४.१ एन्झाइम्स: वर्गीकरण आणि कार्यपद्धती

एन्झाइम्स हे जैवउत्प्रेरक आहेत आणि ते जीवनक्रियेत (in vivo) तसेच काचेपात्रात (in vitro) जैवरासायनिक अभिक्रिया उत्प्रेरित करतात. ते त्यांच्या अभिक्रियाधारकासाठी अत्यंत विशिष्ट असतात आणि त्यांच्यात प्रचंड उत्प्रेरक शक्ती असते, म्हणजेच, ते स्वतः बदल न होता अभिक्रियेचा वेग प्रचंड प्रमाणात वाढवतात. काही लहान गटाच्या रायबोझाइम्स नावाच्या उत्प्रेरक RNA रेणूंचा अपवाद वगळता सर्व एन्झाइम्स हे प्रथिने असतात. प्रथिनांप्रमाणेच, एन्झाइम्सचे आण्विक वजन सुमारे २००० ते दहा लाख डाल्टनपर्यंत असते. प्रथिनजन्य एन्झाइम्सची एन्झाइमेटिक क्रिया रचनात्मक संरचना तसेच त्यांच्या विप्रथिननावर अवलंबून प्रभावित होऊ शकते. अनेक एन्झाइम्सना त्यांच्या उत्प्रेरक क्रियेसाठी सहकारकांची आवश्यकता असते. सहकारक हा एक जटिल सेंद्रिय रेणू असू शकतो ज्याला सहएन्झाइम म्हणतात (सारणी ४.१) किंवा तो धातू आयन असू शकतो जसे की $\mathrm{Fe}^{2+}, \mathrm{Mn}^{2+}$, $\mathrm{Zn}^{2+}, \mathrm{Mg}^{2+}$ (सारणी ४.२). एन्झाइम आणि त्याचा सहकारक यांच्या संयोगाला होलोएन्झाइम म्हणतात. अशा प्रकरणांमध्ये, सहकारक आवश्यक असलेल्या एन्झाइममधील प्रथिन घटकाला अपोएन्झाइम म्हणतात.

सारणी ४.१: काही सहएन्झाइम्स, त्यांचे पूर्वगामी जीवनसत्त्वे आणि त्यांची भूमिका

सहएन्झाइम्स क्षणिकरित्या उत्प्रेरणात भाग घेतात आणि ते विशिष्ट क्रियात्मक गटांचे वाहक असतात. बहुतेक सहएन्झाइम्स जीवनसत्त्वांपासून (आहारात थोड्या प्रमाणात आवश्यक असलेले सेंद्रिय पोषक) मिळवले जातात.

सारणी ४.२: धातू आयन जे एन्झाइम्ससाठी सहकारक म्हणून काम करतात

जेव्हा सहएन्झाइम किंवा धातू आयन एन्झाइम प्रथिनाशी सहसंयुज बंधाने घट्ट बद्ध असतो, तेव्हा त्याला प्रोस्थेटिक गट म्हणतात.

४.१.१ एन्झाइम्सचे वर्गीकरण

पद्धतशीर अभ्यासासाठी आणि नवीन एन्झाइम्स सापडू शकतात या वस्तुस्थितीचा विचार करून संदिग्धता टाळण्यासाठी, आंतरराष्ट्रीय जैवरसायन संघटनेने (I.U.B.) १९६४ मध्ये एन्झाइम्सचे वर्गीकरण त्यांनी उत्प्रेरित केलेल्या अभिक्रियांच्या प्रकारावर अवलंबून स्वीकारले. या आयोगानुसार, सर्व एन्झाइम्स ६ मुख्य वर्गांमध्ये वर्गीकृत केले जातात (सारणी ४.३).

सारणी ४.३: I.U.B. ने स्वीकारलेले एन्झाइम्सचे वर्गीकरण

आयसोझाइम्स

अनेक एन्झाइम्स एकाच जातीत, ऊतीत किंवा एकाच पेशीमध्येही अनेक रूपांमध्ये (एकापेक्षा जास्त आण्विक रूप) उपस्थित असतात. या एन्झाइम्सना आयसोएन्झाइम्स किंवा आयसोझाइम्स म्हणतात. आयसोएन्झाइम्स समान अभिक्रिया उत्प्रेरित करतात परंतु त्यांची अमिनो आम्ल रचना वेगवेगळी असते, म्हणूनच, त्यांचे भौतिक-रासायनिक गुणधर्म वेगवेगळे असतात. उदाहरणार्थ, ग्लायकोलायटिक एन्झाइम, हेक्सोकायनेज विविध ऊतकांमध्ये चार आयसोझाइम रूपांमध्ये अस्तित्वात असते. त्याचप्रमाणे, अॅनॅरोबिक ग्लुकोज चयापचयात सहभागी लॅक्टेट डिहायड्रोजनेज (LDH) ची मानवामध्ये दोन आयसोझाइम रूपे आहेत, एक हृदयात असते आणि दुसरी स्नायूंमध्ये आढळते.

एन्झाइम सक्रिय स्थळ

एन्झाइम्सद्वारे केलेली उत्प्रेरक अभिक्रिया एन्झाइमवरील एका विशिष्ट स्थळावर होते. या स्थळाला सक्रिय स्थळ म्हणतात, आणि ते एन्झाइमच्या एकूण आकाराचा फक्त एक लहान भाग दर्शवते. सक्रिय स्थळ हे एन्झाइम रेणूमधील एक स्पष्टपणे परिभाषित खड्डा किंवा भेग आहे जिथे अभिक्रियाधारकाचा संपूर्ण किंवा एक भाग बसू शकतो. सक्रिय स्थळाला त्रिमितीय रचना असते कारण ते पॉलीपेप्टाइड साखळीच्या भागांपासून बनलेले असते. एन्झाइम-अभिक्रियाधारक बंधनात गुंतलेले विविध असंयुज बंध म्हणजे इलेक्ट्रोस्टॅटिक परस्परक्रिया, हायड्रोजन बंध, व्हॅन डर वाल्स बल आणि जलविरोधी परस्परक्रिया. सक्रिय स्थळात बहुतेकदा अध्रुवीय वातावरण असते जे अभिक्रियाधारकाचे बंधन आणि उत्प्रेरण सुलभ करते.

तथापि, काही ध्रुवीय अवशेष उपस्थित असू शकतात. एन्झाइम रेणूच्या इतर कोणत्याही भागात अशा प्रकारचे वातावरण आढळत नाही.

फिशरचे लॉक आणि की मॉडेल

१८९४ मध्ये, एमिल फिशर यांनी अभिक्रियाधारक आणि एन्झाइम परस्परक्रियेसाठी लॉक आणि की मॉडेल ची ओळख करून दिली. या मॉडेलनुसार, एन्झाइम आणि अभिक्रियाधारक यांच्यात पूरक संरचनात्मक वैशिष्ट्ये असतात, आणि सक्रिय स्थळ अभिक्रियाधारकाला बसण्यासाठी पूर्व-आकारित असते. अभिक्रियाधारक एन्झाइमवरील त्याच्या पूरक स्थळावर अशाप्रकारे बसू शकतो जसे की लॉकमध्ये की बसते. यामुळे एन्झाइम-अभिक्रियाधारक संकुल (ES complex) तयार होते (आकृती ४.१).

आकृती ४.१: लॉक आणि की मॉडेलनुसार एन्झाइम आणि त्याच्या अभिक्रियाधारक यांच्यातील परस्परक्रिया

कोशलँडचे इंड्युस्ड फिट मॉडेल

डॅनियल कोशलँड यांनी १९५८ मध्ये इंड्युस्ड फिट हायपोथेसिस मांडली. त्यांनी सुचवले की अभिक्रियाधारकाची संरचना एन्झाइम-अभिक्रियाधारक संकुलातील सक्रिय स्थळाशी पूरक असू शकते परंतु मुक्त एन्झाइममध्ये नसते. अभिक्रियाधारक आणि एन्झाइम यांच्यातील परस्परक्रिया एन्झाइममध्ये रचनात्मक बदल प्रेरित करते जे अभिक्रियाधारक बंधनासाठी, उत्प्रेरणासाठी किंवा दोन्हीसाठी अमिनो आम्ल अवशेष किंवा इतर गटांना संरेखित करते. अभिक्रियाधारक आणि सक्रिय स्थळ यांच्यातील संबंध हात आणि लोकरीच्या मोज्यासारखा असतो. परस्परक्रियेदरम्यान, एका घटकाची संरचना, म्हणजे अभिक्रियाधारक किंवा हात कठोर राहते आणि दुसऱ्या घटकाचा आकार, म्हणजे सक्रिय स्थळ किंवा मोजा लवचिक असतो जो पहिल्याच्या पूरक बनण्यासाठी (आकृती ४.२).

आकृती ४.२: इंड्युस्ड फिट मॉडेलनुसार एन्झाइम आणि त्याच्या अभिक्रियाधारक यांच्यातील परस्परक्रिया

एन्झाइम विशिष्टता

एन्झाइम्स क्रियेत अत्यंत विशिष्ट असतात. खरं तर, एन्झाइम्सना इतके शक्तिशाली उत्प्रेरक बनवणारे गुणधर्म म्हणजे त्यांची अभिक्रियाधारक बंधनाची विशिष्टता आणि त्यांच्या उत्प्रेरक गटाची आदर्श मांडणी. एन्झाइम विशिष्टतेचे विविध प्रकार आहेत: गट विशिष्टता, परिपूर्ण विशिष्टता, स्टिरिओविशिष्टता आणि भूमितीय विशिष्टता. जेव्हा एन्झाइम्स अनेक वेगवेगळ्या जवळच्या संबंधित अभिक्रियाधारकांवर कार्य करतात तेव्हा त्याला गट विशिष्टता म्हणतात. जेव्हा एन्झाइम्स फक्त एका विशिष्ट अभिक्रियाधारकावर कार्य करतात, तेव्हा त्याला परिपूर्ण विशिष्टता म्हणतात. स्टिरिओरासायनिक किंवा प्रकाशिक विशिष्टता तेव्हा उद्भवते जेव्हा अभिक्रियाधारक दोन स्टिरिओरासायनिक रूपांमध्ये अस्तित्वात असतो (रासायनिकदृष्ट्या समान परंतु त्रिमितीय अवकाशात अणूंची मांडणी वेगवेगळी) तर विशिष्ट एन्झाइमद्वारे फक्त एक समावयव अभिक्रियेत भाग घेईल. उदाहरणार्थ, D-अमिनो आम्ल ऑक्सिडेज D-अमिनो आम्लांचे कीटो आम्लांमध्ये ऑक्सिकरण उत्प्रेरित करते. भूमितीय विशिष्टतेमध्ये, एन्झाइम्स सिस आणि ट्रान्स रूपांकडे विशिष्ट असतात. उदाहरणार्थ, फ्यूमरेज फ्यूमरेट आणि मॅलेट यांचे परस्पर रूपांतरण उत्प्रेरित करते.

४.१.२ एन्झाइम क्रियेवर परिणाम करणारे घटक

पर्यावरणीय परिस्थिती बदलून एन्झाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियांचा दर प्रभावित होतो. एन्झाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियांचा वेग प्रभावित करणारे महत्त्वाचे घटक म्हणजे तापमान, $\mathrm{pH}$, अभिक्रियाधारक एकाग्रता आणि नियामक.

१. तापमान

एन्झाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियेचा दर तापमान वाढल्यास कमाल पर्यंत वाढतो आणि नंतर कमी होतो. जेव्हा तापमान विरुद्ध एन्झाइम क्रिया यांच्यात आलेख काढला जातो, तेव्हा घंटेच्या आकाराचा वक्र मिळतो (आकृती ४.३). ज्या तापमानाला अभिक्रियेचा कमाल दर होतो त्याला एन्झाइमचे इष्टतम तापमान म्हणतात. इष्टतम तापमान वेगवेगळ्या एन्झाइम्ससाठी वेगवेळे असते; परंतु बहुतेक एन्झाइम्ससाठी ते $40^{\circ} \mathrm{C}-45^{\circ} \mathrm{C}$ च्या दरम्यान असते. मानवी शरीरातील बहुसंख्य एन्झाइम्सचे इष्टतम तापमान सुमारे $37^{\circ} \mathrm{C}\left(98.6^{\circ} \mathrm{F}\right)$ असते आणि अतितापमानावर ते विप्रथिनित किंवा विघटित होतात. तथापि, थर्मोफिलिक जीवाणू, थर्मस एक्वॅटिकस मध्ये असलेल्या टॅक DNA पॉलिमरेज, विष फॉस्फोकायनेज आणि स्नायू अॅडेनिलेट कायनेज सारख्या काही एन्झाइम्स $100^{\circ} \mathrm{C}$ वरही सक्रिय असतात.

आकृती ४.३: तापमानाचा एन्झाइम क्रियेवर परिणाम

२. हायड्रोजन आयन एकाग्रता $(\mathrm{pH})$

एन्झाइम क्रिया $\mathrm{pH}$ द्वारे देखील प्रभावित होते. एन्झाइम क्रिया विरुद्ध $\mathrm{pH}$ चा आलेख घंटेच्या आकाराचा वक्र देतो (आकृती ४.४). प्रत्येक एन्झाइमचे स्वतःचे अद्वितीय इष्टतम $\mathrm{pH}$ असते ज्यावर अभिक्रियेचा दर सर्वात जास्त असतो. इष्टतम $\mathrm{pH}$ हे $\mathrm{pH}$ आहे ज्यावर विशिष्ट एन्झाइमची क्रिया कमाल असते. उच्च प्राण्यांमधील अनेक एन्झाइम्स तटस्थ $\mathrm{pH}$ (६-८) च्या आसपास इष्टतम अभिक्रिया दर दर्शवतात. तथापि, पेप्सिन (pH १-२), आम्ल फॉस्फेटेजेस ( $\mathrm{pH} 4-5$ ) आणि अल्कधर्मी फॉस्फेटेजेस ( $\mathrm{pH}$ १०-११) सारख्या अनेक अपवाद आहेत. इष्टतम $\mathrm{pH}$ च्या खाली आणि वर, एन्झाइम क्रिया खूपच कमी होते आणि अत्यंत $\mathrm{pH}$ वर, एन्झाइम पूर्णपणे निष्क्रिय होते.

आकृती ४.४: pH चा एन्झाइम क्रियेवर परिणाम

३. अभिक्रियाधारक एकाग्रता

अभिक्रियाधारक एकाग्रता देखील एन्झाइम क्रियेवर परिणाम करते. अभिक्रियाधारक एकाग्रता वाढल्यास अभिक्रियेचा दर देखील वाढतो. याचे कारण असे की जितके जास्त अभिक्रियाधारक रेणू एन्झाइम रेणूंशी परस्परक्रिया करतील, तितके जास्त उत्पादने तयार होतील. तथापि, एका विशिष्ट एकाग्रतेनंतर, अभिक्रियाधारक एकाग्रतेत पुढील वाढीचा अभिक्रियेच्या दरावर कोणताही परिणाम होणार नाही, कारण अभिक्रियाधारक एकाग्रता यापुढे मर्यादित घटक राहणार नाही (आकृती ४.५). या टप्प्यावर, एन्झाइम रेणू संतृप्त होतात आणि त्यांच्या कमाल शक्य दराने कार्य करतात.

४.१.३ एन्झाइम क्रियेचे एकक

एन्झाइम एकक (U) हे एन्झाइमचे प्रमाण आहे जे प्रमाणित परिस्थितीत प्रति मिनिट १ मायक्रोमोल अभिक्रियाधारकाचे रूपांतर उत्प्रेरित करते. आंतरराष्ट्रीय जैवरसायन संघटनेने (I.U.B.) १९६४ मध्ये एन्झाइम क्रियेचे एकक म्हणून एन्झाइम एकक स्वीकारले. परंतु मिनिट हे SI एकक नसल्यामुळे ते कॅटल च्या पक्षात हटवण्यात आले. एक कॅटल (kat) हे एन्झाइमचे प्रमाण आहे जे प्रति सेकंद १ मोल अभिक्रियाधारक उत्प्रेरित करते, म्हणून १ kat $=60,000,000 \mathrm{U}$.

४.१.४ विशिष्ट क्रिया

एन्झाइमचे दुसरे सामान्य एकक म्हणजे विशिष्ट क्रिया. ही प्रथिनांच्या प्रति मिलीग्राममध्ये दिलेल्या परिस्थितीत दिलेल्या वेळेत (मिनिटांत) एन्झाइमद्वारे तयार झालेल्या उत्पादनाच्या मोल म्हणून परिभाषित केली जाते.

आकृती ४.५: अभिक्रियाधारक एकाग्रतेचा अभिक्रिया दरावर परिणाम

विशिष्ट क्रिया हे मिश्रणातील एन्झाइम शुद्धतेचे मापन दर्शवते.

४.१.५ एन्झाइम क्रियेची यंत्रणा

एन्झाइम यंत्रणेच्या समजुतीसाठी, तुम्ही अभिक्रियेचे दोन ऊष्मागतिकीय गुणधर्म विचारात घ्यावे. हे उत्पादने आणि अभिक्रियाकारक यांच्यातील मुक्त ऊर्जेतील फरक $(\Delta \mathrm{G})$ आणि अभिक्रियाकारकाचे उत्पादनात रूपांतर सुरू करण्यासाठी आवश्यक ऊर्जा आहे. पूर्वीची ऊर्जा, म्हणजे $\Delta \mathrm{G}$ हे ठरवते की अभिक्रिया स्वयंस्फूर्त आहे का, तर नंतरची अभिक्रियेचा दर ठरवते. एन्झाइम्स अभिक्रियेचा दर ठरवणारी ऊर्जा प्रभावित करतात. एन्झाइम्स ऊष्मागतिकीचे नियम बदलू शकत नाहीत आणि म्हणूनच, ते जैवरासायनिक अभिक्रियेचे समतोल बदलू शकत नाहीत. ते समतोल प्राप्त करण्याचा वेग वाढवतात.

अभिक्रियेचा दर त्याऐवजी सक्रियणाच्या मुक्त ऊर्जेवर $\left(\Delta \mathrm{G}^{\wedge}\right)$ अवलंबून असतो, जी $\Delta \mathrm{G}$ शी संबंधित नसते. संक्रमण स्थितीच्या निर्मितीद्वारे उत्पादन $\mathrm{P}$ मध्ये रूपांतरित झालेला अभिक्रियेचा अभिक्रियाधारक $\mathrm{S}$ ची मुक्त ऊर्जा एकतर $\mathrm{S}$ किंवा $\mathrm{P}$ पेक्षा जास्त असते. संक्रमण स्थितीची मुक्त ऊर्जा आणि अभिक्रियाधारक यांच्यातील फरकाला गिब्स मुक्त ऊर्जा सक्रियण किंवा फक्त सक्रियण ऊर्जा $\left(\Delta \mathbf{G}^{A}\right)$ म्हणतात. एन्झाइम्स अभिक्रियेचे $\Delta \mathrm{G}$ न बदलता अभिक्रिया दर वाढवतात, त्याऐवजी ते सक्रियण ऊर्जा कमी करतात, $\Delta \mathrm{G}^{\mathrm{A}}$.

एन्झाइम-उत्प्रेरित अभिक्रियेची गतिकी

उत्प्रेरणादरम्यान, अभिक्रियाधारक $\mathrm{S}$ एन्झाइम $\mathrm{E}$ च्या सक्रिय स्थळाशी बांधला जातो आणि त्याचा परिणाम एन्झाइम-अभिक्रियाधारक संकुल ES च्या निर्मितीमध्ये होतो, जे शेवटी उत्पादन $P$ मध्ये रूपांतरित होते. अभिक्रिया खालीलप्रमाणे दर्शविली जाऊ शकते: $\mathrm{E}+\mathrm{s} \rightleftharpoons \mathrm{Es} \rightleftharpoons \mathrm{E}+\mathrm{P}$

जिथे, E अभिक्रियाधारक $\mathrm{S}$ सह कमकुवत बंधित संकुल ES तयार करते. ES संकुल उत्पादन $\mathrm{P}$ आणि मुक्त एन्झाइम $\mathrm{E}$ तयार करण्यासाठी विघटित होते.

एन्झाइम उत्प्रेरित अभिक्रियांची गतिकी लिओनोर मायकेलिस आणि मॉड मेंटेन यांनी १९१३ मध्ये स्पष्ट केली. या गतिकीचे सर्वात उल्लेखनीय वैशिष्ट्य म्हणजे विशिष्ट ES संकुल उत्प्रेरणादरम्यान एक मध्यवर्ती पदार्थ असतो. एन्झाइम गतिकीचे मायकेलिस-मेंटेन सिद्धांत हे सर्वात सोपे आहे जे अनेक एन्झाइम्सच्या गतिकीय गुणधर्मांचे स्पष्टीकरण देतात.

अभिक्रियेचे आणखी सोपे करून, मायकेलिस-मेंटेन यांनी एका अभिक्रियाधारक अभिक्रियेसाठी खालील समीकरण मिळवले.

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

या समीकरणाला मायकेलिस-मेंटेन समीकरण म्हणतात. जिथे, $\mathrm{K} _{\mathrm{m}}$ ला मायकेलिस स्थिरांक म्हणतात, $\mathrm{v} _{0}$ हा प्रारंभिक वेग आहे, $\mathrm{V} _{\max }$ हा अभिक्रियेचा कमाल वेग आहे, आणि [S] ही अभिक्रियाधारक एकाग्रता आहे.

$\mathrm{v} _{0}$ विरुद्ध [S] चा आलेख आयताकृती अतिपरवलय देतो (आकृती ४.६). $\mathrm{V} _{\max }$ हा विशिष्ट एन्झाइम एकाग्रतेवर कमाल वेग आहे. $\mathrm{V} _{\text {max }}$ आणि $\mathrm{K} _{\mathrm{m}}$ हे आकृती ४.६ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे आलेखावरून निश्चित केले जाऊ शकतात.

आलेखात, आपण पाहू शकतो की अत्यंत कमी अभिक्रियाधारक एकाग्रतेवर (जेव्हा $\left.[\mathrm{S}]«\mathrm{K} _{\mathrm{m}}\right), \quad \mathrm{V} _{0}=\left(\mathrm{V} _{\max } / \mathrm{K} _{\mathrm{m}}\right) /[\mathrm{S}]$, म्हणज