Amino acids

सभी amino acids की संरचना में एक समानता है। इनके एक central carbon atom पर चार भिन्न-भिन्न compounds लगे रहते हैं।
Carboxyl group (-COOH) - जो physiological pH पर सदा -COO- के anion रूप में मिलता है। इसका H+, -NH2 के साथ जुड़ जाता है।
Amino group (-NH2) - जो physiological pH पर, अधिकांशतयः -COOH से मिले H+ से जुड़कर -NH3+ के रूप में मिलता है।
Amino acids पर anions एवं cations दोनों की उपस्थिति के कारण इसे 'zwitterion' भी कहते हैं। इस प्रकार, physiological pH पर amino acids सदा ही ionised रूप में मिलते हैं। (-COOH) के weakly acidic होने के कारण proteins का प्रभाव भी weakly acidic ही होता है।
Human proteins में amino acids की L-alpha form ही होती है जबकि इसकी D-alpha form का microorganism बहुत खुलकर प्रयोग करते हैं।
सबसे छोटा amino acid, glycine है। इसकी विशेषता है कि जहाँ कोई भी अन्य amino acid नहीं पहुँच पाता, यह वहां भी प्रयोग में आ जाता है।
अभी तक लगभग 300 amino acids ज्ञात हैं। इनमें proteins के monomer के रूप में 20 प्रमुख हैं। शरीर को इनकी आवश्यकता के अनुसार यह दो प्रकार के हो सकते हैं।
Nonessential amino acids - इनमें से 10 amino acids ऐसे हैं जिनका निर्माण शरीर में भी संभव है। अतः यदि यह भोजन द्वारा प्राप्त न भी हों तब भी शरीर द्वारा इनका निर्माण संभव होने के कारण कोई विशेष परेशानी उत्पन्न नहीं होती।
Essential amino acids - यह वे 10 amino acids हैं जो शरीर में नहीं बनाये जा सकते। इनको भोजन से प्राप्त करना अति आवश्यक है।
Functions
Nerve transmission में सहायक हो सकते हैं
Porphyrins, purines, pyrimidines एवं urea की biosynthesis के लिए आवश्यक होती हैं

Peptides

कई amino acids से बनी छोटी chains को peptides कहते हैं।
Functions - यह neuroendocrine system में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं जिसमें यह hormones, hormone releasing factors, neuromodulators एवं neurotransmitters के रूप में कार्य करते हैं।

Proteins

Amino acids से बनी बड़ी chains को protein कहते हैं।
Functions - Proteins शरीर में अत्यंत महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं जिनमें कुछ प्रमुख proteins एवं उनके कार्य निम्नांकित हैं।
Cytoskeleton - cell shape एवं integrity के लिए
Actin एवं myosin filaments - muscle contraction के लिए
Hemoglobin - oxygen transport के लिए
Antibodies - immunity के लिए
Enzymes - metabolic activities के लिए
Receptors - hormones के action के लिए

Structure of protein

Primary structure - Formation of linear polypeptide chain
सर्वप्रथम amino acids के परस्पर जुड़ने से एक linear polypeptide chain का निर्माण होता है। Secondary structure - Formation of hydrogen bonds
Alpha helical folds - इस straight polypetide chain में नियमित अंतराल पर coils अथवा folds बनना प्रारम्भ होते हैं। कपड़ों की तह की भांति इस folding से chain के दूर-दूर स्थित भाग भी अब एक दूसरे के समीप आ जाते हैं जिससे दो तहों के बीच के electronegative atoms (nitrogen एवं oxygen) के मध्य hydrogen bonds बनने लगते हैं जो इन folds को और भी अधिक स्थायित्व प्रदान करते हैं। इस प्रकार की folding से alpha helical folds बनते हैं।
Beta pleated sheets - Protein के large molecule में, अलग-अलग polypeptide chains से बने अनेक folds भी एक दूसरे के समीप आ जाते हैं। इससे दो parallel alpha helical folds के nitrogen एवं oxygen atoms के मध्य भी hydrogen bonds बनने लगते हैं जिससे यह chains परस्पर जुड़ते हुए sheet का निर्माण करती हैं। इससे beta pleated sheet का निर्माण होता है।
Tertiary structure - Formation of van der Wall forces and disulphide bonds van der Wall forces - Secondary structure के बनने में hydrogen bonds, polypeptide chain के मध्य बनते हैं। Protein molecule को एक विशिष्ट 3D संरचना के रूप में बनाने के लिए अब इसकी side chains के बीच interaction का आरम्भ होता है। Folding के साथ ही सभी hydrophobic side chains, इन folds के बीच में छुपने लगती हैं जिससे वह बाहरी water के संपर्क में आने से बची रहें। बाद में van der Waals forces के द्वारा इनको भीतर ही कस कर बंद कर दिया जाता है।
Disulphide bonds - Polypeptide chain में जहाँ भी दो cysteine amino acids एक दूसरे के समीप आते हैं, वे परस्पर disulphide bonds के द्वारा जुड़ जाते हैं। इस प्रकार से अब protein molecule अपनी 3D संरचना को प्राप्त कर लेता है।
Quaternary structure - Aggregation of subunits
इस प्रकार, किसी polypeptide chain की folding एवं इसके skeleton के amino acids के मध्य बने hydrogen bonds से secondary structure बनता है जिसमें polupeptide chain की side chains के मध्य बने van der Wall forces एवं disulphide bonds से tertiary structure बनता है। यह tertiary structures किसी protein molecule की एक subunit बनाती हैं। ऐसी दो या दो से अधिक subunits मिलकर एक protein molecule बनाती हैं। Collagen तीन subunits जबकि hemoglobin चार subunits से मिलकर बनता है।
Applied
Disorders of protein maturation
Protein maturation एवं folding की गड़बड़ियों से अनेक गंभीर रोग उत्पन्न हो सकते हैं।
Disorders of conformational changes or folding of proteins
Alzheimer’s disease में beta amyloid protein, refold अथवा misfold होकर self aggregates बना लेती है जो neurological tissues में जमा होकर इसका degeneration करा देते हैं।
Creutzfeldt Jacob disease (prion disease) में protein में conformational changes की गड़बड़ियों से यह misfolded protein, neurological tissues में जमा होकर इनका degeneration कराती है।
Disorders of chaperones - Proteins के tertiary structure के बनते समय, hydrophobic side chains को seal करने के लिए जिन proteins का उपयोग होता है उन्हें chaperones कहते हैं। इनमें प्रमुख है heat shock protein (hsp)। इन्हीं chaperones की कमी से hemoglobin molecule की चारों chains के जुड़ने में बाधा आती है जिसके फलस्वरूप thalassemias उत्पन्न होते हैं।

Collagen

शरीर में तीन प्रमुख fibrous proteins मिलती हैं, collagen, keratin एवं myosin। इनमें collagen की मात्रा सर्वाधिक होती है। वास्तव में, शरीर की कुल proteins का 25% भाग collagen द्वारा ही बनता है।
Bones एवं teeth का basic framework तो collagen का ही बना होता है जिस पर minerals जमा होते हैं।
Ligaments एवं tendons का मुख्य भाग भी collagen fibers द्वारा ही बनता है। Skin में collagen एवं keratin दोनों प्रकार से fibers का meshwork मिलता है। Skeletal एवं smooth muscles का प्रमुख भाग myosin द्वारा बनता है।
Structure: triple helix - Collagen की structural unit को tropocollagen कहते हैं। लगभग 1000 amino acids की chain से बना हुआ भाग, tropocollagen कहलाता है। अनेक tropocollagen, series में जुड़ते हुए collagen fiber का निर्माण करते हैं। Collagen fiber, 3 helical polypeptide chains के मिलने से बनता है। जिस प्रकार 3-4 पतली रस्सियों को बट कर एक मोटी रस्सी बनाई जाती है उसी प्रकार, collagen fiber में भी यह तीनों chains परस्पर interwind रहती हैं। यह तीनों chains पुनः hydrogen bonds एवं covalent cross links के द्वारा भी जुडी रहती हैं। Polypeptide chains की यही व्यवस्था, collagen fiber को tensile strength प्रदान करती है।
Precursor: pro-collagen - Collagen की उत्पत्ति एक larger molecule, procollagen की post-translational processing के द्वारा होती है जिसमें procollagen के एक भाग को काटकर अलग कर दिया जाता है। इसी processing के लिए vitamin C (ascorbic acid) की आवश्यकता होती है।
Applied
Scurvy - इसी post-translational processing की गड़बड़ी के कारण vitamin C की deficiency (scurvy) में capillaries एवं soft tissues की fragility बढ़ जाती है।
Genetic disorders of collagen biosynthesis - Collagen biosynthesis में गड़बड़ियां आने से bones (osteogenesis imperfecta) अथवा connective tissues (Ehler Danlos syndrome) भी dysfunctional हो जाते हैं।

Life cycle of proteins

Synthesis (जन्म) - mRNA के codes के आधार पर ribosomes पर translation के द्वारा polypeptide chain का निर्माण होता है।
Folding (विकास 1) - किसी protein का केवल एक polypeptide chain के रूप में बन जाने से ही काम नहीं चलता। कार्य करने के लिए protein molecule के विशिष्ट three dimensional structure की आवश्यकता होती है। इसके लिए polypeptide chain में अनेकों conformational changes उत्पन्न होते हैं जिनके द्वारा proteins अपने विकसित रूप को प्राप्त करती हैं।
Post-translational processing (विकास 2)- Protein molecule की 3D संरचना बन जाने के बाद इसमें से अनावश्यक भाग (जैसे N-terminal leader sequence) को निकाल दिया जाता है एवं इसमें कुछ अन्य आवश्यक chemical groups (जैसे fatty acid molecule) जोड़ दिए जाते हैं। यह भी protein molecule की कार्यक्षमता बढ़ाते हैं।
Translocation (कार्यक्षेत्र पर पहुंचना) - इस प्रकार बनी active एवं functional protein, अपने निर्धारित कार्य को करने के लिए अपनी target membrane पर पहुंचती है।
Activation (कार्यारम्भ) - अपने निर्धारित स्थान पर पहुँचकर इस protein में catalytic subunit जुड़ जाती है जिससे अब protein पूर्णरूप से कार्य करने के लिए तैयार हो जाती है।
Denaturation (बुढ़ापा) - समय के साथ oxidation, deamination अथवा denaturation के द्वारा protein की कार्यक्षमता घटती जाती है।
Ubiquitination (मृत्यु की पूर्व सूचना) - Denaturisation के साथ ही protein के साथ ubiquitin जुड़ने लगता है जो इस बात का सूचक है कि अब protein शीघ्र ही यह नष्ट होने वाली है।
Degradation (मृत्यु) - अंत में protein टूटकर amino acids के रूप में बिखर जाती है। यह amino acids पुनः protein synthesis के लिए प्रयोग में लाये जा सकते हैं।

Steps of protein synthesis

किसी cell में proteins के बनने की प्रक्रिया के प्रमुख बिंदु निम्नांकित हैं।
The genetic code
तुम जानते हो कि किसी protein की synthesis में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका nucleus में उपस्थित genes निभाते हैं जो इस बात का निर्धारण करते हैं कि उस cell से किस-किस प्रकार के protein का निर्माण होगा। जिस प्रकार मोबाइल नंबर में इसके अंकों का क्रम बदल जाने से एक नया नंबर बन जाता है, ठीक उसी प्रकार किसी protein मैं amino acids का क्रम बदल जाने से एक नयी protein बन जाती है। Genes में उपस्थित DNA में nitrogenous bases का क्रम ही यह निर्धारित करता है कि amino acids किस क्रम में लगेगें । इसे उस protein का genetic code कहते हैं।
किसी DNA helix में दोनों DNA strands परस्पर nitrogenous bases (purines - adenine A एवं guanine G तथा pyrimidines - thymine T एवं cytosine C) के मध्य बने hydrogen bonds से ही जुड़े होते हैं। क्रम में लगे प्रत्येक तीन nitrogenous bases का triplet, किसी एक amino acid का निर्धारण करता है। इस प्रकार यह triplet किसी एक amino acid का code word है। उदाहरण के रूप में, GGA का क्रम alanine amino acid का code है जबकि GCA valine का। ध्यान रहे, एक ही amino acid के लिए एक से अधिक codons भी हो सकते हैं।
Nitrogenous bases के इन्हीं triplets का क्रम, amino acids के जुड़ने के क्रम का निर्धारण करता है। अनेक amino acids एक विशिष्ट क्रम में जुड़कर polypeptide (small chain) एवं protein (large chain) का निर्माण करते हैं। उदाहरण के रूप में, मानव शरीर का सबसे छोटा polypeptide glutathione, glutamic acid, cysteine एवं glycine के जुड़ने से बनता है।

Transcription
इस प्रकार, genetic code का निर्धारण तो nucleus में स्थित genes के DNA में होता है परन्तु protein synthesis की प्रक्रिया तो cytoplasm में स्थित ribosomes में होती है। इसका अर्थ यह हुआ कि DNA से मिले genetic code को nuclear DNA से प्राप्त करके cytoplasmic robosomes तक पहुँचाना होगा। इसके लिए DNA के nitrogenous bases के क्रम की हूबहू कॉपी RNA के रूप में तैयार की जाती है। इस प्रक्रिया को transcription कहते हैं जिसका शाब्दिक अर्थ है, किसी मौखिक सूचना का लिखित रूप। Enzyme RNA polymerase इसमें महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह प्रक्रिया निम्न प्रकार से संपन्न होती है।
जिस gene का transcription होना है, DNA strand पर उसके ठीक पहले लगे भाग को promotor कहते हैं। Transcription की प्रक्रिया को आरम्भ करने के लिए RNA polymerase सर्वप्रथम इससे ही जुड़ जाता है।
यह RNA polymerase किसी jipper chain के slider की भांति कार्य करता है। Promotor से जुड़ने के बाद यह DNA helix के दोनों strands को दो turns तक खोलकर एक दूसरे से अलग कर देता है जिससे दोनों strands के मध्य स्थित nitrogenous bases प्रकट हो जाते हैं। इन्हीं nitrogenous bases को साँचा (templet) बनाकर उसकी कॉपी के रूप में RNA का निर्माण किया जाता है जिसमें DNA के triplet code से RNA के complementary triplet code या codon का निर्माण किया जाता है। ध्यान रहे, यह complementary (वास्तविक वस्तु के अनुसार निर्मित या जोड़ा बनाने वाली पूरक) copy है न कि complimentary (मुफ्त) copy । तुम जानते ही हो कि purine base adenine (A) हमेशा pyrimidine base thymine (T) से जुड़ता है तथा purine base guanine (G) हमेशा pyrimidine base cytosine (C) से। इसी के अनुसार triplet GGA की complementary copy के रूप में CCT का निर्माण होगा। क्योंकि RNA में pyrimidine base thymine के स्थान पर uracil (U) होता है अतः यह CCU के रूप में निर्मित होता है। इस प्रकार, DNA के nucleotides (nitrogenous base + deoxyribose sugar + phosphate) के सामने उसके complementary RNA nucleotides (nitrogenous base + ribose sugar + phosphate) एकत्रित होते जाते हैं। RNA polymerase इन nucleotides को DNA के nucleotides से hydrogen bonds के माध्यम से जोड़ देता है। इस bonding के लिए अधिक energy की आवश्यकता नहीं होती।
अगले चरण में इस नए nucleotide को RNA chain के nucleotides से जोड़ना है जो covalent bond से जुड़ते हैं। इस bond को बनाने के लिए बड़ी मात्रा में energy की आवश्यकता पड़ती है। इसके लिए, RNA polymerase में इन nucleotides में 2 अतिरिक्त phosphate radicals जोड़कर उन्हें activate करता जाता है जिसकी energy से वह RNA chain के nucleotides से जुड़ सकें। इस प्रक्रिया को RNA nucleotides का activaton कहते हैं।
जैसे-जैसे RNA polymerase, DNA पर आगे बढ़ता जाता है, वह नए-नए RNA nucleotides को chain में जोड़ता जाता है। इस प्रकार से RNA chain लम्बी होती चली जाती है। इस प्रकार से RNA chain लम्बी होती चली जाती है।
जिस प्रकार किसी gene के आरम्भ में promotor sequence होता है जिससे transcription की प्रक्रिया आरम्भ होती है, ठीक उसी प्रकार इसके अंत में chain terminating sequence भी होता है जहाँ पहुंचकर transcription की प्रक्रिया समाप्त हो जाती है। इसके बाद, RNA polymerase एवं नयी बनी RNA chain, DNA से अलग हो जाते हैं। RNA polymerase दोबारा नए transcription के लिए प्रयुक्त हो जाता है, DNA strands दोबारा आपस में जुड़कर helix बना लेते हैं तथा एक नई single stranded RNA chain, protein synthesis कराने के लिए तैयार हो जाती है। वास्तव में इस chain में वांछित gene के transcript के आगे-पीछे के कुछ अतिरिक्त nucleotides भी लग जाते हैं। इसीलिए इसे precursor RNA (pre-RNA) कहते हैं। Nucleotide chain का यह अतिरिक्त भाग intron कहलाता है जबकि gene के जितने भाग के transcript की वास्तव में आवश्यकता होती है वह exon कहलाता है। Protein synthesis के लिए आवश्यक complementary triplet code या codons इसी exon में रहते हैं। Nucleus में ही उपस्थित small nuclear RNA (snRNA) इस pre-RNA में से intron को हटाकर केवल exon के रूप में mature RNA को उत्पन्न करता है।
इस प्रकार complementary copy के रूप में बना mature RNA, protein synthesis की सम्पूर्ण सूचना DNA से लेकर ribosomes तक जाता है जिसके कारण इसे messenger RNA (mRNA) कहते हैं।

Translation
mRNA, nucleus से nuclear membrane के pores से होकर बाहर निकलता है एवं cytoplasm में endoplasmic reticulum पर उपस्थित ribosomes पर पहुँचता है। यहाँ यह nuclear DNA के द्वारा प्राप्त amino acid sequence ribosome पर उपस्थित ribosomal RNA (rRNA) तक पहुंचाता है। इसी सूचना के आधार पर rRNA, amino acids को निर्धारित क्रम में जोड़कर उनसे प्रस्तावित protein का निर्माण करता है। इस प्रक्रिया को translation कहते हैं जिसका शाब्दिक अर्थ है किसी सन्देश को एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित करना। Transcription की प्रक्रिया में DNA sequence की जिस सूचना को mRNA पर अंकित किया गया था उसे ही translation की प्रक्रिया में amino acids को जोड़ने के रूप में प्रयुक्त किया जाता है।
स्वाभाविक रूप से protein synthesis के लिए amino acids की आवश्यकता पड़ेगी। इन amino acids को cellular stores से लाकर ribosomes पर उपलब्ध कराने का कार्य एक अन्य RNA करता है जिसे transfer RNA (tRNA) कहते हैं। यह 80 amino acids वाला, cloverleaf की आकृति का (जिसमें 3 लूप होते हैं) एक छोटा RNA molecule है जिसमें mRNA के coding sequence (codon) को पहचानने एवं उसके अनुरूप amino acids एकत्रित करने की क्षमता होती है। वास्तव में प्रत्येक प्रकार के codon के लिए अलग tRNA होता है जो जिसके लूप के सिरे पर उस codon की copy या anticodon लगा होता है। mRNA को जिस-जिस amino acid के आवस्यकता होती है, उसी प्रकार का rRNA इससे जुड़कर वांछित amino acids को उसी क्रम में उपलब्ध कराता जाता है।
Translation की प्रक्रिया cytoplasm में ribosomes पर स्थित rRNA में ही होती है। जिस प्रकार transcription में DNA strand एक templet के रूप में कार्य कर रहा था, उसी प्रकार translation में mRNA एक templet के रूप में कार्य करता है। mRNA द्वारा उपलब्ध कराई गयी transcript को रखकर, rRNA उस पर tRNA द्वारा लाये गए amino acids को उसी क्रम में जोड़ता जाता है। यह ठीक उसी प्रकार हुआ कि कुछ नंबर लिखे हुए ब्लॉक्स (amino acids) को अनेक बच्चों (tRNA) ने उठा लिया। अब इन नंबरों को जैसे-जैसे पुकारा गया (mRNA), बच्चे उस क्रम में दौड़ते हुए आते गए और उस नंबर के ब्लॉक को (rRNA को) पकड़ाते गए। किसी stapler मशीन की भांति rRNA, इन amino acids को चेन (polypeptide अथवा protein) के रूप में जोड़ता जाता है। mRNA में स्थित अनेक codons में कुछ protein synthesis आरम्भ कराने वाले start codon एवं कुछ protein synthesis को रोकने वाले stop codon भी होते हैं। Translation की प्रक्रिया start codon से आरम्भ होकर stop codon पर समाप्त होती है। इससे ठीक उसी protein का निर्माण होता है जिसका निर्धारण genetic code के द्वारा किया गया था।