4.1 ఎంజైమ్లు: వర్గీకరణ మరియు పని చేసే విధానం

ఎంజైమ్లు జీవ ఉత్ప్రేరకాలు మరియు అవి జీవరసాయన చర్యలను ఇన్ వివో మరియు ఇన్ విట్రో రెండింటిలోనూ ఉత్ప్రేరణ చేస్తాయి. అవి తమ సబ్స్ట్రేట్కు చాలా నిర్దిష్టమైనవి మరియు గొప్ప ఉత్ప్రేరక శక్తిని కలిగి ఉంటాయి, అనగా, అవి మార్పు చెందకుండా చర్య రేటును అత్యధికంగా పెంచుతాయి. రైబోజైమ్లు అని పిలువబడే కొన్ని చిన్న సమూహాల కాటలిటిక్ RNA అణువుల మినహా అన్ని ఎంజైమ్లు ప్రోటీన్లు. ప్రోటీన్ల వలె, ఎంజైమ్ల అణుభారం సుమారు 2000 నుండి ఒక మిలియన్ డాల్టన్ల కంటే ఎక్కువ వరకు ఉంటుంది. ప్రోటీన్ ఎంజైమ్ల ఎంజైమాటిక్ కార్యాచరణ కన్ఫర్మేషనల్ నిర్మాణం మరియు దాని డినాచురేషన్పై ఆధారపడి ప్రభావితమవుతుంది. వాటి ఉత్ప్రేరక కార్యాచరణకు కోఫాక్టర్లు అవసరమయ్యే అనేక ఎంజైమ్లు ఉన్నాయి. కోఫాక్టర్ కోఎంజైమ్ (టేబుల్ 4.1) అని పిలువబడే సంక్లిష్ట కర్బన అణువు కావచ్చు లేదా అది $\mathrm{Fe}^{2+}, \mathrm{Mn}^{2+}$, $\mathrm{Zn}^{2+}, \mathrm{Mg}^{2+}$ (టేబుల్ 4.2) వంటి లోహ అయాన్ కావచ్చు. ఒక ఎంజైమ్ ప్లస్ దాని కోఫాక్టర్ను హోలోఎంజైమ్ అంటారు. అటువంటి సందర్భాల్లో, కోఫాక్టర్ అవసరమయ్యే ఎంజైమ్లోని ప్రోటీన్ భాగాన్ని అపోఎంజైమ్ అంటారు.

టేబుల్ 4.1: కొన్ని కోఎంజైమ్లు మరియు వాటి ముందస్తు విటమిన్లు మరియు వాటి పాత్ర

కోఎంజైమ్లు తాత్కాలికంగా ఉత్ప్రేరణలో పాల్గొంటాయి మరియు నిర్దిష్ట ఫంక్షనల్ సమూహాల వాహకాలు. చాలా కోఎంజైమ్లు విటమిన్ల నుండి ఉద్భవిస్తాయి (ఆహారంలో చిన్న మొత్తంలో అవసరమయ్యే కర్బన పోషకాలు).

టేబుల్ 4.2: ఎంజైమ్ల కోఫాక్టర్లుగా పనిచేసే లోహ అయాన్లు

ఒక కోఎంజైమ్ లేదా లోహ అయాన్ ఎంజైమ్ ప్రోటీన్తో సమయోజనీయ బంధం ద్వారా గట్టిగా బంధించబడినప్పుడు, దానిని ప్రోస్థెటిక్ సమూహం అంటారు.

4.1.1 ఎంజైమ్ల వర్గీకరణ

వ్యవస్థాపిత అధ్యయనం కలిగి ఉండటానికి మరియు గందరగోళాలను నివారించడానికి, కొత్త ఎంజైమ్లు కూడా కనుగొనబడవచ్చనే వాస్తవాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకుని, ఇంటర్నేషనల్ యూనియన్ ఆఫ్ బయోకెమిస్ట్రీ (I.U.B.) 1964లో ఎంజైమ్లు ఉత్ప్రేరణ చేసే చర్యల రకాన్ని బట్టి ఎంజైమ్ల వర్గీకరణను స్వీకరించింది. ఈ కమిషన్ ప్రకారం, అన్ని ఎంజైమ్లు 6 ప్రధాన తరగతులుగా వర్గీకరించబడ్డాయి (టేబుల్ 4.3).

టేబుల్ 4.3: I.U.B. ద్వారా స్వీకరించబడిన ఎంజైమ్ల వర్గీకరణ

ఐసోఎంజైమ్లు

చాలా ఎంజైమ్లు ఒకే జాతి, కణజాలం లేదా ఒకే కణంలోనే బహుళ రూపాల్లో (ఒకటి కంటే ఎక్కువ అణు రూపాలు) ఉంటాయి. ఈ ఎంజైమ్లను ఐసోఎంజైమ్లు లేదా ఐసోజైమ్లు అంటారు. ఐసోఎంజైమ్లు ఒకే చర్యను ఉత్ప్రేరణ చేస్తాయి కానీ వేర్వేరు అమైనో యాసిడ్ కూర్పును కలిగి ఉంటాయి, అందువల్ల, వేర్వేరు భౌతిక-రసాయన లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, గ్లైకోలిటిక్ ఎంజైమ్, హెక్సోకైనేస్ వివిధ కణజాలాలలో నాలుగు ఐసోజైమ్ రూపాల్లో ఉంటుంది. అదేవిధంగా, అనారోబిక్ గ్లూకోజ్ జీవక్రియలో పాల్గొనే లాక్టేట్ డీహైడ్రోజినేస్ (LDH), మానవులలో రెండు ఐసోజైమ్ రూపాలను కలిగి ఉంటుంది, ఒకటి గుండెలో ఉంటుంది మరియు మరొకటి అస్థిపంజర కండరాలలో కనిపిస్తుంది.

ఎంజైమ్ యొక్క క్రియాశీల స్థలం

ఎంజైమ్ల ద్వారా నిర్వహించబడే ఉత్ప్రేరక చర్య ఎంజైమ్పై ఒక నిర్దిష్ట స్థలంలో జరుగుతుంది. ఈ స్థలాన్ని క్రియాశీల స్థలం అంటారు, మరియు ఇది ఎంజైమ్ మొత్తం పరిమాణంలో చిన్న భాగాన్ని మాత్రమే సూచిస్తుంది. క్రియాశీల స్థలం ఎంజైమ్ అణువులో స్పష్టంగా నిర్వచించబడిన పాకెట్ లేదా చీలిక, ఇక్కడ సబ్స్ట్రేట్ మొత్తం లేదా ఒక భాగం సరిపోతుంది. క్రియాశీల స్థలం ఒక పాలిపెప్టైడ్ శ్రేణి యొక్క భాగాలను కలిగి ఉన్నందున దీనికి త్రిమితీయ నిర్మాణం ఉంటుంది. ఎంజైమ్ సబ్స్ట్రేట్ బంధనంలో పాల్గొనే వివిధ అసమయోజనీయ బంధాలు ఎలక్ట్రోస్టాటిక్ పరస్పర చర్యలు, హైడ్రోజన్ బంధాలు, వాన్ డెర్ వాల్స్ శక్తులు మరియు జలవిరోధి పరస్పర చర్యలు. క్రియాశీల స్థలం తరచుగా అధ్రువ వాతావరణాన్ని కలిగి ఉంటుంది, ఇది సబ్స్ట్రేట్ బంధనం మరియు ఉత్ప్రేరణను సులభతరం చేస్తుంది.

అయితే, కొన్ని ధ్రువ అవశేషాలు ఉండవచ్చు. ఈ రకమైన వాతావరణం ఎంజైమ్ అణువు యొక్క ఏ ఇతర ప్రాంతంలోనూ కనిపించదు.

ఫిషర్ యొక్క లాక్ మరియు కీ మోడల్

1894లో, సబ్స్ట్రేట్ మరియు ఎంజైమ్ పరస్పర చర్య కోసం లాక్ మరియు కీ మోడల్ పరిచయం ఎమిల్ ఫిషర్ చే ప్రతిపాదించబడింది. ఈ మోడల్ ప్రకారం, ఎంజైమ్ మరియు సబ్స్ట్రేట్ మధ్య పూరక నిర్మాణ లక్షణాలు ఉంటాయి, మరియు క్రియాశీల స్థలం సబ్స్ట్రేట్కు సరిపోయేలా ముందుగానే ఆకృతీకరించబడి ఉంటుంది. ఒక కీ లాక్లోకి సరిపోయినట్లుగా సబ్స్ట్రేట్ ఎంజైమ్పై దాని పూరక స్థలంలోకి సరిపోతుంది. ఇది ఎంజైమ్-సబ్స్ట్రేట్ కాంప్లెక్స్ (Fig. 4.1) ఏర్పడటానికి దారి తీస్తుంది.

Fig. 4.1: లాక్ మరియు కీ మోడల్ ప్రకారం ఒక ఎంజైమ్ మరియు దాని సబ్స్ట్రేట్ మధ్య పరస్పర చర్య

కోష్లాండ్ యొక్క ఇండ్యూస్డ్ ఫిట్ మోడల్

డేనియల్ కోష్లాండ్ 1958లో ఇండ్యూస్డ్ ఫిట్ హైపోథెసిస్ ప్రతిపాదించాడు. ఒక సబ్స్ట్రేట్ నిర్మాణం ఎంజైమ్-సబ్స్ట్రేట్ కాంప్లెక్స్లోని క్రియాశీల స్థలానికి పూరకంగా ఉండవచ్చు కానీ ఉచిత ఎంజైమ్లో కాదని ఆయన సూచించారు. సబ్స్ట్రేట్ మరియు ఎంజైమ్ మధ్య పరస్పర చర్య ఎంజైమ్లో కన్ఫర్మేషనల్ మార్పులను ప్రేరేపిస్తుంది, ఇది సబ్స్ట్రేట్ బంధనం, ఉత్ప్రేరణ లేదా రెండింటికీ అమైనో యాసిడ్ అవశేషాలు లేదా ఇతర సమూహాలను సమలేఖనం చేస్తుంది. ఒక సబ్స్ట్రేట్ మరియు క్రియాశీల స్థలం మధ్య సంబంధం చేయి మరియు ఉన్ని గ్లవ్ వంటిది. పరస్పర చర్య సమయంలో, ఒక భాగం యొక్క నిర్మాణం, అనగా సబ్స్ట్రేట్ లేదా చేయి దృఢంగా ఉంటుంది మరియు రెండవ భాగం యొక్క ఆకారం, అనగా క్రియాశీల స్థలం లేదా గ్లవ్ మొదటి దానికి పూరకంగా మారడానికి సరిపోయేలా సరిపోతుంది (Fig. 4.2).

Fig. 4.2: ఇండ్యూస్డ్ ఫిట్ మోడల్ ప్రకారం ఒక ఎంజైమ్ మరియు దాని సబ్స్ట్రేట్ మధ్య పరస్పర చర్య

ఎంజైమ్ నిర్దిష్టత

ఎంజైమ్లు చర్యలో చాలా నిర్దిష్టంగా ఉంటాయి. వాస్తవానికి, ఎంజైమ్లను అంత బలమైన ఉత్ప్రేరకాలుగా చేసే లక్షణాలు వాటి సబ్స్ట్రేట్ బంధనం యొక్క నిర్దిష్టత మరియు వాటి ఉత్ప్రేరక సమూహాల ఆదర్శ వ్యవస్థాపన. వివిధ రకాల ఎంజైమ్ నిర్దిష్టతలు: సమూహ నిర్దిష్టత, సంపూర్ణ నిర్దిష్టత, స్టీరియోస్పెసిఫిసిటీ మరియు జ్యామితీయ నిర్దిష్టత. ఎంజైమ్లు అనేక వేర్వేరు దగ్గరి సంబంధం ఉన్న సబ్స్ట్రేట్లపై పనిచేసినప్పుడు దానిని సమూహ నిర్దిష్టత అంటారు. ఎంజైమ్లు ఒక నిర్దిష్ట సబ్స్ట్రేట్పై మాత్రమే పనిచేసినప్పుడు, దానిని సంపూర్ణ నిర్దిష్టత అంటారు. స్టీరియోకెమికల్ లేదా ఆప్టికల్ నిర్దిష్టత సబ్స్ట్రేట్ రెండు స్టీరియోకెమికల్ రూపాల్లో ఉన్నప్పుడు (రసాయనికంగా ఒకేలా ఉంటాయి కానీ త్రిమితీయ స్థలంలో అణువుల వ్యవస్థాపన భిన్నంగా ఉంటుంది) అప్పుడు ఐసోమర్లలో ఒకటి మాత్రమే నిర్దిష్ట ఎంజైమ్ ద్వారా చర్యకు లోనవుతుంది. ఉదాహరణకు, D-అమైనో యాసిడ్ ఆక్సిడేస్ D-అమైనో యాసిడ్ల ఆక్సీకరణను కీటో యాసిడ్లుగా ఉత్ప్రేరణ చేస్తుంది. జ్యామితీయ నిర్దిష్టతలో, ఎంజైమ్లు సిస్ మరియు ట్రాన్స్ రూపాలకు నిర్దిష్టంగా ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, ఫ్యూమరేస్ ఫ్యూమరేట్ మరియు మాలేట్ పరస్పర మార్పిడిని ఉత్ప్రేరణ చేస్తుంది.

4.1.2 ఎంజైమ్ కార్యాచరణను ప్రభావితం చేసే కారకాలు

పర్యావరణ పరిస్థితులను మార్చడం ద్వారా ఎంజైమ్ ఉత్ప్రేరణ చేసిన చర్యల రేటు ప్రభావితమవుతుంది. ఎంజైమ్ ఉత్ప్రేరణ చేసిన చర్యల వేగాన్ని ప్రభావితం చేసే ముఖ్యమైన కారకాలు ఉష్ణోగ్రత, $\mathrm{pH}$, సబ్స్ట్రేట్ సాంద్రత మరియు మాడ్యులేటర్లు.

1. ఉష్ణోగ్రత

ఎంజైమ్ ఉత్ప్రేరణ చేసిన చర్య రేటు గరిష్టంగా ఉండే వరకు ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ పెరుగుతుంది మరియు తర్వాత తగ్గుతుంది. ఉష్ణోగ్రత వర్సెస్ ఎంజైమ్ కార్యాచరణ మధ్య గ్రాఫ్ ప్లాట్ చేసినప్పుడు, గంట-ఆకారపు వక్రరేఖ లభిస్తుంది (Fig. 4.3). గరిష్ట చర్య రేటు సంభవించే ఉష్ణోగ్రతను ఎంజైమ్ యొక్క ఆప్టిమం ఉష్ణోగ్రత అంటారు. ఆప్టిమం ఉష్ణోగ్రత వేర్వేరు ఎంజైమ్లకు వేర్వేరుగా ఉంటుంది; కానీ చాలా ఎంజైమ్లకు ఇది $40^{\circ} \mathrm{C}-45^{\circ} \mathrm{C}$ మధ్య ఉంటుంది. మానవ శరీరంలోని మెజారిటీ ఎంజైమ్ల ఆప్టిమం ఉష్ణోగ్రత సుమారు $37^{\circ} \mathrm{C}\left(98.6^{\circ} \mathrm{F}\right)$ మరియు తీవ్రమైన ఉష్ణోగ్రతల వద్ద డినాచర్ అవుతాయి లేదా క్షీణిస్తాయి. అయితే, థర్మోఫిలిక్ బ్యాక్టీరియా, థర్మస్ అక్వాటికస్లో ఉన్న టాక్ DNA పాలిమరేస్, వెనమ్ ఫాస్ఫోకైనేస్ మరియు కండరాల అడెనిలేట్ కైనేస్ వంటి కొన్ని ఎంజైమ్లు $100^{\circ} \mathrm{C}$ వద్ద కూడా చురుకుగా ఉంటాయి.

Fig. 4.3: ఎంజైమ్ కార్యాచరణపై ఉష్ణోగ్రత ప్రభావం

2. హైడ్రోజన్ అయాన్ సాంద్రత $(\mathrm{pH})$

ఎంజైమ్ కార్యాచరణ కూడా $\mathrm{pH}$ ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది. $\mathrm{pH}$కి వ్యతిరేకంగా ఎంజైమ్ కార్యాచరణ ప్లాట్ ఒక గంట-ఆకారపు వక్రరేఖను ఇస్తుంది (Fig. 4.4). ప్రతి ఎంజైమ్కు దాని ప్రత్యేక ఆప్టిమం $\mathrm{pH}$ ఉంటుంది, ఇక్కడ చర్య రేటు గరిష్టంగా ఉంటుంది. ఆప్టిమం $\mathrm{pH}$ అనేది $\mathrm{pH}$, ఇది ఒక నిర్దిష్ట ఎంజైమ్ యొక్క కార్యాచరణ గరిష్టంగా ఉండే స్థానం. ఉన్నత జీవుల యొక్క అనేక ఎంజైమ్లు తటస్థ $\mathrm{pH}$ (6-8) చుట్టూ ఆప్టిమం రియాక్షన్ రేట్ను చూపుతాయి. అయితే, పెప్సిన్ (pH 1-2), యాసిడ్ ఫాస్ఫటేస్లు ($\mathrm{pH} 4-5$) మరియు ఆల్కలీన్ ఫాస్ఫటేస్లు ($\mathrm{pH}$ 10-11) వంటి అనేక మినహాయింపులు ఉన్నాయి. ఆప్టిమం $\mathrm{pH}$ క్రింద మరియు పైన, ఎంజైమ్ కార్యాచరణ చాలా తగ్గుతుంది మరియు తీవ్రమైన $\mathrm{pH}$ వద్ద, ఎంజైమ్ పూర్తిగా నిష్క్రియంగా మారుతుంది.

Fig. 4.4: pH యొక్క ఎంజైమ్ కార్యాచరణపై ప్రభావం

3. సబ్స్ట్రేట్ సాంద్రత

సబ్స్ట్రేట్ సాంద్రత కూడా ఎంజైమ్ కార్యాచరణను ప్రభావితం చేస్తుంది. సబ్స్ట్రేట్ సాంద్రత పెరిగేకొద్దీ చర్య రేటు కూడా పెరుగుతుంది. ఎందుకంటే ఎక్కువ సబ్స్ట్రేట్ అణువులు ఎంజైమ్ అణువులతో పరస్పర చర్య చేస్తాయి, అంత ఎక్కువ ఉత్పత్తులు ఏర్పడతాయి. అయితే, ఒక నిర్దిష్ట సాంద్రత తర్వాత, సబ్స్ట్రేట్ సాంద్రతలో మరింత పెరుగుదల చర్య రేటుపై ఎలాంటి ప్రభావం చూపదు, ఎందుకంటే సబ్స్ట్రేట్ సాంద్రత ఇకపై పరిమితి కారకం కాదు (Fig. 4.5). ఈ దశలో, ఎంజైమ్ అణువులు సంతృప్తమవుతాయి మరియు వాటి గరిష్ట సాధ్యమైన రేటుతో పనిచేస్తాయి.

4.1.3 ఎంజైమ్ కార్యాచరణ యూనిట్

ఎంజైమ్ యూనిట్ (U) అనేది ప్రామాణిక పరిస్థితులలో నిమిషానికి 1 మైక్రోమోల్ సబ్స్ట్రేట్ మార్పిడిని ఉత్ప్రేరణ చేసే ఎంజైమ్ మొత్తం. ఇంటర్నేషనల్ యూనియన్ ఆఫ్ బయోకెమిస్ట్రీ (I.U.B.) 1964లో ఎంజైమ్ కార్యాచరణ యూనిట్గా ఎంజైమ్ యూనిట్ను స్వీకరించింది. కానీ నిమిషం SI యూనిట్ కాదు కాబట్టి కటల్ పక్షంలో దీన్ని నిరుత్సాహపరిచారు. ఒక కటల్ (kat) అనేది సెకనుకు 1 మోల్ సబ్స్ట్రేట్ను ఉత్ప్రేరణ చేసే ఎంజైమ్ మొత్తం, కాబట్టి 1 kat $=60,000,000 \mathrm{U}$.

4.1.4 నిర్దిష్ట కార్యాచరణ

ఎంజైమ్ యొక్క మరొక సాధారణ యూనిట్ నిర్దిష్ట కార్యాచరణ. ఇది ఒక ఎంజైమ్ ద్వారా ఇచ్చిన పరిస్థితులలో ప్రోటీన్ల మిల్లిగ్రాముకు ఇచ్చిన సమయంలో (నిమిషాలు) ఏర్పడిన ఉత్పత్తి మోల్స్గా నిర్వచించబడుతుంది.

Fig. 4.5: చర్య రేటుపై సబ్స్ట్రేట్ సాంద్రత ప్రభావం

నిర