4.1 एंजाइम: वर्गीकरण और क्रियाविधि

एंजाइम जैव-उत्प्रेरक होते हैं और ये जैवरासायनिक अभिक्रियाओं को जीवित प्रणाली (in vivo) के साथ-साथ प्रयोगशाला (in vitro) में भी उत्प्रेरित करते हैं। ये अपने क्रियाधार (सब्सट्रेट) के प्रति अत्यधिक विशिष्ट होते हैं और इनमें उच्च उत्प्रेरक क्षमता होती है, अर्थात ये बिना स्वयं परिवर्तित हुए अभिक्रिया की दर को अत्यधिक बढ़ा देते हैं। कुछ छोटे समूहों को छोड़कर जिन्हें राइबोजाइम कहा जाता है (जो उत्प्रेरक RNA अणु होते हैं), सभी एंजाइम प्रोटीन होते हैं। प्रोटीन की तरह, एंजाइमों का आणविक भार लगभग 2000 से लेकर दस लाख डाल्टन से अधिक तक होता है। प्रोटीनयुक्त एंजाइमों की एंजाइमी गतिविधि उनकी संरूपणात्मक संरचना तथा उनके विपाटन (डिनैच्युरेशन) पर निर्भर करती है। ऐसे कई एंजाइम हैं जिन्हें अपनी उत्प्रेरक गतिविधि के लिए सहकारकों (कोफैक्टर) की आवश्यकता होती है। सहकारक एक जटिल कार्बनिक अणु हो सकता है जिसे सहएंजाइम (तालिका 4.1) कहा जाता है या यह एक धातु आयन हो सकता है जैसे $\mathrm{Fe}^{2+}, \mathrm{Mn}^{2+}$, $\mathrm{Zn}^{2+}, \mathrm{Mg}^{2+}$ (तालिका 4.2)। एक एंजाइम और उसके सहकारक के संयोजन को होलोएंजाइम कहते हैं। ऐसे मामलों में, सहकारक की आवश्यकता वाले एंजाइम के प्रोटीन घटक को एपोएंजाइम कहा जाता है।

तालिका 4.1: कुछ सहएंजाइम और उनके पूर्ववर्ती विटामिन तथा उनकी भूमिका

सहएंजाइम अस्थायी रूप से उत्प्रेरण में भाग लेते हैं और विशिष्ट क्रियात्मक समूहों के वाहक होते हैं। अधिकांश सहएंजाइम विटामिनों (आहार में कम मात्रा में आवश्यक कार्बनिक पोषक तत्व) से व्युत्पन्न होते हैं।

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

जब एक सहएंजाइम या धातु आयन एंजाइम प्रोटीन के साथ सहसंयोजक बंधन द्वारा 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, इस तथ्य को ध्यान में रखते हुए कि नए एंजाइम भी खोजे जा सकते हैं, अंतर्राष्ट्रीय जैवरसायन संघ (I.U.B.) ने 1964 में एंजाइमों का वर्गीकरण उनके द्वारा उत्प्रेरित अभिक्रियाओं के प्रकार के आधार पर अपनाया। 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

समएंजाइम (आइसोजाइम)

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

एंजाइम सक्रिय स्थल

एंजाइमों द्वारा की जाने वाली उत्प्रेरक अभिक्रिया एंजाइम पर एक विशिष्ट स्थल पर होती है। इस स्थल को सक्रिय स्थल कहा जाता है, और यह एंजाइम के कुल आकार का केवल एक छोटा सा भाग होता है। सक्रिय स्थल एंजाइम अणु में एक स्पष्ट रूप से परिभाषित जेब या दरार होती है जहाँ क्रियाधार का संपूर्ण या एक भाग फिट हो सकता है। सक्रिय स्थल में त्रि-आयामी संरचना होती है क्योंकि यह एक पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के भागों से मिलकर बना होता है। एंजाइम-क्रियाधार बंधन में शामिल विभिन्न अ-सहसंयोजक बंधन विद्युतस्थैतिक अन्योन्यक्रियाएँ, हाइड्रोजन बंधन, वैन डर वाल्स बल और जलविरोधी अन्योन्यक्रियाएँ हैं। सक्रिय स्थल में अक्सर अ-ध्रुवीय वातावरण होता है जो क्रियाधार के बंधन और उत्प्रेरण को सुगम बनाता है।

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

फिशर का ताला और चाबी मॉडल

1894 में, एमिल फिशर द्वारा क्रियाधार और एंजाइम अन्योन्यक्रिया के लिए ताला और चाबी मॉडल का प्रस्ताव रखा गया। इस मॉडल के अनुसार, एंजाइम और क्रियाधार के बीच पूरक संरचनात्मक विशेषताएँ उपस्थित होती हैं, और सक्रिय स्थल क्रियाधार के अनुरूप होने के लिए पूर्व-आकारित होता है। क्रियाधार एंजाइम पर अपने पूरक स्थल में उसी प्रकार फिट हो सकता है जैसे एक चाबी ताले में फिट होती है। इसके परिणामस्वरूप एक एंजाइम-क्रियाधार संकुल (ES संकुल) का निर्माण होता है (चित्र 4.1)।

चित्र 4.1: ताला और चाबी मॉडल के अनुसार एक एंजाइम और उसके क्रियाधार के बीच अन्योन्यक्रिया

कोशलैंड का प्रेरित अनुरूपता मॉडल

डैनियल कोशलैंड ने 1958 में प्रेरित अनुरूपता परिकल्पना प्रस्तावित की। उन्होंने सुझाव दिया कि एक क्रियाधार की संरचना एंजाइम-क्रियाधार संकुल में सक्रिय स्थल के पूरक हो सकती है लेकिन मुक्त एंजाइम में नहीं। क्रियाधार और एंजाइम के बीच अन्योन्यक्रिया एंजाइम में संरूपणात्मक परिवर्तन प्रेरित करती है जो

चित्र 4.2: प्रेरित अनुरूपता मॉडल के अनुसार एक एंजाइम और उसके क्रियाधार के बीच अन्योन्यक्रिया

क्रियाधार बंधन, उत्प्रेरण, या दोनों के लिए अमीनो अम्ल अवशेषों या अन्य समूहों को संरेखित करती है। एक क्रियाधार और एक सक्रिय स्थल के बीच संबंध हाथ और ऊनी दस्ताने के समान होता है। अन्योन्यक्रिया के दौरान, एक घटक, अर्थात क्रियाधार या हाथ की संरचना दृढ़ रहती है और दूसरे घटक, अर्थात सक्रिय स्थल या दस्ताने का आकार लचीला होता है जो पहले के पूरक बनने के लिए परिवर्तित होता है (चित्र 4.2)।

एंजाइम विशिष्टता

एंजाइम क्रिया में अत्यधिक विशिष्ट होते हैं। वास्तव में, वे गुण जो एंजाइमों को इतने प्रबल उत्प्रेरक बनाते हैं, वे हैं क्रियाधार बंधन की उनकी विशिष्टता और उत्प्रेरक समूहों की उनकी आदर्श व्यवस्था। एंजाइम विशिष्टता के विभिन्न प्रकार हैं: समूह विशिष्टता, निरपेक्ष विशिष्टता, त्रिविम विशिष्टता और ज्यामितीय विशिष्टता। जब एंजाइम कई अलग-अलग निकट संबंधित क्रियाधारों पर कार्य करते हैं तो इसे समूह विशिष्टता कहा जाता है। जब एंजाइम केवल एक विशेष क्रियाधार पर कार्य करते हैं, तो इसे निरपेक्ष विशिष्टता कहा जाता है। त्रिविम या प्रकाशिक विशिष्टता तब होती है जब क्रियाधार दो त्रिविम रूपों में उपस्थित होता है (रासायनिक रूप से समान लेकिन त्रि-आयामी अंतरिक्ष में परमाणुओं की भिन्न व्यवस्था) तो केवल एक समावयवी विशेष एंजाइम द्वारा अभिक्रिया से गुजरेगा। उदाहरण के लिए, D-एमीनो अम्ल ऑक्सीडेज D-एमीनो अम्लों के कीटो अम्लों में ऑक्सीकरण को उत्प्रेरित 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 गतिविधि को प्रभावित करने वाले कारक

एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं की दर पर्यावरणीय परिस्थितियों को बदलकर प्रभावित होती है। एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं के वेग को प्रभावित करने वाले महत्वपूर्ण कारक तापमान, $\mathrm{pH}$, क्रियाधार सांद्रता और नियामक (मॉड्यूलेटर) हैं।

1. तापमान

एक एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रिया की दर तापमान में वृद्धि के साथ एक अधिकतम तक बढ़ती है और फिर गिर जाती है। जब तापमान बनाम एंजाइम गतिविधि के बीच ग्राफ आलेखित किया जाता है, तो एक घंटी के आकार का वक्र प्राप्त होता है (चित्र 4.3)। वह तापमान जिस पर अभिक्रिया की अधिकतम दर होती है, एंजाइम का इष्टतम तापमान कहलाता है। इष्टतम तापमान विभिन्न एंजाइमों के लिए भिन्न होता है; लेकिन अधिकांश एंजाइमों के लिए यह $40^{\circ} \mathrm{C}-45^{\circ} \mathrm{C}$ के बीच होता है। मानव शरीर में अधिकांश एंजाइमों का इष्टतम तापमान लगभग $37^{\circ} \mathrm{C}\left(98.6^{\circ} \mathrm{F}\right)$ होता है और चरम तापमान पर ये विपाटित या नष्ट हो जाते हैं। हालाँकि, कुछ एंजाइम जैसे थर्मोफिलिक जीवाणु, थर्मस एक्वाटिकस में उपस्थित टैक DNA पॉलिमरेज, विष फॉस्फोकाइनेज और पेशी एडेनिलेट काइनेज $100^{\circ} \mathrm{C}$ पर भी सक्रिय रहते हैं।

चित्र 4.3: एंजाइम गतिविधि पर तापमान का प्रभाव

2. हाइड्रोजन आयन सांद्रता $(\mathrm{pH})$

एंजाइम गतिविधि $\mathrm{pH}$ द्वारा भी प्रभावित होती है। एंजाइम गतिविधि बनाम $\mathrm{pH}$ का आलेखन एक घंटी के आकार का वक्र देता है (चित्र 4.4)। प्रत्येक एंजाइम का अपना अद्वितीय इष्टतम $\mathrm{pH}$ होता है जिस पर अभिक्रिया की दर सबसे अधिक होती है। इष्टतम $\mathrm{pH}$ वह $\mathrm{pH}$ है जिस पर एक विशेष एंजाइम की गतिविधि अधिकतम होती है। उच्च जीवों के कई एंजाइम तटस्थ $\mathrm{pH}$ (6-8) के आसपास इष्टतम अभिक्रिया दर दर्शाते हैं। हालाँकि, कई अपवाद हैं जैसे पेप्सिन (pH 1-2), अम्ल फॉस्फेटेज ($\mathrm{pH} 4-5$) और क्षारीय फॉस्फेटेज ($\mathrm{pH}$ 10-11)। इष्टतम $\mathrm{pH}$ से नीचे और ऊपर, एंजाइम गतिविधि बहुत कम हो जाती है और चरम $\mathrm{pH}$ पर, एंजाइम पूरी तरह से निष्क्रिय हो जाता है।

चित्र 4.4: pH का एंजाइम गतिविधि पर प्रभाव

3. क्रियाधार सांद्रता

क्रियाधार सांद्रता भी एंजाइम गतिविधि को प्रभावित करती है। क्रियाधार सांद्रता बढ़ने के साथ अभिक्रिया की दर भी बढ़ती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अधिक क्रियाधार अणु एंजाइम अणुओं के साथ अन्योन्यक्रिया करेंगे, अधिक उत्पाद बनेंगे। हालाँकि, एक निश्चित सांद्रता के बाद, क्रियाधार सांद्रता में और वृद्धि का अभिक्रिया की दर पर कोई प्रभाव नहीं पड़ेगा, क्योंकि क्रियाधार सांद्रता अब सीमित कारक नहीं रह जाएगी (चित्र 4.5)। इस स्तर पर, एंजाइम अणु संतृप्त हो जाते हैं और अपनी अधिकतम संभव दर पर कार्य करते हैं।

4.1.3 एंजाइम गतिविधि की इकाई

एंजाइम इकाई (U) एंजाइम की वह मात्रा है जो मानक परिस्थितियों में प्रति मिनट 1 माइक्रोमोल क्रियाधार के रूपांतरण को उत्प्रेरित करती है। अंतर्राष्ट्रीय जैवरसायन संघ (I.U.B.) ने 1964 में एंजाइम गतिविधि की इकाई के रूप में एंजाइम इकाई को अपनाया। लेकिन इसे काटल के पक्ष में हतोत्साहित किया गया क्योंकि मिनट एक SI इकाई नहीं है। एक काटल (kat) एंजाइम की वह मात्रा है जो प्रति सेकंड 1 मोल क्रियाधार को उत्प्रेरित करती है, इसलिए 1 kat $=60,000,000 \mathrm{U}$।

4.1.4 विशिष्ट गतिविधि

एंजाइम की एक अन्य सामान्य इकाई विशिष्ट गतिविधि है। इसे प्रोटीन के प्रति मिलीग्राम दिए गए समय (मिनट) में दी गई परिस्थितियों में एक एंजाइम द्वारा निर्मित उत्पाद के मोल के रूप में परिभाषित किया जाता है।

चित्र 4.5: अभिक्रिया दर पर क्रियाधार सांद्रता का प्रभाव

विशिष्ट गतिविधि मिश्रण में एंजाइम शुद्धता के मापन का प्रतिनिधित्व करती है।

4.1.5 एंजाइम क्रिया की क्रियाविधि

एंजाइम क्रियाविधि को समझने के लिए, आपको एक अभिक्रिया के दो ऊष्मागतिकीय गुणों पर विचार करना चाहिए। ये हैं उत्पादों और अभिकारकों के बीच मुक्त ऊर्जा अंतर $(\Delta \mathrm{G})$ और अभिकारक को उत्पाद में परिवर्तित करने को आरंभ करने के लिए आवश्यक ऊर्जा। पूर्व ऊर्जा, अर्थात $\Delta \mathrm{G}$ यह निर्धारित करती है कि अभिक्रिया स्वतःप्रवर्तित है या नहीं, जबकि बाद वाली अभिक्रिया की दर निर्धारित करती है। एंजाइम उस ऊर्जा को प्रभावित करते हैं, जो अभिक्रिया की दर निर्धारित करती है। एंजाइम ऊष्मागतिकी के नियमों को नहीं बदल सकते हैं और इसलिए, एक जैवरासायनिक अभिक्रिया के साम्य को नहीं बदल सकते हैं। वे साम्य की प्राप्ति की गति को बढ़ाते हैं।

अभिक्रिया की दर बल्कि सक्रियण की मुक्त ऊर्जा $\left(\Delta \mathrm{G}^{\wedge}\right)$ पर निर्भर करती है, जो $\Delta \mathrm{G}$ से संबंधित नहीं है। एक संक्रमण अवस्था के निर्माण के माध्यम से उत्पाद $\mathrm{P}$ में परिवर्तित अभिक्रिया का क्रियाधार $\mathrm{S}$ या तो $\mathrm{S}$ या $\mathrm{P}$ से अधिक मुक्त ऊर्जा रखता है। संक्रमण अवस्था और क्रियाधार की मुक्त ऊर्जा के बीच के अंतर को गिब्स मुक्त ऊर्जा सक्रियण या केवल सक्रियण ऊर्जा $\left(\Delta \mathbf{G}^{A}\right)$ कहा जाता है। एंजाइम अभिक्रिया की $\Delta \mathrm{G}$ को बदले बिना अभिक्रिया दर बढ़ाते हैं, बल्कि वे सक्रियण ऊर्जा, $\Delta \mathrm{G}^{\mathrm{A}}$ को कम करते हैं।

एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रिया की गतिकी

उत्प्रेरण के दौरान, क्रियाधार $\mathrm{S}$ एंजाइम $\mathrm{E}$ के सक्रिय स्थल पर बंधता है और एंजाइम-क्रियाधार संकुल ES के निर्माण में परिणत होता है, जो अंततः उत्पाद $P$ में परिवर्तित हो जाता है। अभिक्रिया को इस प्रकार दर्शाया जा सकता है: $\mathrm{E}+\mathrm{s} \rightleftharpoons \mathrm{Es} \rightleftharpoons \mathrm{E}+\mathrm{P}$

जहाँ, E क्रियाधार $\mathrm{S}$ के साथ दुर्बल बंधित संकुल ES बनाता है। ES संकुल उत्पाद $\mathrm{P}$ और मुक्त एंजाइम $\mathrm{E}$ देने के लिए विघटित होता है।

एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियाओं की गतिकी की व्याख्या लियोनोर माइकाइलिस और मॉड मेंटन ने 1913 में की थी। इस गतिकी की सबसे उल्लेखनीय विशेषता यह है कि विशिष्ट ES संकुल उत्प्रेरण के दौरान एक मध्यवर्ती है। एंजाइम गतिकी का माइकाइलिस-मेंटन सिद्धांत सबसे सरल है जो कई एंजाइमों की गतिकीय गुणों के लिए खाता है।

अभिक्रिया को और सरल बनाते हुए, माइकाइलिस-मेंटन ने एक क्रियाधार अभिक्रिया के लिए निम्नलिखित समीकरण व्युत्पन्न किया।

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

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

$\mathrm{v} _{0}$ बनाम [S] का ग्राफ एक आयताकार अतिपरवलय देता है (चित्र 4.6)। $\mathrm{V} _{\max }$ एक विशेष एंजाइम सांद्रता पर अधिकतम वेग है। $\mathrm{V} _{\text {max }}$ और $\mathrm{K} _{\mathrm{m}}$ को ग्राफ से निर्धारित किया जा सकता है जैसा कि चित्र 4.6 में दिखाया गया है।

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

अधिकतम वेग, $\mathrm{V} _{\max }$ एक एंजाइम के टर्नओवर संख्या का प्रतिनिधित्व करता है। टर्नओवर संख्या इकाई समय में एक एंजाइम अणु द्वारा उत्पाद में परिवर्तित क्रियाधार अणुओं की संख्या है जब एंजाइम क्रियाधार से पूरी तरह संतृप्त होता है। यह गतिकीय स्थिरांक $\mathrm{k} _{2}$ के बराबर होती है, जिसे $\mathrm{k} _{\text {cat }}$ भी कहा जाता है।

$\hspace{3cm}$[S]

चित्र 4.6: एकल क्रियाधार एंजाइम-उत्प्रेरित अभिक्रिया के लिए माइकाइलिस-मेंटन समीकरण हेतु नियत एंजाइम सांद्रता पर $v_{0}$ बनाम [S] का ग्राफ

4.1.6 एंजाइम निरोध

वे पद