જીવસંશ્લેષણ (biosynthesis)

જીવસંશ્લેષણ (biosynthesis) :  સાદા અણુઓ દ્વારા જીવંત પ્રણાલીઓમાં રાસાયણિક સંયોજન નિર્માણ થવાની પ્રક્રિયા. ઉત્સેચકો દ્વારા ઉદ્દીપન પામતી આવી જીવસંશ્લેષણ પ્રક્રિયાઓને પ્રાથમિક તથા દ્વિતીયક એમ બે વિભાગમાં વહેંચવામાં આવે છે.

પ્રાથમિક પ્રક્રિયાઓ વિવિધ જાતિ(species)ની વિશાળ સંખ્યાને લાગુ પડે છે. આનું ઉત્તમ ઉદાહરણ પ્રકાશસંશ્લેષણ છે. આ પ્રક્રિયા દ્વારા લીલા છોડ હવામાંના કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડનું ગ્લુકોઝ જેવા કાર્બોહાઇડ્રેટમાં રૂપાંતર કરે છે. આવી બીજી પ્રાથમિક પ્રક્રિયાઓ જે લગભગ બધી જ વનસ્પતિની, પ્રાણીઓની તથા જીવાણુઓની જાતિઓમાં સામાન્ય છે, તે α – ઍમિનોઍસિડમાંથી પ્રોટીનનું ઉત્પાદન તથા સાદાં પ્યુરાઇન્સ, પિરિમિડીન, રિબૉઝ અને ફૉસ્ફૉરિક ઍસિડમાંથી ન્યૂક્લિઇક ઍસિડનું ઉત્પાદન ગણાવી શકાય.

દ્વિતીયક પ્રક્રિયાઓ સામાન્યત: કોઈ એક જાતિ કે એક જ વંશની જાતિઓ માટે અદ્વિતીય (unique) હોય છે. આ પ્રક્રિયાઓ વડે બનતી નીપજોને દ્વિતીયક કુદરતી નીપજો કહે છે તથા તેમને આલ્કલૉઇડ, ટર્પિનૉઇડ (આઇસોપ્રિનૉઇડ), સ્ટીરૉઇડ, ફ્લેવેનૉઇડ, મેદજ ઍસિડ, પૉર્ફિરિન, પૉલિકિટાઇડ જેવા વિવિધ વિભાગોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે.

વિવિધ પ્રકારના કુદરતી પદાર્થોના જીવ-સંશ્લેષિત આંતરસંબંધો આકૃતિ(1)માં દર્શાવ્યા છે.

કાર્બન-ડાયૉક્સાઇડમાંથી વિવિધ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા અંતિમ કુદરતી નીપજ મળવાના ક્રમને જીવસંશ્લેષણક્રમ કહે છે અને તે અનેક સોપાનો દ્વારા શક્ય બને છે. કેટલીક કુદરતી નીપજોના વર્ગને વિશિષ્ટ જીવસંશ્લેષિત ઉદગમ (origin) હોય છે; દા.ત., બધાં જ ટર્પિન સંયોજનો 6 કાર્બનવાળા મેવાલોનિક ઍસિડમાંથી ઉદભવે છે. પ્રાણીઓમાં (માનવસહિત) કોલેસ્ટેરૉલ અણુમાં મેવાલોનિક ઍસિડ કેવી રીતે સમાવિષ્ટ થાય છે, તે આકૃતિ 2માં દર્શાવ્યું છે. કોલેસ્ટેરૉલ સંશોધિત ટ્રાઇટર્પિન છે જે લેનોસ્ટેરૉલના 3 મિથાઇલ સમૂહ દૂર થવાથી બને છે. આ જીવસંશ્લેષણ પથ કાર્બન-14 દ્વારા અંકિત (labelled) કરેલા પૂર્વગામી (precursors) સંયોજનમાંથી બને છે. આ C-14ની હાજરીથી સંયોજન વિકિરણોત્સર્ગી (radioactive) બને છે અને તેમાંથી β – કણો નીકળતા હોવાથી તેમની હાજરી પારખવી સરળ બને છે.

આ સિવાય કેટલાંક કુદરતી સંયોજનો માત્ર એક જ પૂર્વગામી દ્વારા બનતાં હોતાં નથી. આલ્કલૉઇડ આવું ઉદાહરણ છે. 500થી વધુ આલ્કલૉઇડ જાણીતાં છે. તેમનું જલીય દ્રાવણ તેમાંના નાઇટ્રોજનને કારણે આલ્કલીય હોય છે. કોનાઇન સૌપ્રથમ અલગ પાડેલો આલ્કલૉઇડ છે. તે 4 એસેટિક ઍસિડ એકમના રેખીય જોડાણથી બને છે, જે આકૃતિ 3માં દર્શાવ્યું છે.

ખૂબ જ સંકીર્ણ આલ્કલૉઇડ મૉર્ફિન છે, જે અફીણનો મુખ્ય ઘટક છે. મૉર્ફિન ટાયરોસિન નામના બે ઍમિનોઍસિડમાંથી નીપજે છે તે આકૃતિ 4માં દર્શાવ્યું છે.

કેટલાંક બહોળા પ્રમાણમાં ફેલાયેલાં કુદરતી સંયોજનો વિવિધ સંશ્લેષણ-પ્રક્રમો દ્વારા જુદી જુદી જાતિ(species)માં બને છે. આવું એક સંયોજન નિકોટિનિક ઍસિડ (નિયાસિન નામે ઓળખાતું વિટામિન) છે. જાનવરોમાં તથા કેટલીક ફૂગમાં તે ટ્રિપ્ટોફેનનો ચયાપચયી દ્રવ્ય (metabolite) છે. આ પ્રક્રમમાં ફૉર્માઇલ કાઇન્યૂરેનિન, 3-હાઇડ્રૉક્સી એન્થ્રાનિલિક ઍસિડ, ક્વિનોલિનિક ઍસિડ વગેરે મધ્યસ્થીઓ બને છે. કેટલાક છોડવાઓ (દા. ત., તમાકુ, મકાઈ, દિવેલી)માં તથા બૅક્ટેરિયા(E.Coli)માં આનાથી જુદો જ પથ સંશ્લેષણમાં જોવા મળે છે. આ જાતિઓમાં આસ્પાર્ટિક ઍસિડ તથા

3 કાર્બનવાળું સંયોજન (સંભવત: ગ્લિસરાલ્ડિહાઇડ-3-ફૉસ્ફેટ) છેવટે જોડાઈને ક્વિનોલિનિક ઍસિડ મારફતે નિકોટિનિક ઍસિડ આપે છે તે આકૃતિ 5માં દર્શાવ્યું છે :

આ ઉપરાંત કેટલાયે સંકીર્ણ અણુઓ એક જ પ્રકારના જીવરાસાયણિક (biochemical) માર્ગ દ્વારા બિલકુલ વિભિન્ન જાતિમાં બનતા પણ જોવા મળે છે. આનું નોંધપાત્ર ઉદાહરણ લાઇસર્જિક ઍસિડના ટેટ્રાસાઇક્લિક કેન્દ્રનું બનવું, જે ટ્રિપ્ટોફેન, મેવાલોનિક ઍસિડ અને મિથિયોનિનનું S-મિથાઇલ સમૂહ દ્વારા નીચલા સજીવો(organisms)માં તેમજ ઉપલા વર્ગના છોડવાઓમાં બને છે. આકૃતિ 6માં આ દર્શાવ્યું છે :

પૃથ્વી ઉપર જીવન ખૂબ સાદા સજીવોમાંથી ઉદભવીને પછી છોડવા તથા જાનવરોમાં વિકસતું ગયું. તેનું (બીજું) ઉદાહરણ છે, હીમ(પ્રાણીઓના લોહીમાંનો રાતો વર્ણક)ના પૉર્ફિરિન માળખાનું તથા ક્લૉરોફિલ (છોડવાઓનો લીલો વર્ણક)ના પૉર્ફિરિન માળખાનું બનવું – આ બંને સંયોજનો લગભગ એકસરખાં જીવરાસાયણિક સોપાનો દ્વારા બને છે.

સામાન્ય રીતે એમ કહી શકાય કે કુદરતે અનેક પ્રકારનાં કાર્બનિક સંયોજનો બનાવવાની પ્રખર (elegant) રીત અજમાવી છે, જે માત્ર સજીવ પ્રણાલીઓ પૂરતી જ વિશિષ્ટ નથી. અને તેથી જ કાર્બનિક રસાયણશાસ્ત્રીઓએ આમાંના ઘણા કુદરતી પદાર્થો સંશ્લેષણ દ્વારા વિકસાવ્યા છે, જે કુદરતમાં ઉત્સેચક દ્વારા ઉદ્દીપિત સંયોજનોના જેવો જ પ્રક્રમ દર્શાવે છે.

જીવસંશ્લેષણ પ્રક્રિયાઓનું સર્વેક્ષણ : જે રીતે કુદરતી નીપજોનાં જીવસંશ્લેષણ માટેનાં આવશ્યક સાદાં સંયોજનો મર્યાદિત સંખ્યામાં હોય છે તે જ રીતે આ માટેની આવશ્યક રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ પણ મર્યાદિત જ હોય છે. લાક્ષણિક કાર્બનમાળખાં બનાવવા માટે આવશ્યક મૂળભૂત રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓનો સાર અહીં આપ્યો છે.

(i) એસેટોજેનિન્સ : આ સંયોજનો એસેટિક ઍસિડના શીર્ષ-પુચ્છ (headtail) પ્રકારે કીટોન તથા મિથિલિન સમૂહ વચ્ચે વારાફરતી જોડાઈ, રેખીય શૃંખલા બનાવે છે; દા. ત., CH₃ COCH₂ COCH₂ COCH₂……..COOH ઇનોલિક મિથિલિન તથા તેનાથી છ કાર્બન દૂરના કીટોન વચ્ચે આલ્ડોલ સંકલન દ્વારા ચક્રીકરણ (cyclisation) પામે છે.

(ii) ટર્પિન્સ : આઇસોપ્રિન એકમના શીર્ષ-પુચ્છ જોડાણથી બનતી શૃંખલા. આવા 5 કાર્બનવાળા મૂળભૂત એકમમાં રેખીય નહિ પરંતુ ઉપશાખાયુક્ત (ત્રણ એસેટિક ઍસિડ સમૂહોનું) સંકલન થાય છે.

આ પ્રક્રિયાને અંતે ડીકાર્બોક્સિલેશન  નિર્જલીકરણ પ્રક્રિયા થાય છે. 2થી 8 આઇસોપ્રિન એકમો દ્વારા બનતી શૃંખલાઓ ત્યાર પછી ચક્રીકરણ પામે છે.

(iii) આલ્કલૉઇડ : અહીં મૂળભૂત વિધિ (operation) ઍમિનોઍસિડ RCH(NH₂) COOHનું એમાઇનમાં RCH₂NH₂ પરિવર્તન તથા તેનું આલ્ડિહાઇડ RCHO સાથે મેનિખ પ્રક્રિયા દ્વારા જોડાણ છે. આ પ્રત્યેક કુળ(family)માં બહુ જૂજ દ્વિતીયક પ્રક્રિયાઓ પણ થાય છે, જે તેના સભ્યોમાં રહેલી ભિન્નતા માટે કારણભૂત હોય છે. આવી દ્વિતીયક પ્રક્રિયાઓ નીચે મુજબ ગણાવી શકાય :

(અ) આલ્કિલેશન : બધી જીવસંશ્લેષણ આલ્કિલેશન પ્રક્રિયાઓ મિથિલેશન અથવા આઇસોપેન્ટાઇલેશન હોય છે, જે એમાઇન અથવા ઇનોલેટ ઋણાયન રચનાના કાર્બન અથવા ઑક્સિજન ઉપર થતી જણાય છે. જીવરાસાયણિક ર્દષ્ટિએ મિથિલેશનમાં મિથિયોનિનના સલ્ફર પરમાણુ ઉપરનો મિથાઇલ સમૂહ સ્થાનફેર પામે છે, જ્યારે આઇસોપેન્ટાઇલેશનમાં આઇસોપેન્ટિનાઇલ પાયરોફૉસ્ફેટ ઉપર ઇનોલેટ (યા કોઈવાર આલ્કિન) આક્રમણ કરે છે.

(આ) અપચયન : કાર્બોનિલ સમૂહનું આલ્કોહૉલમાં અપચયન સામાન્ય પ્રક્રિયા છે અને કાર્બોનિલ સમૂહો સાથે સંયુગ્મી રૂપે રહેલા દ્વિબંધના અપચયન જેવો જ પ્રક્રમ દર્શાવે છે. આની પ્રત્યાવર્તી પ્રક્રિયા (ઉપચયન) પણ સામાન્ય છે. મોટા ભાગની જીવરાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ પ્રત્યાવર્તી હોય છે.

(ઇ) ઉપચયન (oxidation) : આ પ્રક્રિયા એક અથવા બે ઇલેક્ટ્રૉન દ્વારા ઉપચયનને OH^⊕ આયનનું એમાઇન, ઇનોલેટ ઋણાયન કે ઓલેફિન ઉપરનું આક્રમણ ગણાવી શકાય. એક ઇલેક્ટ્રૉન દ્વારા ઇનોલેટ/ફિનોલેટ ઋણાયનનું ઉપચયન ઇનોલિક મૂલક નિપજાવે છે, જે તેના જેવા બીજા મૂલક સાથે જોડાઈને દ્વિલક (dimer) અણુ બનાવે છે.

(ઈ) સ્વત: પ્રવર્તિત (spontaneous) પ્રક્રિયાઓ : સામાન્ય તાપમાને તટસ્થ પરિસ્થિતિમાં આવી પ્રક્રિયાઓ સરળ હોય છે. તેનાં જીવસંશ્લેષિત સોપાનોની પ્રક્રિયાઓ મુખ્યત્વે આલ્ડોલ સંકલન, કાર્બોનિલ સમૂહની β-સ્થિતિમાંના આલ્કોહૉલનું નિર્જલીકરણ, β-કીટો ઍસિડનું કાર્બૉક્સીકરણ તથા γ- અને δ-લેક્ટૉન અને લેક્ટામનું સ્વત:સમાપન (closure) ગણાવી શકાય.

જ. પો. ત્રિવેદી