4.1 ઉત્સેચકો: વર્ગીકરણ અને કાર્યવિધિ

ઉત્સેચકો જૈવઉદ્દીપકો છે અને તેઓ જૈવરાસાયણિક પ્રક્રિયાઓને જીવંત પ્રણાલીમાં (in vivo) તેમજ પ્રયોગશાળામાં (in vitro) ઉદ્દીપિત કરે છે. તેઓ તેમના અધિસ્તર (substrate) માટે ખૂબ જ વિશિષ્ટ હોય છે અને મહાન ઉદ્દીપક શક્તિ ધરાવે છે, એટલે કે, તેઓ પોતે બદલાયા વિના પ્રક્રિયાનો વેગ અત્યંત વધારે છે. કેટલાક નાના સમૂહના ઉદ્દીપક RNA અણુઓ જેને રાઇબોઝાઇમ્સ કહેવામાં આવે છે તેના અપવાદ સિવાય બધા જ ઉત્સેચકો પ્રોટીન હોય છે. પ્રોટીનની જેમ, ઉત્સેચકોનું આણ્વીય વજન લગભગ 2000 થી એક મિલિયનથી વધુ ડાલ્ટન સુધી હોય છે. પ્રોટીનયુક્ત ઉત્સેચકોની ઉત્સેચકીય પ્રવૃત્તિ રચનાકીય બંધારણ તેમજ તેના વિકૃતીકરણ (denaturation) પર આધાર રાખીને અસરગ્રસ્ત થઈ શકે છે. ઘણા ઉત્સેચકો છે જેમને તેમની ઉદ્દીપક પ્રવૃત્તિ માટે સહકારકો (cofactors) જરૂરી હોય છે. સહકારક એક જટિલ કાર્બનિક અણુ હોઈ શકે છે જેને સહઉત્સેચક (coenzyme) કહેવામાં આવે છે (કોષ્ટક 4.1) અથવા તે ધાતુ આયન હોઈ શકે છે જેમ કે $\mathrm{Fe}^{2+}, \mathrm{Mn}^{2+}$, $\mathrm{Zn}^{2+}, \mathrm{Mg}^{2+}$ (કોષ્ટક 4.2). ઉત્સેચક અને તેના સહકારકના સંયોજનને સંપૂર્ણ ઉત્સેચક (holoenzyme) કહેવામાં આવે છે. આવા કિસ્સાઓમાં, સહકારક જરૂરી ઉત્સેચકમાં પ્રોટીન ઘટકને અપોઉત્સેચક (apoenzyme) કહેવામાં આવે છે.

કોષ્ટક 4.1: કેટલાક સહઉત્સેચકો અને તેમના પૂર્વગામી વિટામિન્સ અને તેમની ભૂમિકા

સહઉત્સેચકો ક્ષણિક રીતે ઉદ્દીપનમાં ભાગ લે છે અને વિશિષ્ટ કાર્યાત્મક સમૂહોના વાહકો હોય છે. મોટાભાગના સહઉત્સેચકો વિટામિન્સમાંથી ઉત્પન્ન થાય છે (આહારમાં ઓછી માત્રામાં જરૂરી કાર્બનિક પોષક તત્વો).

કોષ્ટક 4.2: ધાતુ આયનો જે ઉત્સેચકો માટે સહકારક તરીકે કાર્ય કરે છે

જ્યારે સહઉત્સેચક અથવા ધાતુ આયન ઉત્સેચક પ્રોટીન સાથે સહસંયોજક બંધ દ્વારા દૃઢતાથી જોડાયેલ હોય, તો તેને પ્રોસ્થેટિક સમૂહ કહેવામાં આવે છે.

4.1.1 ઉત્સેચકોનું વર્ગીકરણ

સુવ્યવસ્થિત અભ્યાસ માટે અને ગૂંચવણો ટાળવા માટે, એ હકીકતને ધ્યાનમાં રાખીને કે નવા ઉત્સેચકો પણ શોધાઈ શકે છે, આંતરરાષ્ટ્રીય જૈવરસાયણ યુનિયન (I.U.B.) દ્વારા 1964માં ઉત્સેચકોના વર્ગીકરણને તેમના ઉદ્દીપિત કરતી પ્રક્રિયાઓના પ્રકાર પર આધારિત સ્વીકારવામાં આવ્યું હતું. આ કમિશન મુજબ, બધા ઉત્સેચકોને 6 મુખ્ય વર્ગોમાં વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે (કોષ્ટક 4.3).

કોષ્ટક 4.3: I.U.B. દ્વારા સ્વીકારવામાં આવેલ ઉત્સેચકોનું વર્ગીકરણ

આઇસોઝાઇમ્સ

ઘણા ઉત્સેચકો એક જ જાતિ, પેશી અથવા એક જ કોષમાં બહુવિધ સ્વરૂપોમાં (એકથી વધુ આણ્વીય સ્વરૂપ) હાજર હોય છે. આ ઉત્સેચકોને આઇસોએન્ઝાઇમ્સ અથવા આઇસોઝાઇમ્સ કહેવામાં આવે છે. આઇસોએન્ઝાઇમ્સ સમાન પ્રક્રિયાને ઉદ્દીપિત કરે છે પરંતુ તેમની એમિનો એસિડ રચના જુદી હોય છે, તેથી, જુદા જુદા ભૌતિક-રાસાયણિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ગ્લાયકોલાઇટિક ઉત્સેચક, હેક્સોકાયનેઝ વિવિધ પેશીઓમાં ચાર આઇસોઝાઇમ સ્વરૂપોમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે. તે જ રીતે, અવાયવી ગ્લુકોઝ ચયાપચયમાં સામેલ લેક્ટેટ ડિહાઇડ્રોજિનેઝ (LDH) માં માનવમાં બે આઇસોઝાઇમ સ્વરૂપો છે, એક હૃદયમાં હાજર છે અને બીજું કંકાલ સ્નાયુઓમાં જોવા મળે છે.

ઉત્સેચક સક્રિય સ્થળ

ઉત્સેચકો દ્વારા કરવામાં આવતી ઉદ્દીપક પ્રક્રિયા ઉત્સેચક પર એક ચોક્કસ સ્થળે થાય છે. આ સ્થળને સક્રિય સ્થળ કહેવામાં આવે છે, અને તે ઉત્સેચકના કુલ કદનો માત્ર નાનો ભાગ રજૂ કરે છે. સક્રિય સ્થળ એ ઉત્સેચક અણુમાં સ્પષ્ટ રીતે વ્યાખ્યાયિત ખીસું અથવા ચીરો છે જ્યાં અધિસ્તરનો સંપૂર્ણ અથવા એક ભાગ બંધબેસી શકે છે. સક્રિય સ્થળમાં ત્રિ-પરિમાણીય બંધારણ હોય છે કારણ કે તે પોલિપેપ્ટાઇડ શૃંખલાના ભાગો ધરાવે છે. ઉત્સેચક અધિસ્તર બંધનમાં સામેલ વિવિધ બિન-સહસંયોજક બંધો વિદ્યુતસ્થિતિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ, હાઇડ્રોજન બંધો, વાન ડર વોલ્સ દળો અને જલવિરોધી ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ છે. સક્રિય સ્થળ ઘણીવાર બિન-ધ્રુવીય વાતાવરણ ધરાવે છે જે અધિસ્તરના બંધન અને ઉદ્દીપનને સુવિધાજનક બનાવે છે.

જો કે, કેટલાક ધ્રુવીય અવશેષો હાજર હોઈ શકે છે. આ પ્રકારનું વાતાવરણ ઉત્સેચક અણુના અન્ય કોઈ પણ પ્રદેશમાં જોવા મળતું નથી.

ફિશરનું લૉક અને કી મૉડલ

1894માં, અધિસ્તર અને ઉત્સેચક ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે લૉક અને કી મૉડલ નો પરિચય એમિલ ફિશર દ્વારા પ્રસ્તાવિત કરવામાં આવ્યો હતો. આ મૉડલ મુજબ, ઉત્સેચક અને અધિસ્તર વચ્ચે પૂરક રચનાકીય લક્ષણો હાજર હોય છે, અને અધિસ્તરને બંધબેસવા માટે સક્રિય સ્થળ પૂર્વ-આકારિત હોય છે. અધિસ્તર તેના પૂરક સ્થળ પર ઉત્સેચકમાં એક ચાવી તાળામાં બંધબેસે તેમ બંધબેસી શકે છે. આના પરિણામે ઉત્સેચક-અધિસ્તર સંકીર્ણ (ES સંકીર્ણ) ની રચના થાય છે (ફિગ. 4.1).

ફિગ. 4.1: લૉક અને કી મૉડલ મુજબ ઉત્સેચક અને તેના અધિસ્તર વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા

કોશલેન્ડનું ઇન્ડ્યુસ્ડ ફિટ મૉડલ

ડેનિયલ કોશલેન્ડે 1958માં ઇન્ડ્યુસ્ડ ફિટ પૂર્વધારણા પ્રસ્તાવિત કરી. તેમણે સૂચવ્યું કે અધિસ્તરની રચના ઉત્સેચક-અધિસ્તર સંકીર્ણમાં સક્રિય સ્થળની પૂરક હોઈ શકે છે પરંતુ મુક્ત ઉત્સેચકમાં નહીં. અધિસ્તર અને ઉત્સેચક વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા ઉત્સેચકમાં રચનાકીય ફેરફારોને પ્રેરિત કરે છે જે

ફિગ. 4.2: ઇન્ડ્યુસ્ડ ફિટ મૉડલ મુજબ ઉત્સેચક અને તેના અધિસ્તર વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા

એમિનો એસિડ અવશેષો અથવા અન્ય સમૂહોને અધિસ્તર બંધન, ઉદ્દીપન અથવા બંને માટે સંરેખિત કરે છે. અધિસ્તર અને સક્રિય સ્થળ વચ્ચેનો સંબંધ હાથ અને ઊનના હાથમોજા જેવો છે. ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દરમિયાન, એક ઘટકની રચના, એટલે કે અધિસ્તર અથવા હાથ, કઠોર રહે છે અને બીજા ઘટકનો આકાર, એટલે કે સક્રિય સ્થળ અથવા હાથમોજો, પ્રથમના પૂરક બનવા માટે લવચીક હોય છે (ફિગ. 4.2).

ઉત્સેચક વિશિષ્ટતા

ઉત્સેચકો ક્રિયામાં ખૂબ જ વિશિષ્ટ હોય છે. હકીકતમાં, ઉત્સેચકોને આવા શક્તિશાળી ઉદ્દીપકો બનાવતા ગુણધર્મો તેમની અધિસ્તર બંધનની વિશિષ્ટતા અને તેમના ઉદ્દીપક સમૂહની આદર્શ ગોઠવણી છે. ઉત્સેચક વિશિષ્ટતાના વિવિધ પ્રકારો છે: સમૂહ વિશિષ્ટતા, નિરપેક્ષ વિશિષ્ટતા, સ્ટીરિયોવિશિષ્ટતા અને ભૌમિતિક વિશિષ્ટતા. જ્યારે ઉત્સેચકો વિવિધ જુદા જુદા નજીકના સંબંધિત અધિસ્તરો પર કાર્ય કરે છે ત્યારે તેને સમૂહ વિશિષ્ટતા કહેવામાં આવે છે. જ્યારે ઉત્સેચકો ફક્ત એક ચોક્કસ અધિસ્તર પર કાર્ય કરે છે, ત્યારે તેને નિરપેક્ષ વિશિષ્ટતા કહેવામાં આવે છે. સ્ટીરિયોરાસાયણિક અથવા ઓપ્ટિકલ વિશિષ્ટતા ત્યારે થાય છે જ્યારે અધિસ્તર બે સ્ટીરિયોરાસાયણિક સ્વરૂપોમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે (રાસાયણિક રીતે સમાન પરંતુ ત્રિ-પરિમાણીય અવકાશમાં અણુઓની જુદી ગોઠવણી) ત્યારે ફક્ત એક આઇસોમર ચોક્કસ ઉત્સેચક દ્વારા પ્રક્રિયા કરશે. ઉદાહરણ તરીકે, D-એમિનો એસિડ ઑક્સિડેઝ D-એમિનો એસિડ્સના કીટો એસિડ્સમાં ઑક્સિડેશનને ઉદ્દીપિત કરે છે. ભૌમિતિક વિશિષ્ટતામાં, ઉત્સેચકો સિસ અને ટ્રાન્સ સ્વરૂપો પ્રત્યક્ષ વિશિષ્ટ હોય છે. ઉદાહરણ તરીકે, ફ્યુમેરેઝ ફ્યુમેરેટ અને મેલેટના પરસ્પર રૂપાંતરણને ઉદ્દીપિત કરે છે.

4.1.2 ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિને અસર કરતા પરિબળો

ઉત્સેચક-ઉદ્દીપિત પ્રક્રિયાઓનો વેગ પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓ બદલીને પ્રભાવિત થાય છે. ઉત્સેચક-ઉદ્દીપિત પ્રક્રિયાઓના વેગને પ્રભાવિત કરતા મહત્વપૂર્ણ પરિબળો તાપમાન, $\mathrm{pH}$, અધિસ્તર સાંદ્રતા અને નિયંત્રકો (modulators) છે.

1. તાપમાન

ઉત્સેચક-ઉદ્દીપિત પ્રક્રિયાનો વેગ તાપમાનમાં વધારો સાથે વધારો થઈને મહત્તમ સુધી પહોંચે છે અને પછી ઘટે છે. જ્યારે તાપમાન વિરુદ્ધ ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિનો આલેખ દોરવામાં આવે છે, ત્યારે ઘંટડી આકારનો વક્ર પ્રાપ્ત થાય છે (ફિગ. 4.3). જે તાપમાને પ્રક્રિયાનો મહત્તમ વેગ થાય છે તેને ઉત્સેચકનું ઈષ્ટતમ તાપમાન કહેવામાં આવે છે. ઈષ્ટતમ તાપમાન જુદા જુદા ઉત્સેચકો માટે જુદું જુદું હોય છે; પરંતુ મોટાભાગના ઉત્સેચકો માટે તે $40^{\circ} \mathrm{C}-45^{\circ} \mathrm{C}$ વચ્ચે હોય છે. માનવ શરીરમાં મોટાભાગના ઉત્સેચકોનું ઈષ્ટતમ તાપમાન લગભગ $37^{\circ} \mathrm{C}\left(98.6^{\circ} \mathrm{F}\right)$ હોય છે અને અત્યંત તાપમાને વિકૃત થાય છે અથવા વિઘટિત થાય છે. જો કે, થર્મોફિલિક બેક્ટેરિયા, થર્મસ એક્વાટિકસમાં હાજર ટેક DNA પોલિમરેઝ, વેનોમ ફોસ્ફોકાયનેઝ અને સ્નાયુ એડેનિલેટ કાયનેઝ જેવા થોડા ઉત્સેચકો $100^{\circ} \mathrm{C}$ પર પણ સક્રિય હોય છે.

ફિગ. 4.3: ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિ પર તાપમાનની અસર

2. હાઇડ્રોજન આયન સાંદ્રતા $(\mathrm{pH})$

ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિ પણ $\mathrm{pH}$ દ્વારા અસરગ્રસ્ત થાય છે. ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિ વિરુદ્ધ $\mathrm{pH}$ નો આલેખ ઘંટડી આકારનો વક્ર આપે છે (ફિગ. 4.4). દરેક ઉત્સેચકનું તેનું અનન્ય ઈષ્ટતમ $\mathrm{pH}$ હોય છે જેના પર પ્રક્રિયાનો વેગ સૌથી વધુ હોય છે. ઈષ્ટતમ $\mathrm{pH}$ એ $\mathrm{pH}$ છે જેના પર ચોક્કસ ઉત્સેચકની પ્રવૃત્તિ મહત્તમ હોય છે. ઉચ્ચ જીવોના ઘણા ઉત્સેચકો તટસ્થ $\mathrm{pH}$ (6-8) ની આસપાસ ઈષ્ટતમ પ્રક્રિયા વેગ દર્શાવે છે. જો કે, પેપ્સિન (pH 1-2), એસિડ ફોસ્ફેટેઝ ($\mathrm{pH} 4-5$) અને આલ્કલાઇન ફોસ્ફેટેઝ ($\mathrm{pH}$ 10-11) જેવા કેટલાક અપવાદો છે. ઈષ્ટતમ $\mathrm{pH}$ ની નીચે અને ઉપર, ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિ ખૂબ ઓછી થઈ જાય છે અને અત્યંત $\mathrm{pH}$ પર, ઉત્સેચક સંપૂર્ણપણે નિષ્ક્રિય બની જાય છે.

ફિગ. 4.4: pH ની ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિ પર અસર

3. અધિસ્તર સાંદ્રતા

અધિસ્તર સાંદ્રતા પણ ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિને પ્રભાવિત કરે છે. અધિસ્તર સાંદ્રતા વધે તેમ પ્રક્રિયાનો વેગ પણ વધે છે. આનું કારણ એ છે કે વધુ અધિસ્તર અણુઓ ઉત્સેચક અણુઓ સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરશે, તેથી વધુ ઉત્પાદનો બનશે. જો કે, ચોક્કસ સાંદ્રતા પછી, અધિસ્તર સાંદ્રતામાં વધુ વધારો કરવાથી પ્રક્રિયાના વેગ પર કોઈ અસર થશે નહીં, કારણ કે અધિસ્તર સાંદ્રતા હવે મર્યાદિત પરિબળ રહેશે નહીં (ફિગ. 4.5). આ તબક્કે, ઉત્સેચક અણુઓ સંતૃપ્ત થઈ જાય છે અને તેમના મહત્તમ સંભવિત વેગે કાર્ય કરે છે.

4.1.3 ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિનું એકમ

ઉત્સેચક એકમ (U) એ ઉત્સેચકની તે માત્રા છે જે પ્રમાણભૂત પરિસ્થિતિઓમાં 1 માઇક્રોમોલ અધિસ્તરના રૂપાંતરણને પ્રતિ મિનિટ ઉદ્દીપિત કરે છે. આંતરરાષ્ટ્રીય જૈવરસાયણ યુનિયન (I.U.B.) દ્વારા 1964માં ઉત્સેચક પ્રવૃત્તિના એકમ તરીકે ઉત્સેચક એકમ સ્વીકારવામાં આવ્યું હતું. પરંતુ મિનિટ એ SI એકમ ન હોવાથી તેને કટાલ (katal) ના પક