4.1 एंजाइम: वर्गीकरण और क्रियाविधि

एंजाइम जैव-उत्प्रेरक होते हैं और वे जैव-रासायनिक अभिक्रियाओं को in vivo और in vitro दोनों में उत्प्रेरित करते हैं। वे अपने सब्सट्रेट के प्रति अत्यधिक विशिष्ट होते हैं और उत्कृष्ट उत्प्रेरक शक्ति रखते हैं, अर्थात वे अभिक्रिया की दर को असाधारण रूप से बढ़ा देते हैं बिना स्वयं बदले। सभी एंजाइम प्रोटीन होते हैं, कुछ छोटे समूह के उत्प्रेरक RNA अणुओं को छोड़कर जिन्हें राइबोजाइम्स कहा जाता है। प्रोटीनों की तरह, एंजाइमों का आणविक भार लगभग 2000 से लेकर एक मिलियन डाल्टन से अधिक तक होता है। प्रोटीनयुक्त एंजाइमों की एंजाइमिक गतिविधि उनके संरचनात्मक आकृति और विकृतिकरण पर निर्भर करती है। कई ऐसे एंजाइम होते हैं जिन्हें उनकी उत्प्रेरक गतिविधि के लिए सह-कारकों की आवश्यकता होती है। सह-कारक एक जटिल कार्बनिक अणु हो सकता है जिसे सह-एंजाइम (Table 4.1) कहा जाता है या यह एक धातु आयन जैसे $\mathrm{Fe}^{2+}, \mathrm{Mn}^{2+}$, $\mathrm{Zn}^{2+}, \mathrm{Mg}^{2+}$ (Table 4.2) हो सकता है। एक एंजाइम और उसका सह-कारक मिलकर होलोएंजाइम कहलाते हैं। ऐसे मामलों में, सह-कारक की आवश्यकता वाले एंजाइम में प्रोटीन घटक को अपोएंजाइम कहा जाता है।

Table 4.1: कुछ सह-एंजाइम और उनके पूर्ववर्ती विटामिन और उनकी भूमिका

सहएंजाइम उत्प्रेरण में क्षणिक रूप से भाग लेते हैं और विशिष्ट कार्यात्मक समूहों के वाहक होते हैं। अधिकांश सहएंजाइम विटामिनों से व्युत्पन्न होते हैं (कार्बनिक पोषक तत्व जो आहार में थोड़ी मात्रा में आवश्यक होते हैं)।

तालिका 4.2: धातु आयन जो एंजाइमों के सहकारक के रूप में कार्य करते हैं

जब एक सहएंजाइम या धातु आयन एंजाइम प्रोटीन के साथ सहसंयोजी बंध के माध्यम से दृढ़ता से बंधा होता है, तो इसे प्रोस्थेटिक समूह कहा जाता है।

4.1.1 एंजाइमों का वर्गीकरण

एक व्यवस्थित अध्ययन करने और अस्पष्टताओं से बचने के लिए यह ध्यान में रखते हुए कि नए एंजाइम भी खोजे जा सकते हैं, अंतर्राष्ट्रीय जैव रसायन संघ (I.U.B.) ने 1964 में एंजाइमों के वर्गीकरण को अपनाया जो वे उत्प्रेरित करने वाली अभिक्रियाओं के प्रकार पर आधारित है। इस आयोग के अनुसार, सभी एंजाइमों को 6 प्रमुख वर्गों में वर्गीकृत किया गया है (तालिका 4.3)।

तालिका 4.3: I.U.B. द्वारा अपनाया गया एंजाइमों का वर्गीकरण

आइसोएंजाइम

कई एंजाइम एक ही प्रजाति, ऊतक या यहाँ तक कि एक ही कोशिका में एक से अधिक रूपों (एक से अधिक आणविक रूप) में उपस्थित होते हैं। इन एंजाइमों को आइसोएंजाइम या आइसोज़ाइम कहा जाता है। आइसोएंजाइम एक ही अभिक्रिया को उत्प्रेरित करते हैं लेकिन इनमें भिन्न अमीनो अम्ल संरचना होती है, इसलिए इनकी भौतिक-रासायनिक गुण भिन्न होते हैं। उदाहरण के लिए, एक ग्लाइकोलिटिक एंजाइम, हेक्सोकाइनेज विभिन्न ऊतकों में चार आइसोज़ाइम रूपों में मौजूद होता है। इसी प्रकार, लैक्टेट डिहाइड्रोजनेज (LDH), जो अवायवीय ग्लूकोज चयापचय में शामिल है, मानव में दो आइसोज़ाइम रूपों में होता है, एक हृदय में उपस्थित होता है और दूसरा कंकालीय पेशियों में पाया जाता है।

एंजाइम सक्रिय स्थल

एंजाइमों द्वारा किए जाने वाले उत्प्रेरक अभिक्रिया एंजाइम के एक विशिष्ट स्थल पर होती है। इस स्थल को सक्रिय स्थल कहा जाता है, और यह एंजाइम के कुल आकार का केवल छोटा भाग होता है। सक्रिय स्थल एंजाइम अणु में एक स्पष्ट रूप से परिभाषित जेब या दरार होता है जहाँ संपूर्ण या आंशिक रूप से अभिकारक फिट हो सकता है। सक्रिय स्थल की एक त्रि-आयामी संरचना होती है क्योंकि यह पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के भागों से बना होता है। एंजाइम-अभिकारक बंधन में शामिल विभिन्न गैर-सहसंयोजक बंधन विद्युतस्थैतिक अन्योन्यक्रियाएँ, हाइड्रोजन बंध, वान डेर वाल्स बल और हाइड्रोफोबिक अन्योन्यक्रियाएँ हैं। सक्रिय स्थल अक्सर अध्रुवीय वातावरण से युक्त होता है जो अभिकारक के बंधन और उत्प्रेरण को सरल बनाता है।

हालांकि, कुछ ध्रुवीय अवशेष भी उपस्थित हो सकते हैं। इस प्रकार का वातावरण एंजाइम अणु के किसी अन्य क्षेत्र में नहीं पाया जाता है।

फिशर का लॉक एंड की मॉडल

1894 में, लॉक एंड की मॉडल का प्रस्ताव एमिल फिशर द्वारा सब्सट्रेट और एंजाइम की अन्योन्यक्रिया के लिए किया गया। इस मॉडल के अनुसार, एंजाइम और सब्सट्रेट के बीच पूरक संरचनात्मक विशेषताएँ होती हैं, और सक्रिय स्थल पहले से ही सब्सट्रेट को फिट करने के लिए आकारबद्ध होता है। सब्सट्रेट एंजाइम पर अपने पूरक स्थल में उसी प्रकार फिट होता है जैसे एक चाबी ताले में फिट होती है। इससे एक एंजाइम-सब्सट्रेट संकुल का निर्माण होता है (चित्र 4.1)।

चित्र 4.1: लॉक एंड की मॉडल के अनुसार एंजाइम और उसके सब्सट्रेट के बीच अन्योन्यक्रिया

कोशलैंड का प्रेरित फिट मॉडल

डैनियल कोशलैंड ने 1958 में प्रेरित फिट परिकल्पना प्रस्तावित की। उन्होंने सुझाव दिया कि सब्सट्रेट की संरचना एंजाइम-सब्सट्रेट संकुल में सक्रिय स्थल के अनुरूप हो सकती है, लेकिन मुक्त एंजाइम में नहीं। सब्सट्रेट और एंजाइम के बीच अन्योन्यक्रिया एंजाइम में संरचनात्मक परिवर्तन उत्पन्न करती है जो

चित्र 4.2: प्रेरित फिट मॉडल के अनुसार एंजाइम और उसके सब्सट्रेट के बीच अन्योन्यक्रिया

अमीनो अम्ल अवशेष या अन्य समूह सब्सट्रेट बंधन, उत्प्रेरण या दोनों के लिए होते हैं। एक सब्सट्रेट और सक्रिय स्थल के बीच संबंध हाथ और ऊनी दस्ताने जैसा होता है। अंतःक्रिया के दौरान, एक घटक अर्थात् सब्सट्रेट या हाथ की संरचना कठोर बनी रहती है और दूसरे घटक अर्थात् सक्रिय स्थल या दस्ताने की आकृति लचीली होती है ताकि पहले के पूरक बन सके (चित्र 4.2)।

एंजाइम विशिष्टता

एंजाइम क्रिया में अत्यधिक विशिष्ट होते हैं। वास्तव में, वे गुण जो एंजाइमों को इतने प्रभावशाली उत्प्रेरक बनाते हैं, वे हैं सब्सट्रेट बंधन की विशिष्टता और उत्प्रेरक समूह की आदर्श व्यवस्था। विभिन्न प्रकार की एंजाइम विशिष्टताएँ हैं: समूह विशिष्टता, पूर्ण विशिष्टता, स्टीरियोविशिष्टता और ज्यामितीय विशिष्टता। जब एंजाइम कई भिन्न किंतु निकट संबंधित सब्सट्रेटों पर कार्य करते हैं तो इसे समूह विशिष्टता कहा जाता है। जब एंजाइम केवल एक विशेष सब्सट्रेट पर ही कार्य करते हैं, तो इसे पूर्ण विशिष्टता कहा जाता है। स्टीरियोरासायनिक या प्रकाशिक विशिष्टता तब होती है जब सब्सट्रेट दो स्टीरियोरासायनिक रूपों में मौजूद हो (रासायनिक रूप से समान पर त्रिविमीय स्थान में परमाणुओं की व्यवस्था भिन्न) तब केवल एक ही आइसोमर विशेष एंजाइम द्वारा अभिक्रिया करेगा। उदाहरण के लिए, D-अमीनो अम्ल ऑक्सीडेस D-अमीनो अम्लों को किटो अम्लों में ऑक्सीकरण करता है। ज्यामितीय विशिष्टता में, एंजाइम सिस और ट्रांस रूपों के प्रति विशिष्ट होते हैं। उदाहरण के लिए, फ्यूमरेज फ्यूमरेट और मैलेट के पारस्परिक रूपांतरण को उत्प्रेरित करता है।

4.1.2 एंजाइम क्रियाकलाप को प्रभावित करने वाले कारक

एंज़ाइम-कैटालिज़्ड अभिक्रियाओं की दर पर्यावरणीय परिस्थितियों को बदलने से प्रभावित होती है। वे प्रमुख कारक जो एंज़ाइम-कैटालिज़्ड अभिक्रियाओं के वेग को प्रभावित करते हैं, तापमान, pH, सब्सट्रेट सांद्रता और मॉड्यूलेटर हैं।

1. तापमान
एंज़ाइम-कैटालिज़्ड अभिक्रिया की दर तापमान बढ़ाने पर एक उच्चतम (मैक्सिमम) बिंदु तक बढ़ती है और फिर घटने लगती है। जब तापमान बनाम एंज़ाइम सक्रियता का ग्राफ़ खींचा जाता है, तो एक घंटी-आकृति (bell-shaped) वक्र प्राप्त होता है (चित्र 4.3)। वह तापमान जिस पर अभिक्रिया की अधिकतम दर होती है, उस एंज़ाइम का ‘इष्टतम तापमान’ (optimum temperature) कहलाता है। विभिन्न एंज़ाइमों के लिए यह इष्टतम तापमान भिन्न-भिन्न होता है; पर अधिकांश एंज़ाइमों के लिए यह 40 °C से 45 °C के बीच होता है। मानव शरीर के अधिकांश एंज़ाइमों का इष्टतम तापमान लगभग 37 °C (98.6 °F) होता है और वे अत्यधिक तापमान पर विकृत (denatured) या विघटित हो जाते हैं। फिर भी कुछ एंज़ाइम—जैसे Taq DNA पॉलिमरेज़ जो ताप-प्रेमी जीवाणु Thermus aquaticus में पाया जाता है, विष फॉस्फोकाइनेज़ और मांसपेशी एडेनिलेट काइनेज़—100 °C पर भी सक्रिय रहते हैं।

चित्र 4.3: तापमान का एंज़ाइम सक्रियता पर प्रभाव

2. हाइड्रोजन आयन सांद्रता (pH)

एंजाइम की सक्रियता $\mathrm{pH}$ से भी प्रभावित होती है। $\mathrm{pH}$ के विरुद्ध एंजाइम सक्रियता का आलेख एक घंटाकार वक्र देता है (चित्र 4.4)। प्रत्येक एंजाइम का अपना अद्वितीय इष्टतम $\mathrm{pH}$ होता है जिस पर अभिक्रिया की दर सर्वाधिक होती है। इष्टतम $\mathrm{pH}$ वह $\mathrm{pH}$ है जिस पर किसी विशेष एंजाइम की सक्रियता अधिकतम होती है। उच्चतर जीवों के अनेक एंजाइम उदासीन $\mathrm{pH}$ (6-8) के आसपास इष्टतम अभिक्रिया दर दिखाते हैं। फिर भी, कुछ अपवाद हैं जैसे पेप्सिन (pH 1-2), अम्ल फॉस्फेटेज़ ($\mathrm{pH}$ 4-5) और क्षारीय फॉस्फेटेज़ ($\mathrm{pH}$ 10-11)। इष्टतम $\mathrm{pH}$ से नीचे और ऊपर एंजाइम की सक्रियता बहुत कम हो जाती है और चरम $\mathrm{pH}$ पर एंजाइम पूरी तरह निष्क्रिय हो जाता है।

चित्र 4.4: एंजाइम सक्रियता पर pH का प्रभाव

3. सब्सट्रेट सांद्रता

सब्सट्रेट सांद्रता भी एंजाइम गतिविधि को प्रभावित करती है। जैसे-जैसे सब्सट्रेट सांद्रता बढ़ती है, अभिक्रिया की दर भी बढ़ती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि जितने अधिक सब्सट्रेट अणु एंजाइम अणुओं से संपर्क करेंगे, उतने अधिक उत्पाद बनेंगे। हालांकि, एक निश्चित सांद्रता के बाद, सब्सट्रेट सांद्रता में और वृद्धि अभिक्रिया की दर पर कोई प्रभाव नहीं डालेगी, क्योंकि सब्सट्रेट सांद्रता अब सीमित कारक नहीं रहेगी (चित्र 4.5)। इस चरण में, एंजाइम अणु संतृप्त हो जाते हैं और अपनी अधिकतम संभावित दर पर कार्य करते हैं।

4.1.3 एंजाइम गतिविधि की इकाई

एंजाइम इकाई (U) वह एंजाइम की मात्रा है जो मानक परिस्थितियों में प्रति मिनट 1 माइक्रोमोल सब्सट्रेट के रूपांतरण को उत्प्रेरित करता है। इंटरनेशनल यूनियन ऑफ बायोकेमिस्ट्री (I.U.B.) ने 1964 में एंजाइम इकाई को एंजाइम गतिविधि की इकाई के रूप में अपनाया। लेकिन इसे कैटल के पक्ष में त्याग दिया गया क्योंकि मिनट एक एसआई इकाई नहीं है। एक कैटल (kat) वह एंजाइम की मात्रा है जो प्रति सेकंड 1 मोल सब्सट्रेट को उत्प्रेरित करता है, इसलिए 1 kat $=60,000,000 \mathrm{U}$ है।

4.1.4 विशिष्ट गतिविधि

एंजाइम की एक अन्य सामान्य इकाई विशिष्ट गतिविधि है। इसे उत्पाद के उन मोल्स के रूप में परिभाषित किया जाता है जो एक एंजाइम द्वारा

चित्र 4.5: सब्सट्रेट सांद्रता का अभिक्रिया दर पर प्रभाव

एक निश्चित समय (मिनटों में) में दी गई परिस्थितियों के तहत प्रति मिलीग्राम प्रोटीन। विशिष्ट सक्रियता एंजाइम की शुद्धता को मिश्रण में मापने का एक माप है।

4.1.5 एंजाइम क्रिया की विधि

एंजाइम तंत्र को समझने के लिए, आपको एक अभिक्रिया के दो ऊष्मागतिक गुणों पर विचार करना चाहिए। ये हैं उत्पादों और अभिकारकों के बीच मुक्त ऊर्जा अंतर $(\Delta \mathrm{G})$ और वह ऊर्जा जो अभिकारक को उत्पाद में बदलने की प्रक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक होती है। पहली ऊर्जा, अर्थात् $\Delta \mathrm{G}$ यह निर्धारित करती है कि अभिक्रिया स्वतः होगी या नहीं, जबकि दूसरी अभिक्रिया की दर निर्धारित करती है। एंजाइम वह ऊर्जा प्रभावित करते हैं जो अभिक्रिया की दर को निर्धारित करती है। एंजाइम ऊष्मागतिकी के नियमों को नहीं बदल सकते और इसलिए वे किसी जैव रासायनिक अभिक्रिया की साम्यावस्था को नहीं बदल सकते। वे साम्यावस्था तक पहुँचने की प्रक्रिया को तेज करते हैं।

प्रतिक्रिया की दर बल्कि सक्रियण की मुक्त ऊर्जा $\left(\Delta \mathrm{G}^{\wedge}\right)$ पर निर्भर करती है, जिसका $\Delta \mathrm{G}$ से कोई संबंध नहीं होता। किसी प्रतिक्रिया का आधार $\mathrm{S}$ उत्पाद $\mathrm{P}$ में तब रूपांतरित होता है जब एक संक्रमण अवस्था बनती है जिसकी मुक्त ऊर्जा $\mathrm{S}$ या $\mathrm{P}$ दोनों से अधिक होती है। संक्रमण अवस्था और आधार की मुक्त ऊर्जा के बीच का अंतर गिब्स सक्रियण मुक्त ऊर्जा या सरलतः सक्रियण ऊर्जा $\left(\Delta \mathbf{G}^{A}\right)$ कहलाता है। एंजाइम प्रतिक्रिया की दर को बढ़ाते हैं बिना $\Delta \mathrm{G}$ को बदले, बल्कि वे सक्रियण ऊर्जा $\Delta \mathrm{G}^{\mathrm{A}}$ को घटाते हैं।

एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रिया की गतिकी

उत्प्रेरण के दौरान, आधार $\mathrm{S}$ एंजाइम $\mathrm{E}$ के सक्रिय स्थल से बंधता है और एंजाइम-आधार संकुल ES बनता है, जो अंततः उत्पाद $P$ में परिवर्तित होता है। प्रतिक्रिया को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है: $\mathrm{E}+\mathrm{s} \rightleftharpoons \mathrm{Es} \rightleftharpoons \mathrm{E}+\mathrm{P}$

जहाँ, E आधार $\mathrm{S}$ के साथ दुर्बंधित संकुल ES बनाता है। ES संकुल विघटित होकर उत्पाद $\mathrm{P}$ और मुक्त एंजाइम $\mathrm{E}$ उत्पन्न करता है।

एंज़ाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं की गतिकी को लिओनोर माइकेलिस और मॉड मेंटेन ने 1913 में समझाया। इस गतिकी की सबसे उल्लेखनीय विशेषता यह है कि विशिष्ट ES संकुल उत्प्रेरण के दौरान एक मध्यवर्ती होता है। एंज़ाइम गतिकी का माइकेलिस-मेंटेन सिद्धांत सबसे सरल है जो कई एंज़ाइमों की गतिकीय गुणों को समझाता है।

अभिक्रिया को और सरल करते हुए, माइकेलिस-मेंटेन ने एक सब्सट्रेट अभिक्रिया के लिए निम्न समीकरण व्युत्पन्न किया।

$$ \mathrm{v}_{0}=\frac{\mathrm{V} _{\max }[\mathrm{S}]}{\mathrm{K} _{\mathrm{m}}+[\mathrm{S}]} $$

इस समीकरण को माइकेलिस-मेंटेन समीकरण कहा जाता है। जहाँ, $\mathrm{K} _{\mathrm{m}}$ को माइकेलिस स्थिरांक कहा जाता है, $\mathrm{v} _{0}$ प्रारंभिक वेग है, $\mathrm{V} _{\max }$ अभिक्रिया का अधिकतम वेग है, और [S] सब्सट्रेट सांद्रता है।

$\mathrm{v} _{0}$ का [S] के विरुद्ध ग्राफ आयताकार अतिपरवलय देता है (चित्र 4.6)। $\mathrm{V} _{\max }$ किसी विशेष एंज़ाइम सांद्रता पर अधिकतम वेग है। $\mathrm{V} _{\text {max }}$ और $\mathrm{K} _{\mathrm{m}}$ को चित्र 4.6 में दिखाए अनुसार ग्राफ से निर्धारित किया जा सकता है।

ग्राफ़ में हम देख सकते हैं कि बहुत कम सब्सट्रेट सान्द्रण पर (जब $\left.[\mathrm{S}]«\mathrm{K} _{\mathrm{m}}\right), \quad \mathrm{V} _{0}=\left(\mathrm{V} _{\max } / \mathrm{K} _{\mathrm{m}}\right) /[\mathrm{S}]$, अर्थात् अभिक्रिया दर सब्सट्रेट सान्द्रण के अनुक्रमानुपाती होती है। उच्च सब्सट्रेट सान्द्रण पर (जब $\left.[\mathrm{S}]»\mathrm{K} _{\mathrm{m}}\right), \mathrm{v} _{0}=\mathrm{V} _{\max }$, अर्थात् अभिक्रिया दर अधिकतम होती है और सब्सट्रेट सान्द्रण से स्वतंत्र होती है। जब $[\mathrm{S}]=\mathrm{K} _{\mathrm{m}}$, तब $\mathrm{v} _{\mathrm{o}}=\mathrm{V} _{\max } / 2$। इस प्रकार, $\mathrm{K} _{\mathrm{m}}$ वह सब्सट्रेट सान्द्रण है जिस पर अधिकतम अभिक्रिया दर का आधा भाग प्राप्त होता है।

अधिकतम वेग, $\mathrm{V} _{\max }$ एक एंज़ाइम के टर्नओवर संख्या को दर्शाता है। टर्नओवर संख्या वह संख्या है जिसमें एक एंज़ाइम अणु द्वारा इकाई समय में सब्सट्रेट अणुओं को उत्पाद में परिवर्तित किया जाता है जब एंज़ाइम पूरी तरह से सब्सट्रेट से संतृप्त होता है। यह गतिक स्थिरांक $\mathrm{k} _{2}$ के बराबर होता है, जिसे $\mathrm{k} _{\text {cat }}$ भी कहा जाता है।

$\hspace{3cm}$[S]

आकृति 4.6: स्थिर एंज़ाइम सान्द्रण पर एकल सब्सट्रेट एंज़ाइम-उत्प्रेरित अभिक्रिया के लिए $v_{0}$ बनाम [S] का ग्राफ़ माइकेलिस-मेंटेन समीकरण के लिए

4.1.6 एंजाइम निरोधन

वे पदार्थ जो एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रिया की दर को घटाते हैं, एंजाइम निरोधक कहलाते हैं और इस प्रक्रिया को एंजाइम निरोधन कहा जाता है। एंजाइम निरोधन को प्रतिलोम निरोधन और अप्रतिलोम निरोधन में वर्गीकृत किया जा सकता है। अप्रतिलोम निरोधन में, निरोधक एंजाइम से बहुत मजबूती से बंधता है और उससे विघटित नहीं होता है। उदाहरण के लिए, प्रतिजैविक पेनिसिलिन एक निरोधक के रूप में कार्य करता है और एंजाइम ट्रांसपेप्टिडेस से बंधता है, जो जीवाणु कोशिका भित्ति के संश्लेषण के लिए उत्तरदायी है। इस प्रकार, इस औषधि का एंजाइम से बंधना कोशिका भित्ति संश्लेषण को रोकता है, जिससे जीवाणु मर जाते हैं। इसी प्रकार, औषधि एस्पिरिन एंजाइम साइक्लोऑक्सीजनेज को निरोधित करती है, जिससे सूजन कम होती है।

प्रतिलोम निरोधन में, निरोधक तेजी से एंजाइम-निरोधक संकुल से विघटित हो जाता है। प्रतिलोम निरोधन के तीन प्रकार होते हैं: प्रतिस्पर्धी, अप्रतिस्पर्धी और अप्रतिस्पर्धात्मक निरोधन।

(i) प्रतिस्पर्धी निरोधन

प्रतिस्पर्धी निरोधन में, निरोधक I और अभिकर्मक (\mathrm{S}) की संरचना में निकट समानता होती है, इसलिए वे दोनों एंजाइम के समान सक्रिय स्थल के लिए प्रतिस्पर्धा करते हैं। एंजाइम एंजाइम-अभिकर्मक ES संकुल बना सकता है या यह एंजाइम-निरोधक EI संकुल (चित्र 4.7) बना सकता है लेकिन दोनों ESI नहीं।

चित्र 4.7: प्रतिस्पर्धी निरोधन

प्रतिस्पर्धी अवरोधक सक्रिय एंजाइम अणुओं की मात्रा को घटाकर अभिक्रिया की दर को कम करते हैं जो कि किसी सब्सट्रेट से बंधे होते हैं। बहुत अधिक सब्सट्रेट सांद्रता पर, एंजाइम से अवरोधक अणु के बंधने की संभावना कम हो जाती है, इसलिए अभिक्रिया के लिए $V_{\max }$ नहीं बदलेगा। हालांकि, $K_{m}$ जो कि सब्सट्रेट सांद्रता है जिस पर $\mathrm{v} _{0}=1 / 2 \mathrm{~V} _{\max }$, अवरोधक की उपस्थिति में बढ़ जाता है और इसे प्रतीक $\mathrm{K} _{\mathrm{m}}^{\prime}$ द्वारा दर्शाया जाता है (चित्र 4.8)।

चित्र 4.8: प्रतिस्पर्धी अवरोधन के लिए माइकेलिस-मेंटन प्लॉट

(ii) गैर-प्रतिस्पर्धी अवरोधन

इस प्रकार के अवरोधन में, अवरोधक की संरचना सब्सट्रेट से मेल नहीं खाती और यह एंजाइम से सक्रिय स्थल के अलावा किसी अन्य स्थल पर बंधता है। इसलिए, $\mathrm{S}$ और I के बीच कोई प्रतिस्पर्धा नहीं होती, और ES, EI और ESI का निर्माण होता है।

निरोधक I और सब्सट्रेट $S$ एक ही एंज़ाइम अणु से एक साथ बाइंड हो सकते हैं क्योंकि उनके बाइंडिंग स्थान भिन्न होते हैं और इसलिए एक-दूसरे से ओवरलैप नहीं करते (चित्र 4.9)। गैर-प्रतिस्पर्धी निरोधक $\mathrm{V} _{\text {max }}$ को कम करता है बजाय इसके कि वह एंज़ाइम अणुओं के उस अनुपात को घटाए जो $\mathrm{S}$ से बाइंड होते हैं। इस प्रकार, गैर-प्रतिस्पर्धी निरोधक, प्रतिस्पर्धी निरोधक के विपरीत, सब्सट्रेट सांद्रता बढ़ाकर दूर नहीं किया जा सकता। सब्सट्रेट अभी भी EI कॉम्प्लेक्स से बाइंड हो सकता है। हालांकि, ESI उत्पाद नहीं बनाता। I प्रभावी रूप से सक्रिय एंज़ाइम की सांद्रता को घटाता है और इसलिए $\mathrm{V} _{\text {max }}$ को घटाता है। $K _{m}$ पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता क्योंकि निरोधक कार्यात्मक एंज़ाइम की मात्रा को घटाता है (चित्र 4.10)।

चित्र 4.9: गैर-प्रतिस्पर्धी निरोधक

चित्र 4.10: गैर-प्रतिस्पर्धी निरोधक के लिए माइकेलिस-मेंटन प्लॉट

(iii) अप्रतिस्पर्धी निरोधक

इस प्रकार के अवरोधन में, अवरोधक मुक्त एंजाइम से नहीं जुड़ता है। यह केवल एंजाइम-उपस्ट्रेट (ES) संकुल से सीधे जुड़ता है या इसका बंधन उस संरचनात्मक परिवर्तन द्वारा सुगम होता है जो उपस्ट्रेट के एंजाइम से बंधने के बाद होता है (चित्र 4.11)। दोनों स्थितियों में, अवरोधक उपस्ट्रेट के साथ एक ही बंधन स्थल के लिए प्रतिस्पर्धा नहीं करता है। इसलिए, उपस्ट्रेट की सांद्रता बढ़ाकर इस अवरोधन को दूर नहीं किया जा सकता है। दोनों $\mathrm{K}{\mathrm{m}}$ और $\mathrm{V}{\text{max}}$ मान बदल जाते हैं।

चित्र 4.11: अस्पर्धात्मक अवरोधन

4.1.7 एलोस्टेरिक एंजाइम्स

अलोस्टेरिक एंजाइम माइकेलिस-मेंटन काइनेटिक्स का पालन नहीं करते। ये एंजाइम सामान्यतः एक से अधिक प्रोटीन उपइकाइयों से बने होते हैं, इसलिए इनमें एक से अधिक सक्रिय स्थल होते हैं। अलोस्टेरिक एंजाइम आयताकार हाइपरबोला के बजाय सिग्मॉइडल ग्राफ देते हैं जब $\mathrm{v}_{0}$ को सब्सट्रेट सांद्रता [S] के विरुद्ध प्लॉट किया जाता है (चित्र 4.12)। अलोस्टेरिक एंजाइम की प्रत्येक उपइकाई में सक्रिय स्थल के साथ-साथ एक नियामक स्थल भी होता है। नियामक अणु उलटनीय रूप से नियामक स्थल से बंध सकते हैं और एंजाइम की सब्सट्रेट बंधन के प्रति आकर्षण को बदल सकते हैं। जहाँ अधिकांश एंजाइम माइकेलिस-मेंटन काइनेटिक्स का पालन करते हैं, वहीं अलोस्टेरिक एंजाइम कोशिका में उपापचयी पथों के प्रमुख नियामक होते हैं।

चित्र 4.12: एक अलोस्टेरिक एंजाइम की काइनेटिक्स

4.2 जैव ऊर्जा विज्ञान की संक्षिप्त भूमिका

जैव ऊर्जा विज्ञान या जैव ऊर्जिकी जीवित कोशिकाओं द्वारा ऊर्जा के रूपांतरण और उपयोग से संबंधित है। जैविक अभिक्रियाओं में, ऊर्जा तब मुक्त होती है जब अभिक्रियाएँ उच्च ऊर्जा स्तर से निम्न ऊर्जा स्तर की ओर बढ़ती हैं। ऊर्जा ऊष्मा के रूप में मुक्त होती है।

$$ \mathrm{A}+\mathrm{X} \longrightarrow \mathrm{B}+\mathrm{Y}+\text { ऊष्मा } $$

चयापचयों A → B का रूपांतरण ऊर्जा के मुक्त होने के साथ होता है। इसे दूसरी अभिक्रिया से संयुक्त किया जाता है जिसमें चयापचय X → Y को रूपांतरित करने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

4.2.1 ऊष्मागतिकी के नियम

ऊर्जा कार्य करने की क्षमता है और यह विद्युत, यांत्रिक, रासायनिक, ऊष्मा और प्रकाश जैसी विभिन्न रूपों में विद्यमान है। ये ऊर्जा के रूप आपस में रूपांतरित किए जा सकते हैं। जैव ऊर्जाविज्ञान जैव रासायनिक प्रक्रियाओं के दौरान ऊर्जा में होने वाले परिवर्तनों से संबंधित है। यह प्रक्रिया की विधि या गति से संबंधित नहीं है। ऊष्मागतिकी भौतिक रसायन की वह शाखा है जो ऊर्जा परिवर्तनों से संबंधित है। ऊष्मागतिकी के दो मूलभूत नियम हैं जो ऊर्जा के विभिन्न रूपों के आपसी रूपांतरण को समझाते हैं। ये दोनों नियम निम्नलिखित को समझने में भी सहायता करते हैं:

1. अभिक्रिया की दिशा, चाहे आगे की ओर या पीछे की ओर।

2. कार्य की पूर्ति, चाहे उपयोगी हो या अनुपयोगी।

3. क्या किसी अभिक्रिया को संपन्न करने के लिए ऊर्जा बाह्य स्रोत से प्रदान की जानी चाहिए।

ऊष्मागतिकी का प्रथम नियम

इस नियम के अनुसार, किसी भी प्रक्रिया में ऊर्जा का आदान-प्रदान ‘तंत्र’ और ‘परिवेश’ के बीच होता है। तंत्र एक निर्धारित क्षेत्र के भीतर का पदार्थ है, और परिवेश ब्रह्मांड के शेष भाग में स्थित पदार्थ को सम्मिलित करता है। इस प्रकार, तंत्र और परिवेश मिलकर ब्रह्मांड बनाते हैं, जिसमें संपूर्ण पृथ्वी और बाह्य अंतरिक्ष सम्मिलित हैं।

प्रथम ऊष्मागतिकी नियम कहता है कि ‘ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, परंतु इसे ऊर्जा के अन्य रूपों में परिवर्तित किया जा सकता है’। इसका अर्थ है, ब्रह्मांड में ऊर्जा की कुल मात्रा (तंत्र और परिवेश) नियत रहती है।

$$ \mathrm{E}=\mathrm{E} _{\mathrm{B}}-\mathrm{E} _{\mathrm{A}}=\mathrm{Q}-\mathrm{W} $$

जहाँ,

$\mathrm{E}=$ आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन

$\mathrm{E} _{\mathrm{A}}=$ प्रक्रिया की शुरुआत में तंत्र की ऊर्जा

$\mathrm{E} _{\mathrm{B}}=$ प्रक्रिया के अंत में तंत्र की ऊर्जा

$\mathrm{Q}=$ तंत्र द्वारा अवशोषित ऊष्मा

$\mathrm{W}=$ तंत्र द्वारा किया गया कार्य

इस समीकरण के अनुसार, किसी तंत्र की ऊर्जा में परिवर्तन केवल प्रारंभिक और अंतिम अवस्थाओं पर निर्भर करता है, न कि रूपांतरण के पथ पर।

ऊष्मागतिकी का द्वितीय नियम

पहला ऊष्मागतिक नियम किसी अभिक्रिया के स्वतः होने या न होने की भविष्यवाणी नहीं कर सकता। दूसरी ओर, दूसरा नियम ‘एन्ट्रॉपी’ नामक एक पद प्रस्तुत करता है, जिसे चिह्न ‘(\mathrm{S})’ से दर्शाया जाता है। एन्ट्रॉपी किसी तंत्र में यादृच्छिकता या अव्यवस्था की मात्रा है और यह बताती है कि कोई अभिक्रिया स्वतः घटित होगी या नहीं। जब कोई तंत्र अधिक अव्यवस्थित होता है तो उसकी एन्ट्रॉपी बढ़ जाती है। तंत्र जैसे-जैसे साम्यावस्था की ओर बढ़ता है, एन्ट्रॉपी अधिकतम हो जाती है। जैविक तंत्र, हालांकि, दूसरे नियम का पालन नहीं करते क्योंकि जीवन उच्च संगठन या निम्न एन्ट्रॉपी की अवस्था है, न कि एन्ट्रॉपी वृद्धि की। इस अत्यधिक क्रमबद्ध जीवन-रूप को कुछ समय तक रासायनिक ऊर्जा (भोजन) के उपभोग से बनाए रखा जाता है और प्रकाश-संश्लेषी जीवों के मामले में प्रकाश ऊर्जा द्वारा। यह ऊर्जा या तो कम संगठित ऊर्जा (ऊष्मा) में परिवर्तित हो जाती है या कार्य करने में खर्च हो जाती है। अंततः, ऊष्मागतिक साम्यावस्था अवश्य आती है और मृत्यु के बाद प्रत्येक जीव के क्षय के साथ एन्ट्रॉपी बढ़ जाती है।

ऊष्मागतिक का दूसरा नियम कहता है कि ब्रह्मांड की एन्ट्रॉपी या अव्यवस्था सदैव बढ़ती रहती है। इस नियम के अनुसार, कोई प्रक्रिया तभी स्वतः घटित हो सकती है यदि तंत्र और उसके परिवेश की एन्ट्रॉपियों का योग बढ़ता है। इसे इस प्रकार दर्शाया जा सकता है,

[ \left(\mathrm{S}{\text{तंत्र}} + \mathrm{S}{\text{परिवेश}}\right) > 0 \quad \text{(स्वतः प्रक्रिया के लिए)} ]

इस प्रकार, किसी प्रक्रिया के स्वतः होने के लिए, तंत्र की कुल एन्ट्रॉपी में वृद्धि होनी चाहिए। हालांकि, कोई स्वतः प्रक्रिया चलते समय तंत्र की एन्ट्रॉपी घट भी सकती है, बशर्ते परिवेश की एन्ट्रॉपी इतनी बढ़ जाए कि उनका योग धनात्मक हो जाए।

प्रथम और द्वितीय नियम के बीच अंतर यह है कि प्रथम नियम किसी दी गई प्रक्रिया में संलग्न विभिन्न प्रकार की ऊर्जा के रूपांतरण से संबंधित है, जबकि द्वितीय नियम किसी दी गई तंत्र की ऊर्जा के कार्य करने की उपलब्धता से संबंधित है।

दोनों नियमों का संयोजन

एन्ट्रॉपी का उपयोग यह जानने के लिए मानदंड के रूप में नहीं किया जाता कि कोई जैव-रासायनिक अभिक्रिया स्वतः है या नहीं। ऐसा इसलिए है कि अभिक्रिया में एन्ट्रॉपी के परिवर्तन को मापा नहीं जा सकता। इसके अतिरिक्त, स्वतः होने के लिए परिवेश और तंत्र दोनों की एन्ट्रॉपी के परिवर्तनों को जानना चाहिए। इसलिए, इस समस्या को दूर करने के लिए एक भिन्न ऊष्मागतिक फलन ‘मुक्त ऊर्जा’ का उपयोग किया जाता है। मुक्त ऊर्जा को प्रतीक G से दर्शाया जाता है।

1878 में गिब्स ने ऊष्मागतिक के प्रथम और द्वितीय नियमों को संयोजित कर मुक्त ऊर्जा फलन बनाया। निम्न समीकरण प्राप्त हुआ,

$$ \mathrm{G}=\mathrm{H}-\mathrm{TS} $$

जहाँ,

$\mathrm{G}=$ अभिक्रियाशील तंत्र की मुक्त ऊर्जा में परिवर्तन

$\mathrm{H}=$ इस तंत्र की ऊष्मा-सामग्री या एन्थैल्पी में परिवर्तन

$\mathrm{T}=$ निरपेक्ष तापमान जिस पर प्रक्रिया हो रही है

$\mathrm{S}=$ तंत्र की एन्ट्रॉपी में परिवर्तन

यह समीकरण दर्शाता है कि स्वतंत्र ऊर्जा (G) में परिवर्तन, ऊष्मा (जिसे एन्थैल्पी, (\mathrm{H}) भी कहा जाता है), और एन्ट्रॉपी के बीच रासायनिक अभिक्रियाओं में स्थिर तापमान ((\mathrm{T})) और दाब ((\mathrm{P})) पर क्या सम्बन्ध है। जैव-रासायनिक अभिक्रियाएँ भी इन्हीं परिस्थितियों में होती हैं। G स्वतंत्र ऊर्जा में परिवर्तन या सैद्धान्तिक रूप से उपलब्ध उपयोगी कार्य है। TS पद वह (\mathrm{H}) का भाग है जिसे कार्य करने के लिए प्रयोग नहीं किया जा सकता।

एक बन्द तंत्र (closed system) को ऐसी प्रणाली कहा जाता है जो अपने परिवेश से ऊर्जा का आदान-प्रदान तो कर सकती है, किन्तु द्रव्य का नहीं। ऊर्जा के इस आदान-प्रदान में ऊष्मा-हस्तांतरण या कार्य सम्पादन सम्मिलित होना चाहिए। यदि स्थिर तापमान और दाब पर बन्द तंत्र में कोई प्रक्रिया चल रही है, जिसमें परिवेश से ऊष्मा का आदान-प्रदान हो रहा है और तंत्र का आयतन भी बदल रहा है, तो ऊष्मागतिकी के प्रथम नियम से,

[ \mathrm{E}=\mathrm{H}-\mathrm{PV} ]

जहाँ,

(\mathrm{E}) = आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन

(\mathrm{H}) = एन्थैल्पी में परिवर्तन

(\mathrm{PV}) = वह कार्य जो स्थिर दाब (\mathrm{P}) और तापमान (\mathrm{T}) पर तंत्र के आयतन को (\mathrm{V}) से बढ़ाकर परिवेश पर किया गया।

ATP: स्वतंत्र ऊर्जा की सार्वभौमिक मुद्रा

जीवित जीव पर्यावरण से मुक्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं। प्रकाशसंश्लेषी जीव इस ऊर्जा को सूर्य के प्रकाश से लेते हैं, जबकि रसायनपोषी (गैर-प्रकाशसंश्लेषी जीव) इसे खाद्य पदार्थों के ऑक्सीकरण से प्राप्त करते हैं। यह मुक्त ऊर्जा कोशिका में कुछ महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं को पूरा करने के लिए प्रयोग की जाती है, जैसे (i) छोटे अग्रद्रव्यों से बड़े अणुओं का संश्लेषण, (ii) झिल्ली के पार सक्रिय परिवहन (ग्रेडिएंट के विरुद्ध परिवहन), (iii) पेशी संकुचन, और (iv) आनुवंशिक सूचना के स्थानांतरण की शुद्धता। उपरोक्त प्रक्रियाओं में प्रयोग होने से पहले, मुक्त ऊर्जा (प्रकाश या खाद्य पदार्थों के ऑक्सीकरण से प्राप्त) को आंशिक रूप से एक विशेष रूप एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (ATP) में परिवर्तित किया जाता है। ATP को मुक्त ऊर्जा की सार्वभौमिक मुद्रा भी कहा जाता है। यह कोशिकाओं में एक्ज़र्गोनिक (ऊर्जा मुक्त करने वाली) प्रक्रियाओं से एंडरगोनिक (ऊर्जा उपभोग करने वाली) प्रक्रियाओं में मुक्त ऊर्जा के स्थानांतरण में केंद्रीय भूमिका निभाता है। ऊर्जा-समृद्ध खाद्य पदार्थों के टूटने के दौरान, कुछ मुक्त ऊर्जा एडेनोसिन डाइफॉस्फेट (ADP) और अकार्बनिक फॉस्फेट $(\mathrm{Pi})$ से ATP के संश्लेषण में खर्च होती है। ATP फिर अपनी अधिकांश रासायनिक ऊर्जा को जैवसंश्लेषण, परिवहन, पेशी संकुचन आदि जैसी ऊर्जा-आवश्यक प्रक्रियाओं को दान करता है, जिसमें यह स्वयं को ADP और $\mathrm{Pi}$ में परिवर्तित करता है और $7.3 \mathrm{Kcal}$/mol ऊर्जा मुक्त करता है। ATP को एडेनोसिन में परिवर्तित किया जा सकता है

चित्र 4.13: AMP, ADP और ATP की संरचना

मोनोफॉस्फेट (AMP) और PPi (पायरोफॉस्फेट) जबकि किसी अन्य प्रक्रिया में अपनी ऊर्जा दान करता है, उदाहरण के लिए, जुगनू द्वारा प्रकाश की चमक उत्पन्न करने में। ATP और इसके क्रमिक जल-अपघटन उत्पाद, ADP और AMP न्यूक्लियोटाइड होते हैं, जो एक एडेनिन (DNA और RNA में पाया जाने वाला एक प्यूरीन बेस), एक राइबोज (एक पेन्टोज शर्करा) और क्रमशः तीन, दो और एक फॉस्फेट समूहों से बने होते हैं (चित्र 4.13)।

सारांश

• एंजाइम उत्प्रेरक होते हैं जो जीवित प्रणाली में जैव-रासायनिक अभिक्रियाओं को उत्प्रेरित करते हैं।

• प्रत्येक एंजाइम में एक सक्रिय स्थल होता है जिसमें सब्सट्रेट अणु ठीक-ठीक फिट बैठता है। ‘लॉक एंड की’ परिकल्पना यह मानती है कि सब्सट्रेट एंजाइम के लॉक में ठीक-ठीक फिट बैठता है। इस परिकल्पना को अब संशोधित किया गया है।

• आधुनिक ‘इंड्यूस्ड फिट’ परिकल्पना सक्रिय स्थल को एक कठोर संरचना नहीं बल्कि एक लचीली संरचना मानती है, जो सब्सट्रेट अणु से ठीक-ठीक मेल खाने के लिए अपना आकार बदलती है।

• तापमान, $\mathrm{pH}$, सब्सट्रेट सांद्रता और अवरोधकों तथा सक्रियकों की उपस्थिति जैसे विभिन्न कारक एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं की दर को प्रभावित करते हैं।

• एंजाइम वह अभिक्रिया जिसे वे उत्प्रेरित करते हैं, उसकी सक्रियण ऊर्जा को कम करते हैं।

• सरल एकल-सब्सट्रेट एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं को माइकेलिस-मेंटेन गतिकी द्वारा वर्णित किया जा सकता है, जो सब्सट्रेट सांद्रता और प्रारंभिक वेग के संदर्भ में एक अतिपरवलयाकार ग्राफ देती है।

• एंजाइम अवरोधकों की उपस्थिति से भी प्रभावित होते हैं, जैसे प्रतिस्पर्धी, अप्रतिस्पर्धी और अस्पर्धी अवरोधक, जो अभिक्रिया की दर को धीमा करते हैं या पूरी तरह रोक देते हैं।

• जैवऊर्जा विज्ञान जीवित कोशिका द्वारा ऊर्जा के रूपांतरण और उपयोग से संबंधित है।

• ऊष्मागतिकी के दो नियम हैं। पहला नियम कहता है कि ऊर्जा न तो बनाई जा सकती है और न ही नष्ट की जा सकती है, लेकिन इसे ऊर्जा के अन्य रूपों में परिवर्तित किया जा सकता है।

• ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम कहता है कि ब्रह्मांड की एन्ट्रॉपी या अव्यवस्था सदैव बढ़ रही है।

• ऊष्मागतिकी के दोनों नियमों को मिलाकर मुक्त ऊर्जा (G) परिवर्तन या कार्य के निष्पादन का वर्णन किया जाता है।

• प्रकाशसंश्लेषी जीव सूर्य के प्रकाश से मुक्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं, जबकि रसायनपोषी खाद्य पदार्थों के ऑक्सीकरण द्वारा मुक्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं।

• यह मुक्त ऊर्जा कोशिकीय प्रक्रियाओं को पूरा करने के लिए उपयोग की जाती है।

• यह मुक्त ऊर्जा आंशिक रूप से ATP में परिवर्तित होती है, जिसे मुक्त ऊर्जा की सार्वभौमिक मुद्रा भी कहा जाता है।

• ऊर्जा-मुक्ति प्रक्रियाओं (विघटन) के दौरान ADP और अकार्बनिक फॉस्फेट (Pi) से ATP संश्लेषित होता है, जबकि ऊर्जा-आवश्यक प्रक्रियाओं में ATP को ADP और Pi में तोड़ा जाता है।

अभ्यास

1. एक अभिक्रिया को उत्प्रेरित करने के लिए, एक एंजाइम को आवश्यक होता है

(a) सब्सट्रेट से संतृप्त होना
(b) सक्रियण ऊर्जा को घटाना
(c) साम्य स्थिरांक को बढ़ाना
(d) सक्रियण ऊर्जा को बढ़ाना

2. पेप्सिन एक गैस्ट्रिक एंजाइम है। क्या इसका अनुकूल pH अम्लीय है या क्षारीय? जब यह डुओडेनम में प्रवेश करता है तो पेप्सिन के साथ क्या होता है?

3. विटामिन और एंजाइम सह-कारकों के बीच क्या संबंध है?

4. तापमान, pH और सब्सट्रेट सांद्रता का एंजाइम की उत्प्रेरक गतिविधि पर क्या प्रभाव पड़ता है?

5. माइकेलिस-मेंटन गतिकी का दर-निर्धारण चरण है

(a) ES संकुल का विघटन
(b) संकुल का निर्माण
(c) उत्पाद का निर्माण
(d) उत्पाद का अपघटन

6. Km को परिभाषित कीजिए और इसका महत्व बताइए।

7. एक इकाई एंजाइम से क्या तात्पर्य है?

8. एंजाइम की विशिष्ट गतिविधि क्या होती है?

9. ऊष्मागतिकी के प्रथम और द्वितीय नियमों का संक्षेप में वर्णन कीजिए।

10. एन्ट्रॉपी को परिभाषित कीजिए। मुक्त ऊर्जा और एन्ट्रॉपी के बीच क्या संबंध है?

11. ATP को सार्वभौमिक ऊर्जा मुद्रा क्यों कहा जाता है?