।

परिभाषा 24.3 (अर्विंग–विलियम्स श्रेणी)

अर्विंग–विलियम्स श्रेणी किसी दिए गए लिगैंड के साथ प्रथम संक्रमण श्रेणी के द्विसंयोजी आयनों के उच्च-चक्रण संकुलों के स्थायित्व का क्रम है: $\ce{Mn^2+} < \ce{Fe^2+} < \ce{Co^2+} < \ce{Ni^2+} < \ce{Cu^2+} > \ce{Zn^2+}$।

प्रतिज्ञप्ति 24.4 (अर्विंग–विलियम्स क्रम)

यह श्रेणी लगभग सभी लिगैंडों के लिए सत्य है (एक प्रायोगिक प्रेक्षण); यह मैंगनीज़ से कॉपर तक आयनिक त्रिज्या की कमी, लिगैंड-क्षेत्र स्थायीकरण ऊर्जा, जो $d^5$ के लिए शून्य और $d^8$ के लिए सबसे बड़ी है, और कॉपर(II) की यान–टेलर विकृति का अनुसरण करती है, जो उसके चार आबंधों को छोटा कर देती है।

कोशिकाओं को एक परिणाम का प्रबंधन करना पड़ता है: कॉपर और ज़िंक अधिकांश स्थलों के लिए अन्य आयनों को पछाड़ देते, अतः विशिष्ट वाहक प्रोटीनों द्वारा उनकी मुक्त सांद्रताएँ अत्यंत कम रखी जाती हैं।

24.2 ऑक्सीजन परिवहन

परिभाषा 24.5 (पॉर्फ़िरिन और हीम)

पॉर्फ़िरिन चार पिरोल वलयों का एक बड़ा, समतल, ऐरोमैटिक बृहत्चक्र है, जो मेथीन सेतुओं से जुड़े होते हैं, और जिसके चार नाइट्रोजन उसके केंद्र पर एक धातु आयन को बाँधते हैं। हीम प्रोटोपॉर्फ़िरिन IX का आयरन संकुल है, जो हीमोग्लोबिन, मायोग्लोबिन और साइटोक्रोमों का सहकारक है।

मायोग्लोबिन और हीमोग्लोबिन में हीम के आयरन का एक पाँचवाँ लिगैंड वलय के नीचे होता है, समीपस्थ हिस्टिडीन का नाइट्रोजन, और छठा स्थल $\ce{O2}$ के लिए मुक्त रहता है। विऑक्सी आयरन(II) उच्च चक्रण है: $d_{x^2-y^2}$ कक्षक में एक इलेक्ट्रॉन, जो चार नाइट्रोजनों की ओर इंगित करता है, उसे वलय के छिद्र के लिए बहुत बड़ा बना देता है, और वह तल से बाहर, हिस्टिडीन की ओर, बैठता है। $\ce{O2}$ से बँधने पर वह निम्न चक्रण, छोटा, हो जाता है, और तल में आ जाता है, हिस्टिडीन और प्रोटीन कुंडलिनी को अपने साथ खींचते हुए।

बँधी हुई डाइऑक्सीजन का वर्णन आयरन(III) पर सुपरऑक्साइड, $\ce{Fe^{III}-O2^-}$, के रूप में बेहतर होता है, बजाय आयरन(II) पर उदासीन $\ce{O2}$ के: संकुल प्रतिचुंबकीय है क्योंकि दोनों केंद्रों के अयुग्मित इलेक्ट्रॉन युग्मित हो जाते हैं। प्रोटीन आयरन(III) और जल तक के अनुत्क्रमणीय ऑक्सीकरण को रोकता है, जो जल में एक नग्न हीम तुरंत झेलता है।

परिभाषा 24.6 (सहकारी बंधन)

अनेक स्थलों वाले किसी प्रोटीन से बंधन सहकारी होता है जब एक लिगैंड का बंधन शेष स्थलों की बंधुता बढ़ा देता है। हिल गुणांक $n$ हिल आलेख, $\log\frac{\theta}{1 - \theta}$ का $\log p$ के विरुद्ध, का अर्ध संतृप्ति पर ढलान है ($\theta$ अधिकृत स्थलों का अंश है)।

प्रतिज्ञप्ति 24.7 (एक स्थल)

एक स्थल वाले प्रोटीन के लिए, $\mathrm{P + O_2 \rightleftharpoons PO_2}$, अधिकृत अंश $\theta = p/(p_{50} + p)$ है, जहाँ $p_{50}$ दाब के रूप में व्यक्त वियोजन स्थिरांक है।

प्रमेय 24.8 (हिल समीकरण)

$n$ स्थलों वाले ऐसे प्रोटीन के लिए जिसके स्थल या तो सब रिक्त हों या सब भरे, $\mathrm{P + n\,O_2 \rightleftharpoons P(O_2)_n}$,

$$\theta = \frac{p^n}{p_{50}^n + p^n}, \qquad \log\frac{\theta}{1 - \theta} = n\log p - n\log p_{50}.$$

हीमोग्लोबिन, चार स्थलों के साथ, पूर्णतः सहकारी नहीं है: उसका हिल गुणांक 4 से काफ़ी नीचे, लगभग 3, है, और उसके हिल आलेख का ढलान दोनों छोरों पर 1 है, जहाँ वह स्वतंत्र स्थलों वाले विऑक्सी या ऑक्सी प्रोटीन की तरह व्यवहार करता है। सहकारिता चतुष्क संरचना के परिवर्तन से आती है: $\ce{O2}$ से बँधने वाले पहले हीम के तल में आयरन की गति अन्य उप-इकाइयों तक पहुँचाई जाती है।

विधि 24.9 (हिल आलेख पढ़ना)

1. प्रत्येक मापी गई संतृप्ति से $\log(\theta/(1 - \theta))$ परिकलित कीजिए; इसे $\log p$ के विरुद्ध आलेखित कीजिए।
2. जिस दाब पर आलेख शून्य को काटता है वह $p_{50}$ है।
3. उस बिंदु पर ढलान हिल गुणांक है: $n = 1$ का अर्थ स्वतंत्र स्थल, $n > 1$ सहकारी बंधन।
4. केवल दो बिंदुओं के साथ, $n = \Delta\log(\theta/(1 - \theta))/\Delta\log p$।

हीमोग्लोबिन हीम से दूर स्थलों पर प्रोटॉनों और कार्बन डाइऑक्साइड को भी बाँधता है, जो उसके वक्र को वहाँ दाईं ओर खिसका देते हैं जहाँ वे प्रचुर हैं, अर्थात् कार्यरत ऊतकों में: बोर प्रभाव ठीक वहीं अधिक ऑक्सीजन मुक्त करता है जहाँ उसकी आवश्यकता है।

प्रतिज्ञप्ति 24.10 (कार्बन मोनोऑक्साइड स्पर्धा)

यदि कार्बन मोनोऑक्साइड और डाइऑक्सीजन एक ही स्थलों के लिए स्पर्धा करें, $\mathrm{HbO_2 + CO \rightleftharpoons HbCO + O_2}$ के साथ, जिसका साम्य स्थिरांक $M$ है, तो $[\mathrm{HbCO}]/[\mathrm{HbO_2}] = M\,p(\ce{CO})/p(\ce{O2})$।

मानव हीमोग्लोबिन के लिए $M$ सैकड़ों में है, अतः कार्बन मोनोऑक्साइड के कुछ सौ भाग प्रति दस लाख स्थलों के एक बड़े अंश को घेर लेते हैं; इससे भी बुरा, मुक्त बचे स्थल अपनी ऑक्सीजन को और दृढ़ता से थामे रखते हैं, क्योंकि सहकारिता उन पर कार्य करती है। मुक्त हीम कार्बन मोनोऑक्साइड को और भी कहीं अधिक प्रबलता से बाँधता है: प्रोटीन में आयरन के ऊपर एक दूरस्थ हिस्टिडीन उस रैखिक Fe–C–O ज्यामिति में बाधा डालता है जिसे कार्बन मोनोऑक्साइड पसंद करता है, जबकि वह मुड़े हुए $\ce{O2}$ से हाइड्रोजन आबंध बनाता है। अन्य जंतु अन्य धातुओं का उपयोग करते हैं: मोलस्कों और संधिपादों के हीमोसायनिन $\ce{O2}$ को दो कॉपर आयनों के बीच पेरॉक्साइड के रूप में बाँधते हैं, कुछ समुद्री कृमियों के हीमएरिथ्रिन आयरन आयनों के एक युग्म पर।

प्रयोगशाला में — एक ऑक्सीजन-बंधन वक्र

बफ़र में हीमोग्लोबिन का एक विलयन, एक पार्श्व फ़्लास्क से युक्त, गैस-रोधी क्यूवेट में रखा जाता है। पहले नाइट्रोजन प्रवाहित करके उसे ऑक्सीजन से मुक्त किया जाता है, फिर वायु के ज्ञात आयतन अंतःक्षिप्त किए जाते हैं और हल्के से झुकाकर विलयन को साम्यित किया जाता है। प्रत्येक योग के बाद दृश्य स्पेक्ट्रम अभिलिखित किया जाता है: विऑक्सी रूप के बैंड (लगभग $555\,\mathrm{nm}$ पर एक बैंड) ऑक्सी रूप के दो बैंडों में बदल जाते हैं, और संतृप्ति एक तरंगदैर्ध्य पर अवशोषकता से, उसकी विऑक्सी और ऑक्सी सीमाओं के बीच, पढ़ी जाती है।

24.3 धातुएंज़ाइम

कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ $\ce{CO2 + H2O <=> HCO3- + H+}$ को तेज़ करता है, जो अकेले जल में कुछ सेकंड लेती है, जो फेफड़े की केशिका से लाल कोशिका के छोटे से गमन में महत्त्वपूर्ण होने के लिए पर्याप्त है। इसका ज़िंक आयन तीन हिस्टिडीनों और एक जल अणु द्वारा थामा जाता है। उच्च आवेश का एक छोटा धनायन होने के नाते, यह उस जल का $\mathrm pK_a$ लगभग 14 से लगभग 7 तक घटा देता है: शरीरक्रियात्मक pH पर एंज़ाइम के एक अच्छे भाग पर ज़िंक-बद्ध हाइड्रॉक्साइड होता है, एक प्रबल नाभिकरागी, जो $\ce{CO2}$ बाँधने वाली एक जेब के ठीक बगल में रहता है।

प्रतिज्ञप्ति 24.11 (एक तीव्र एंज़ाइम)

कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ का विशिष्टता स्थिरांक $k_{\mathrm{cat}}/K_M$, एंज़ाइम के साथ $\ce{CO2}$ की भेंट के दर स्थिरांक के निकट पहुँचता है: लगभग हर भेंट अभिक्रिया तक ले जाती है।

यकृत और अनेक अन्य कोशिकाओं में साइटोक्रोम P450 एंज़ाइम औषधों और हॉर्मोनों के C–H आबंधों का हाइड्रॉक्सिलन करते हैं। उनका हीम आयरन एक सिस्टीन थायोलेट द्वारा थामा जाता है; $\ce{O2}$ और दो इलेक्ट्रॉनों के साथ यह पॉर्फ़िरिन पर एक मूलक सहित आयरन(IV)-ऑक्सो संकुल बनाता है, जिसे यौगिक I कहते हैं, जो क्रियाधार से एक हाइड्रोजन परमाणु का अपहरण करता है और हाइड्रॉक्सिल समूह को कार्बन मूलक पर लौटा देता है। नाइट्रोजिनेज़ कक्ष ताप पर $\ce{N2}$ को अमोनिया में अपचयित करता है, सात आयरन परमाणुओं, एक मॉलिब्डेनम और नौ सल्फ़ाइडों के एक गुच्छ पर जो एक केंद्रीय कार्बन परमाणु के चारों ओर है, अर्थात् FeMo सहकारक, ATP के अनेक अणुओं की कीमत पर। विटामिन $\mathrm{B_{12}}$ में एक कोबाल्ट–कार्बन आबंध होता है, जीवविज्ञान के बहुत कम धातु–कार्बन आबंधों में से एक, जिसका समांश विखंडन मूलक पुनर्विन्यास आरंभ करता है।

24.4 इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण और ऊर्जा

जो प्रोटीन केवल इलेक्ट्रॉनों को ले जाते हैं उनके धातु केंद्रों की पुनर्गठन ऊर्जा छोटी होती है (अध्याय 19): दोनों ऑक्सीकरण अवस्थाओं की ज्यामिति लगभग समान होती है, अतः मार्कस अवरोध निम्न होता है।

परिभाषा 24.12 (आयरन–सल्फ़र गुच्छ)

आयरन–सल्फ़र गुच्छ आयरन आयनों का एक समूह है जो सल्फ़ाइड आयनों द्वारा सेतुबद्ध और सिस्टीन थायोलेटों द्वारा प्रोटीन से बँधा होता है: $\ce{[2Fe-2S]}$, $\ce{[3Fe-4S]}$ और घनाकार-सदृश $\ce{[4Fe-4S]}$।

परिभाषा 24.13 (नीले कॉपर प्रोटीन)

नीला कॉपर प्रोटीन एक विकृत चतुष्फलकीय स्थल में दो हिस्टिडीनों, एक सिस्टीन और एक दुर्बल रूप से बँधे मेथियोनीन द्वारा बँधा एक कॉपर आयन धारण करता है; इसका गहरा नीला रंग सिस्टीन-से-कॉपर(II) आवेश-स्थानांतरण बैंड से आता है।

परिभाषा 24.14 (एंटैटिक अवस्था)

एंटैटिक अवस्था वह धातु स्थल है जिसे प्रोटीन एक तनावग्रस्त ज्यामिति में, उसकी दोनों ऑक्सीकरण अवस्थाओं द्वारा पसंद की जाने वाली ज्यामितियों के बीच, थामे रखता है, जिससे उसकी अभिक्रियाओं की पुनर्गठन ऊर्जा घटती है।

अकेला कॉपर(II) वर्ग तल पसंद करता है, कॉपर(I) चतुष्फलक: नीले कॉपर स्थल में दोनों में से कोई संतुष्ट नहीं होता, और इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण तीव्र होता है।

परिभाषा 24.15 (ऑक्सीजन-मुक्तकारी संकुल)

प्रकाशतंत्र II का ऑक्सीजन-मुक्तकारी संकुल वह $\mathrm{Mn_4CaO_5}$ गुच्छ है जो प्रकाश-संश्लेषण में जल को डाइऑक्सीजन में ऑक्सीकृत करता है।

प्रतिज्ञप्ति 24.16 (प्रति ऑक्सीजन चार फ़ोटॉन)

दो जल अणुओं को एक $\ce{O2}$ में ऑक्सीकृत करने के लिए प्रकाशतंत्र II द्वारा अवशोषित चार फ़ोटॉन चाहिए, जबकि गुच्छ पाँच अवस्थाओं $\mathrm S_0$ से $\mathrm S_4$ से होकर गुज़रता है।

ऊर्जा शृंखला के दूसरे छोर पर, सूत्रकणिकाओं का साइटोक्रोम $c$ ऑक्सीडेज़ एक-दूसरे के सामने स्थित एक हीम आयरन और एक कॉपर आयन पर चार इलेक्ट्रॉनों और चार प्रोटॉनों से $\ce{O2}$ को जल में अपचयित करता है, आंशिक रूप से अपचयित, हानिकारक सुपरऑक्साइड या पेरॉक्साइड मुक्त किए बिना।

24.5 चिकित्सा में धातुएँ

परिभाषा 24.17 (धातु-औषधें)

धातु-औषध वह औषध है जिसकी सक्रियता किसी धातु आयन या धातु संकुल पर निर्भर करती है।

सिसप्लैटिन, cis-$\ce{[PtCl2(NH3)2]}$, रक्त में स्थायी है, जहाँ क्लोराइड सांद्रता ऊँची है; कोशिकाओं के भीतर, जहाँ यह कहीं कम है, यह एक क्लोराइड का जल से विनिमय करता है (अध्याय 19)। ऐक्वा संकुल ग्वानीन के N7 परमाणु से बँधता है, फिर उसी रज्जुक पर उसके बगल वाले दूसरे ग्वानीन से: 1,2-GG तिर्यक-बंध DNA को मोड़ देता है, जिसकी मरम्मत कोशिका नहीं कर पाती, और वह मर जाती है। trans समावयवी दो पड़ोसी क्षारकों को सेतुबद्ध नहीं कर सकता और निष्क्रिय है। कार्बोप्लैटिन, धीरे निकलने वाले एक कीलेटी डाइकार्बोक्सिलेट के साथ, कम दुष्प्रभाव देता है; ऑक्सैलिप्लैटिन, एक डाइऐमीनोसाइक्लोहेक्सेन लिगैंड के साथ, सिसप्लैटिन-प्रतिरोधी अर्बुदों पर कार्य करता है।

परिभाषा 24.18 (विपर्यास कारक)

चुंबकीय अनुनाद प्रतिबिंबन के लिए विपर्यास कारक एक अनुचुंबकीय यौगिक है जो निकटवर्ती जल प्रोटॉनों के विश्रांति कालों को छोटा कर देता है। इसकी विश्रांतिता $r_1$ कारक की प्रति इकाई सांद्रता विश्रांति दर $1/T_1$ में वृद्धि है।

प्रतिज्ञप्ति 24.19 (विश्रांति दर)

विश्रांतिता $r_1$ वाले कारक के साथ, सांद्रता $c$ पर, जल प्रोटॉनों की विश्रांति दर $1/T_1 = 1/T_{1,0} + r_1c$ है, जहाँ $T_{1,0}$ कारक के बिना मान है।

गैडोलिनियम(III), सात अयुग्मित इलेक्ट्रॉनों और धीरे विश्रांत होने वाले इलेक्ट्रॉन चक्रण वाला $4f^7$, पसंदीदा धातु है। मुक्त $\ce{Gd^3+}$ विषैला है: इसे एक अष्टदंतुर पॉलीऐमीनोकार्बोक्सिलेट के अत्यंत स्थायी संकुल के रूप में दिया जाता है जो एक जल अणु के लिए एक स्थल छोड़ता है, जो स्थूल जल से तेज़ी से विनिमय करता है और विश्रांति को पूरे जल तक पहुँचाता है।

परिभाषा 24.20 (कीलेटन चिकित्सा)

कीलेटन चिकित्सा औषध के रूप में दिए गए एक कीलेटी लिगैंड द्वारा शरीर से किसी विषैली धातु को हटाना है, जो एक स्थायी, विलेय संकुल बनाता है जो उत्सर्जित हो जाता है।

विधि 24.21 (कीलेटी औषध का चयन)

1. विषैली धातु के साथ, और बड़ी मात्रा में उपस्थित आवश्यक धातुओं ($\ce{Ca^2+}$, $\ce{Mg^2+}$, $\ce{Zn^2+}$) के साथ कीलेटक के स्थायित्व स्थिरांकों की तुलना कीजिए।
2. शरीर की सांद्रताओं और pH पर कीलेटक द्वारा छोड़ा गया मुक्त धातु स्तर $\mathrm{pM} = -\log[\mathrm M]$ परिकलित कीजिए: विषैली धातु के लिए pM जितना ऊँचा और आवश्यक धातुओं के लिए जितना कम, उतना बेहतर।
3. कीलेटक को स्पर्धी आवश्यक आयन से पहले ही भरकर दीजिए (सीसे के लिए EDTA का कैल्सियम संकुल), ताकि वह रक्त से कैल्सियम छीनने के बजाय विनिमय करे।
4. कठोर–मृदु मेल (पारे और सीसे के लिए सल्फ़र दाता, आयरन(III) के लिए कठोर ऑक्सीजन दाता) और संकुल के उत्सर्जित होने की जाँच कीजिए।

सुरक्षा

सिसप्लैटिन: निगलने पर घातक, कैंसर और आनुवंशिक दोष उत्पन्न कर सकता है, प्रजनन क्षमता को क्षति पहुँचा सकता है, आँखों को गंभीर क्षति और एलर्जी अभिक्रियाएँ उत्पन्न करता है; इसे केवल तैयार औषध विलयन के रूप में, दस्ताने पहनकर, संवातित कैबिनेट में सँभाला जाता है।

इतिहास — एक प्रोटीन संरचना और एक संयोगवश मिली औषध

मैक्स पेरुत्ज़ ने बीस से अधिक वर्षों तक हीमोग्लोबिन की X-किरण संरचना पर कार्य किया, जो 1959 में निम्न विभेदन पर हल हुई; जॉन केंड्रू के साथ, जिन्होंने मायोग्लोबिन हल किया, उन्हें रसायन का 1962 का नोबेल पुरस्कार मिला। 1965 में बार्नेट रोज़ेनबर्ग ने, जीवाणुओं के एक संवर्धन में प्लैटिनम इलेक्ट्रोडों के बीच धारा प्रवाहित करते हुए, उन्हें विभाजित हुए बिना लंबे तंतुओं में बढ़ते देखा; कारण धारा नहीं, बल्कि इलेक्ट्रोडों से बना एक प्लैटिनम ऐम्मीन संकुल था। यही सिसप्लैटिन बना, जो आज भी सबसे अधिक प्रयुक्त कैंसररोधी औषधों में से एक है।

24.6 अभ्यास

अभ्यास 24.1 ★

एक प्रोटीन $2.1\,\mathrm{kPa}$ ऑक्सीजन पर 20 % और $5.9\,\mathrm{kPa}$ पर 80 % संतृप्त है। उसका हिल गुणांक परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 24.1.

$\log(\theta/(1 - \theta))$, $\log 0.25 = -0.602$ से $\log 4 = +0.602$ तक जाता है, जबकि $\log p$ $\log(5.9/2.1) = 0.449$ बढ़ता है: $n = 1.204/0.449 = 2.7$।

अभ्यास 24.2 ★

$\ce{Zn^2+}$, $\ce{Mn^2+}$, $\ce{Cu^2+}$, $\ce{Fe^2+}$, $\ce{Ni^2+}$ और $\ce{Co^2+}$ को किसी दिए गए लिगैंड के साथ उनके संकुलों के स्थायित्व के क्रम में रखिए, और ज़िंक के स्थान की व्याख्या कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 24.2.

$\ce{Mn^2+} < \ce{Fe^2+} < \ce{Co^2+} < \ce{Ni^2+} < \ce{Cu^2+} > \ce{Zn^2+}$। ज़िंक ($d^{10}$) में न लिगैंड-क्षेत्र स्थायीकरण है और न यान–टेलर विकृति: यह कॉपर से नीचे लौट आता है।

अभ्यास 24.3 ★

$\ce{Ca^2+}$, $\ce{Fe^3+}$, $\ce{Cu+}$, $\ce{Zn^2+}$ और $\ce{Hg^2+}$ के पसंदीदा प्रोटीन दाताओं (कार्बोक्सिलेट, सिस्टीन थायोलेट, हिस्टिडीन इमिडैज़ोल) का पूर्वानुमान कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 24.3.

$\ce{Ca^2+}$ और $\ce{Fe^3+}$, कठोर: कार्बोक्सिलेट (और आयरन के लिए फ़ीनॉलेट)। $\ce{Cu+}$ और $\ce{Hg^2+}$, मृदु: सिस्टीन थायोलेट। $\ce{Zn^2+}$, सीमांत: हिस्टिडीन और सिस्टीन।

अभ्यास 24.4 ★

मुक्त हुए $\ce{O2}$ के प्रति अणु कितने इलेक्ट्रॉन हटाए जाते हैं, और प्रकाशतंत्र II द्वारा कितने फ़ोटॉन अवशोषित होते हैं? प्रति मोल?

हल

हल — अभ्यास 24.4.

$\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$: प्रति $\ce{O2}$ चार इलेक्ट्रॉन, चार फ़ोटॉन; प्रति मोल $\ce{O2}$ फ़ोटॉनों के चार मोल।

अभ्यास 24.5 ★★

अध्याय के मॉडल वक्रों (मायोग्लोबिन के लिए $p_{50} = 0.37\,\mathrm{kPa}$; हीमोग्लोबिन के लिए $3.5\,\mathrm{kPa}$ और $n = 2.7$) के साथ, $13\,\mathrm{kPa}$ (फेफड़े) और $5\,\mathrm{kPa}$ (ऊतक) के बीच प्रत्येक प्रोटीन अपनी ऑक्सीजन का कितना अंश छोड़ता है, परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 24.5.

मायोग्लोबिन: $\theta = 13/13.37 = 0.972$ और $5/5.37 = 0.931$: यह अपनी ऑक्सीजन का $(0.972 - 0.931)/0.972 = 4$ % छोड़ता है। हीमोग्लोबिन: $\theta = 0.972$ और $0.724$: यह 26 % छोड़ता है।

अभ्यास 24.6 ★★

$50\,\mathrm{ppm}$ कार्बन मोनोऑक्साइड वाली वायु में इतनी देर तक साँस ली जाती है कि साम्य स्थापित हो जाए। $M = 230$ (अभ्यास के आँकड़े) और वायु के $p(\ce{O2})/p(\ce{CO})$ के साथ (20.95 % ऑक्सीजन), हीमोग्लोबिन का कितना अंश CO वहन करता है?

हल

हल — अभ्यास 24.6.

$[\mathrm{HbCO}]/[\mathrm{HbO_2}] = 230 \times 50 \times 10^{-6}/0.2095 = 0.055$; अंश $0.055/1.055 = 5.2$ %।

अभ्यास 24.7 ★★

गुच्छों $\ce{[Fe2S2(SR)4]^2-}$, $\ce{[Fe2S2(SR)4]^3-}$ और $\ce{[Fe4S4(SR)4]^2-}$ में आयरन आयनों की औपचारिक ऑक्सीकरण अवस्थाएँ बताइए (SR: सिस्टीनेट, S: सल्फ़ाइड)।

हल

हल — अभ्यास 24.7.

सल्फ़ाइड प्रत्येक $-2$, सिस्टीनेट प्रत्येक $-1$। $\ce{[Fe2S2(SR)4]^2-}$: आयरनों का योग $-2 + 4 + 4 = +6$: दो Fe(III)। $\ce{[Fe2S2(SR)4]^3-}$: $+5$, एक Fe(III) और एक Fe(II) (मिश्रित संयोजकता)। $\ce{[Fe4S4(SR)4]^2-}$: $-2 + 8 + 4 = +10$, दो Fe(III) और दो Fe(II), प्रत्येक आयरन औसतन $+2.5$।

अभ्यास 24.8 ★★

सिसप्लैटिन का प्रथम ऐक्वाकरण लिखिए, और समझाइए कि यह रक्त में धीमा और कोशिकाओं के भीतर तेज़ क्यों है। प्लैटिनम DNA के किस परमाणु से बँधता है, और trans समावयवी निष्क्रिय क्यों है?

हल

हल — अभ्यास 24.8.

$\ce{[PtCl2(NH3)2] + H2O -> [PtCl(H2O)(NH3)2]+ + Cl-}$। रक्त की उच्च क्लोराइड सांद्रता साम्य को वापस धकेलती है; कोशिकाओं के भीतर क्लोराइड कहीं कम है, और ऐक्वा संकुल बनता है। प्लैटिनम ग्वानीन के N7 से बँधता है। trans समावयवी में दोनों विनिमयशील स्थल एक-दूसरे के सम्मुख हैं और एक रज्जुक के दो संलग्न क्षारकों तक नहीं पहुँच सकते।

अभ्यास 24.9 ★★

एक ऊतक के लिए $T_1 = 1.2\,\mathrm{s}$ है। विश्रांतिता $4.0\,\mathrm{L}\,\mathrm{mmol}^{-1}\,\mathrm{s}^{-1}$ वाला एक गैडोलिनियम कारक उसमें $0.10\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ तक पहुँचता है (अभ्यास के आँकड़े)। नया $T_1$ परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 24.9.

$1/T_1 = 1/1.2\,\mathrm{s} + 4.0\,\mathrm{L}\,\mathrm{mmol}^{-1}\,\mathrm{s}^{-1} \times 0.10\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} = 0.833 + 0.400 = 1.23\,\mathrm{s}^{-1}$: $T_1 = 0.81\,\mathrm{s}$।

अभ्यास 24.10 ★★★

एक कीलेटक L के लिए $\log K = 18.0$ है, $\ce{Pb^2+}$ के साथ, और $10.7$, $\ce{Ca^2+}$ के साथ (अभ्यास के आँकड़े)। $\ce{Pb^2+ + [CaL]^2- <=> [PbL]^2- + Ca^2+}$ का साम्य स्थिरांक परिकलित कीजिए और समझाइए कि मुक्त लिगैंड के बजाय कैल्सियम संकुल क्यों दिया जाता है।

हल

हल — अभ्यास 24.10.

$K = K_{\mathrm{PbL}}/K_{\mathrm{CaL}} = 10^{18.0 - 10.7} = 10^{7.3} = 2 \times 10^{7}$: सीसा कैल्सियम को पूरी तरह विस्थापित कर देता है। मुक्त लिगैंड रक्त के कैल्सियम को भी बाँध लेता और उसकी सांद्रता को ख़तरनाक रूप से घटा देता; कैल्सियम संकुल सीसे से विनिमय करता है और कैल्सियम स्तर अपरिवर्तित छोड़ता है।

अभ्यास 24.11 ★★★

कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ के लिए $k_{\mathrm{cat}}/K_M \approx 1 \times 10^{8}\,\mathrm{L}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{s}^{-1}$ है (अभ्यास के आँकड़े), एक विशिष्ट एंज़ाइम के लिए लगभग $1 \times 10^{5}\,\mathrm{L}\,\mathrm{mol}^{-1}\,\mathrm{s}^{-1}$। $[\ce{CO2}] = 1.0\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ पर, जो $K_M$ से बहुत नीचे है, $1.0\,\text{µ}\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ एंज़ाइम सांद्रता के साथ, प्रत्येक को आधे क्रियाधार को रूपांतरित करने में लगने वाले समय की तुलना कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 24.11.

$K_M$ से बहुत नीचे अभिक्रिया प्रथम कोटि की है: $k' = (k_{\mathrm{cat}}/K_M)[\mathrm E]$, $t_{1/2} = \ln 2/k'$। कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़: $k' = 100\,\mathrm{s}^{-1}$, $t_{1/2} = 6.9\,\mathrm{ms}$। विशिष्ट एंज़ाइम: $k' = 0.10\,\mathrm{s}^{-1}$, $t_{1/2} = 6.9\,\mathrm{s}$, एक हज़ार गुना अधिक, उस एक सेकंड के लिए बहुत धीमा जो एक लाल कोशिका फेफड़े की केशिका में बिताती है।

अभ्यास 24.12 ★★★

$M = 230$ के साथ, $0.2095\,\mathrm{bar}$ ऑक्सीजन वाली वायु की उपस्थिति में कार्बन मोनोऑक्साइड का कौन-सा दाब आधे स्थलों को घेरता है? इसे $1\,\mathrm{bar}$ पर किसी गैस के ppm में व्यक्त कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 24.12.

आधे स्थलों पर CO का अर्थ है $[\mathrm{HbCO}] = [\mathrm{HbO_2}]$: $p(\ce{CO}) = p(\ce{O2})/M = 0.2095/230 = 9.1 \times 10^{-4}\,\mathrm{bar}$, लगभग $910\,\mathrm{ppm}$।

24.7 समस्या: रक्त कितनी ऑक्सीजन पहुँचाता है?

समस्या 24.1

सप्ताहांत समस्या — रक्त कितनी ऑक्सीजन पहुँचाता है? हीमोग्लोबिन और मायोग्लोबिन के हिल वक्र, एक लीटर रक्त द्वारा वहन की गई ऑक्सीजन, बोर विस्थापन, और कार्बन मोनोऑक्साइड क्या छीन लेता है

समस्या के मॉडल आँकड़े: हीमोग्लोबिन $p_{50} = 3.5\,\mathrm{kPa}$ और $n = 2.7$, pH 7.4 पर, $p_{50} = 4.0\,\mathrm{kPa}$ कार्यरत ऊतकों के निम्नतर pH पर; मायोग्लोबिन $p_{50} = 0.37\,\mathrm{kPa}$; रक्त में $150\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ हीमोग्लोबिन है, मोलर द्रव्यमान $64.5\,\mathrm{kg}/\mathrm{mol}$, प्रति अणु चार स्थलों के साथ; $p(\ce{O2})$ फेफड़ों में $13\,\mathrm{kPa}$ और ऊतकों में $5.0\,\mathrm{kPa}$ है; विश्राम पर हृदय $5.0\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$ पंप करता है; कार्बन मोनोऑक्साइड के लिए $M = 230$। गैस आयतन $273.15\,\mathrm{K}$ और $101.325\,\mathrm{kPa}$ पर।

भाग I — वक्र।

1. फेफड़ों में हीमोग्लोबिन की संतृप्ति परिकलित कीजिए।
2. pH 7.4 पर ऊतकों में इसे परिकलित कीजिए।
3. $5.0\,\mathrm{kPa}$ पर मायोग्लोबिन की संतृप्ति परिकलित कीजिए।
4. पेशी में मायोग्लोबिन हीमोग्लोबिन से ऑक्सीजन क्यों ले सकता है?
5. चार स्वतंत्र स्थल कौन-सा हिल गुणांक देंगे?
6. एक वाक्य में समझाइए कि सहकारिता कहाँ से आती है।

भाग II — एक लीटर रक्त।

7. हीमोग्लोबिन की सांद्रता mol/L में परिकलित कीजिए।
8. ऑक्सीजन स्थलों की सांद्रता परिकलित कीजिए।
9. फेफड़ों में प्रति लीटर वहन की गई ऑक्सीजन mmol में परिकलित कीजिए।
10. pH 7.4 पर ऊतकों को प्रति लीटर पहुँचाई गई ऑक्सीजन परिकलित कीजिए।
11. इसे गैस के मिलीलीटर में बदलिए।
12. यह वहन की गई ऑक्सीजन का कितना अंश है?

भाग III — बोर विस्थापन।

13. निम्नतर pH पर ऊतकों में संतृप्ति परिकलित कीजिए।
14. विस्थापन के साथ प्रति लीटर पहुँचाई गई ऑक्सीजन परिकलित कीजिए।
15. विस्थापन पहुँचाव को किस गुणक से बढ़ाता है?
16. कार्यरत पेशी का pH क्या घटाता है?
17. विश्राम पर प्रति मिनट पहुँचाई गई ऑक्सीजन mmol में परिकलित कीजिए।
18. इसे गैस के लीटर प्रति मिनट में बदलिए।

भाग IV — कार्बन मोनोऑक्साइड।

19. $100\,\mathrm{ppm}$ CO वाली वायु के लिए $[\mathrm{HbCO}]/[\mathrm{HbO_2}]$ परिकलित कीजिए।
20. CO के कारण खोए गए स्थलों का अंश परिकलित कीजिए।
21. पहुँचाई गई ऑक्सीजन की हानि उस अंश से अधिक बुरी क्यों है?
22. शुद्ध ऑक्सीजन पहला उपचार क्यों है?
23. उत्तरजीविता के लिए दूरस्थ हिस्टिडीन क्यों महत्त्वपूर्ण है?
24. परिणाम बताइए: विश्राम पर प्रति मिनट पहुँचाई गई ऑक्सीजन के लीटर।

हल

हल — समस्या 24.1.

1. $\theta = 13^{2.7}/(3.5^{2.7} + 13^{2.7}) = 0.972$।

2. $\theta(5.0\,\mathrm{kPa}) = 0.724$।

3. $5.0/(0.37 + 5.0) = 0.931$।

4. इसका $p_{50}$ दस गुना कम है: कार्यरत पेशी के दाबों पर यह उसी दाब पर हीमोग्लोबिन से कहीं अधिक संतृप्त होता है, अतः ऑक्सीजन हीमोग्लोबिन से मायोग्लोबिन की ओर जाती है।

5. $n = 1$।

6. एक हीम पर बंधन उसके आयरन को तल में ले आता है और हिस्टिडीन तथा उसकी कुंडलिनी को खींचता है; उप-इकाइयाँ मिलकर एक ऐसे रूप में खिसकती हैं जिसकी अन्य स्थलों के लिए बंधुता अधिक है।

7. $150\,\mathrm{g}/\mathrm{L}/64\,500\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 2.33 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$।

8. $4 \times 2.33 \times 10^{-3} = 9.30 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$।

9. $9.30\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} \times 0.972 = 9.04\,\mathrm{mmol}$।

10. $9.30\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} \times (0.972 - 0.724) = 2.31\,\mathrm{mmol}$।

11. $2.31 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol} \times 22.41\,\mathrm{L}/\mathrm{mol} = 52\,\mathrm{mL}$।

12. $0.248/0.972 = 26$ %।

13. $5.0^{2.7}/(4.0^{2.7} + 5.0^{2.7}) = 0.646$।

14. $9.30\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} \times (0.972 - 0.646) = 3.03\,\mathrm{mmol}$।

15. $3.03/2.31 = 1.31$: तीस प्रतिशत अधिक।

16. श्वसन से बनी कार्बन डाइऑक्साइड, जिसे कार्बोनिक ऐनहाइड्रेज़ कार्बोनिक अम्ल में जलयोजित करता है, और कठोर श्रम में लैक्टिक अम्ल।

17. $3.03\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L} \times 5.0\,\mathrm{L}/\mathrm{min} = 15.1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{min}$।

18. $15.1 \times 10^{-3}\,\mathrm{mol}/\mathrm{min} \times 22.41\,\mathrm{L}/\mathrm{mol} = 0.34\,\mathrm{L}/\mathrm{min}$।

19. $230 \times 100 \times 10^{-6}/0.2095 = 0.110$।

20. $0.110/1.110 = 0.099$: स्थलों का लगभग 10 %।

21. जो स्थल अब भी ऑक्सीजन वहन करते हैं, CO भी वहन करने वाले अणु में, वे उच्च-बंधुता रूप में होते हैं: वक्र बाईं ओर खिसकता है और वे ऊतकों में अपनी ऑक्सीजन कम छोड़ते हैं।

22. स्पर्धा संबंध से अनुपात $[\mathrm{HbCO}]/[\mathrm{HbO_2}]$, $p(\ce{O2})$ के अनुपात में गिरता है: शुद्ध ऑक्सीजन में साँस लेना, वायु के दाब का लगभग पाँच गुना, कार्बन मोनोऑक्साइड को तेज़ी से विस्थापित करता है।

23. CO के रैखिक बंधन में बाधा डालकर और $\ce{O2}$ से हाइड्रोजन आबंध बनाकर, यह $M$ को मुक्त हीम के कहीं बड़े मान के बजाय सैकड़ों में रखता है; अन्यथा शरीर में बनी कार्बन मोनोऑक्साइड भी हीमोग्लोबिन के बड़े भाग को अवरुद्ध कर देती।

24. विश्राम पर रक्त प्रति मिनट लगभग $0.34\,\mathrm{L}$ ऑक्सीजन पहुँचाता है।