व्याख्यान 16

एंजाइम क्रिया का तंत्र (MECHANISM OF ENZYME ACTION)

A ----> P जैसी रासायनिक प्रतिक्रिया इसलिए होती है क्योंकि सब्सट्रेट (substrate) के एक निश्चित अंश (fraction) में संक्रमण अवस्था नामक सक्रिय स्थिति प्राप्त करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है।
यह संक्रमण अवस्था अभिकारकों (reactants) और उत्पादों (products) को अलग करने वाली ऊर्जा बाधा के शीर्ष पर है।
किसी दी गई रासायनिक प्रतिक्रिया की दर इस संक्रमण अवस्था अणु की सांद्रता (concentration) के समानुपाती (proportional) होती है।
सक्रियण की ऊर्जा किसी पदार्थ के 1 मोल के सभी अणुओं को एक निश्चित तापमान पर संक्रमण अवस्था में लाने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा है।
एंजाइम क्षणिक रूप से (transiently) सब्सट्रेट के साथ मिलकर एक संक्रमण अवस्था मध्यवर्ती का उत्पादन करते हैं जिसमें अनुत्प्रेरित (uncatalysed) प्रतिक्रिया की तुलना में सक्रियण की ऊर्जा कम होती है। इस प्रकार, वे सक्रियण की ऊर्जा को कम करके रासायनिक प्रतिक्रियाओं में तेजी लाते हैं।

उदाहरण (Example):

$$ H_2O_2 \longrightarrow H_2O + (O) $$

प्रतिक्रिया की स्थिति	सक्रियण ऊर्जा
उत्प्रेरित नहीं (Uncatalysed)	18
कोलाइडल Pt द्वारा उत्प्रेरित	13
कैटालेज़ द्वारा उत्प्रेरित (Catalysed by catalase)	7

यह आम तौर पर माना जाता है कि उत्प्रेरक प्रतिक्रियाएं कम से कम दो चरणों में होती हैं।
चरण 1: एंजाइम (E) का एक अणु और सब्सट्रेट (S) का एक अणु टकराते हैं और एंजाइम-सब्सट्रेट संकुल नामक मध्यवर्ती (intermediate) बनाने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं।
चरण 2: उत्पाद (products) और सक्रिय एंजाइम (active enzyme) देने के लिए ES संकुल (complex) का अपघटन (decomposition)।

$$ [S] + [E] \longrightarrow [ES] \longrightarrow P + [E] $$

ES संकुल (complex) का निर्माण कम सक्रियण ऊर्जा प्रदान करता है।

सक्रिय स्थल (Active site)

एंजाइम में सब्सट्रेट आबंध स्थल को सक्रिय साइट कहा जाता है।
क्रियात्मक समूह जो ES संकुल (complex) के निर्माण के लिए आवश्यक हैं, एंजाइम अणु की सतह पर एक विशिष्ट स्थान पर होते हैं।
एंजाइम का यह भाग जहाँ सब्सट्रेट बाइंडिंग और सब्सट्रेट का उत्पाद में परिवर्तन (transformation) होता है, सक्रिय साइट कहलाता है।
विभिन्न एंजाइमों के सक्रिय साइट के हिस्से के रूप में विशिष्ट अमीनो एसिड अवशेषों (amino acid residues - पार्श्व शृंखला या R समूह) को फंसाने के कई प्रयास किए गए हैं।
एंजाइमों के सक्रिय स्थल पर होने वाले कुछ अमीनो एसिड सेरीन के हाइड्रॉक्सिल समूह, सिस्टीन के सल्फहाइड्रील समूह, हिस्टिडीन के इमिडाज़ोल समूह और एस्पार्टिक एसिड के कार्बोक्सिल समूह हैं।

एंजाइम क्रिया के तंत्र को समझाने के लिए दो सिद्धांतों (theories) का प्रस्ताव किया गया था।

1. फिशर का ताला और कुंजी सिद्धांत (कठोर टेम्पलेट मॉडल) (Fischer’s lock and key theory

1890 के दौरान, एमिल फिशर ने इस सिद्धांत का प्रस्ताव रखा।
इसके अनुसार, सक्रिय साइट में एक अद्वितीय विन्यास होता है जो सब्सट्रेट की संरचना के पूरक (complementary) होता है, इस प्रकार दोनों अणुओं को एक साथ उसी तरह फिट होने में सक्षम बनाता है जैसे ताले में चाबी फिट होती है।

इस मॉडल की एक दुर्भाग्यपूर्ण विशेषता उत्प्रेरक साइट की निहित कठोरता है।

2. कोशलैंड का प्रेरित-फिट सिद्धांत (Koshland’s induced-fit theory)

कोशलैंड (Koshland) ने एंजाइमों की विशिष्टता (specificity) के लिए एक सिद्धांत की वकालत की थी।
उन्होंने माना (postulated) कि मुक्त एंजाइम की सक्रिय साइट पर आवश्यक क्रियात्मक समूह उत्प्रेरण (catalysis) को बढ़ावा देने के लिए अपने इष्टतम पदों में नहीं हैं।
जब सब्सट्रेट अणु एंजाइम द्वारा बाध्य (bound) होता है, तो उत्प्रेरक समूह संक्रमण अवस्था बनाने के लिए अनुकूल ज्यामितीय स्थिति ग्रहण करते हैं।
एंजाइम अणु इस सक्रिय विन्यास में अस्थिर (unstable) होता है और सब्सट्रेट की अनुपस्थिति में अपने मुक्त रूप में वापस आ जाता है।
प्रेरित फिट मॉडल में, सब्सट्रेट एंजाइम में एक गठनात्मक परिवर्तन को प्रेरित करता है जो सब्सट्रेट बाइंडिंग, उत्प्रेरण (catalysis) या दोनों के लिए अमीनो एसिड अवशेषों (amino acid residues) या अन्य समूहों को संरेखित (aligns) करता है।

एंजाइमैटिक प्रतिक्रिया को प्रभावित करने वाले कारक

किसी भी एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रिया (enzyme-catalysed reaction) को मुख्य रूप से प्रभावित करने वाले कारक हैं:

सब्सट्रेट सांद्रता
एंजाइम सांद्रता (Enzyme concentration)
तापमान
pH
अवरोधक (Inhibitors)

अन्य कारक जैसे एंजाइम की स्थिति (ऑक्सीकरण - oxidation), समय (time) और एक्टिवेटर्स (activators) भी एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रिया को कुछ हद तक प्रभावित करते हैं।

सब्सट्रेट सांद्रता

pH, तापमान और एंजाइम एकाग्रता जैसे कारकों को इष्टतम स्तरों पर रखते हुए, यदि सब्सट्रेट एकाग्रता में वृद्धि की जाती है, तो प्रतिक्रिया का वेग (velocity) एक आयताकार हाइपरबोला दर्ज करता है।
बहुत कम सब्सट्रेट एकाग्रता पर प्रारंभिक प्रतिक्रिया वेग सब्सट्रेट एकाग्रता (प्रथम क्रम कैनेटीक्स - first order kinetics) के लगभग आनुपातिक (proportional) है।
हालांकि, यदि सब्सट्रेट एकाग्रता में वृद्धि की जाती है तो वृद्धि की दर (rate of increase) धीमी हो जाती है (मिश्रित क्रम कैनेटीक्स - mixed order kinetics)।
सब्सट्रेट सांद्रता में और वृद्धि के साथ प्रतिक्रिया दर एक स्थिरांक (constant) के करीब पहुंच जाती है (शून्य क्रम-प्रतिक्रिया - zero order-reaction जहां वेग सब्सट्रेट सांद्रता से स्वतंत्र है)।
प्रारंभिक बिंदु पर, भले ही सब्सट्रेट अणु दाढ़ के आधार पर एंजाइम की तुलना में अधिक मात्रा में मौजूद हों, मौजूद सभी एंजाइम अणु सब्सट्रेट के साथ नहीं जुड़ते हैं।
इसलिए, सब्सट्रेट एकाग्रता बढ़ाने से ES के रूप में सब्सट्रेट से जुड़े एंजाइम की मात्रा में वृद्धि होगी और इस प्रकार v, [S] पर निर्भर करेगा।
Vmax पर, सभी एंजाइम अणु सब्सट्रेट अणुओं के साथ संतृप्त (saturated) होते हैं ताकि [S] में और वृद्धि से प्रतिक्रिया दर में वृद्धि न हो सके।
माइकेलिस-मेंटन (Michaelis-Menten) ने इस प्रकार के व्यवहार को समझाने के लिए एक समीकरण प्राप्त किया।

[S] = सब्सट्रेट एकाग्रता
Vmax = अधिकतम वेग
v = प्रतिक्रिया का वेग

आधे अधिकतम वेग पर [S] = Km

$$ v = \frac{V_{max} [S]}{K_m + [S]} $$

यानी:

$$ \frac{V_{max}}{2} = \frac{V_{max} [S]}{K_m + [S]} $$
$$ \frac{K_m + [S]}{2} = \frac{V_{max} [S]}{V_{max}} $$
$$ K_m + [S] = 2[S] $$
$$ K_m = 2[S] - [S] = [S] $$

इसलिए, माइकेलिस - मेंटन स्थिरांक, Km, को आधे अधिकतम वेग पर सब्सट्रेट एकाग्रता के रूप में परिभाषित किया गया है और इसे मोल प्रति लीटर के रूप में व्यक्त किया जाता है।
प्रायोगिक आंकड़े को प्लॉट करने के लिए माइकेलिस-मेंटन समीकरण को बीजगणितीय (algebraically) रूप से अधिक उपयोगी तरीके से बदला जा सकता है।
लाइनविवर (Lineweaver) और बर्क (Burk) ने [S] और v दोनों के व्युत्क्रम (reciprocal) को लेकर माइकेलिस-मेंटन समीकरण दिया है:

$$ \frac{1}{v} = \left(\frac{K_m}{V_{max}}\right) \left(\frac{1}{[S]}\right) + \frac{1}{V_{max}} $$

1/v बनाम 1/[S] (डबल रेसिप्रोकल - double reciprocal) का एक प्लॉट एक सीधी रेखा प्राप्त करता है।
यह रेखा X-अक्ष पर -1/Km पर और Y-अक्ष पर 1/Vmax पर प्रतिच्छेद (intercept) करती है।
रेखा का ढलान (slope) Km/Vmax है।
लाइनविवर-बर्क प्लॉट का सबसे बड़ा फायदा Vmax और Km के अधिक सटीक निर्धारण की अनुमति देना है।

Km का महत्व:

Km मान सब्सट्रेट के साथ भिन्न हो सकता है।
एक एंजाइम जिसका Km बहुत कम है, उसके सब्सट्रेट के लिए उच्च स्तर की आत्मीयता होगी।

एंजाइम सांद्रता

जब सब्सट्रेट सांद्रता की तुलना में एंजाइम की सांद्रता दाढ़ के आधार पर हमेशा बहुत कम होती है।
इसलिए, एंजाइम सांद्रता बढ़ाने से प्रतिक्रिया दर हमेशा बढ़ेगी।

तापमान

तापमान की सीमित सीमा पर तापमान में 10°C की वृद्धि के साथ एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं का वेग लगभग दोगुना (doubles) हो जाता है।
एंजाइम, प्रोटीन होने के नाते, गर्मी से विकृत (denatured) हो जाते हैं और तापमान एक निश्चित बिंदु से आगे बढ़ने पर निष्क्रिय (inactive) हो जाते हैं।
अधिकांश एंजाइम 60°C से ऊपर के तापमान पर निष्क्रिय (inactivated) हो जाते हैं।
वह तापमान जिस पर प्रतिक्रिया दर अधिकतम होती है उसे इष्टतम तापमान कहते हैं।

pH

अधिकांश एंजाइमों का एक विशिष्ट pH होता है जिस पर उनकी गतिविधि (activity) अधिकतम होती है; इस pH से ऊपर या नीचे, गतिविधि घट (declines) जाती है।
pH एंजाइम की आयनिक स्थिति को प्रभावित करता है और अक्सर सब्सट्रेट (substrate) को भी।
यदि ऋणात्मक रूप से आवेशित एंजाइम (negatively charged enzyme - E^-) धनात्मक रूप से आवेशित सब्सट्रेट (positively charged substrate - SH⁺) के साथ प्रतिक्रिया करता है, तो ESH बनता है।
कम pH मान पर, E^- को प्रोटॉनेटेड (protonated) किया जाएगा और ESH नहीं बनता है।
इसी तरह, बहुत उच्च pH मान पर SH⁺ आयनित (ionize) हो जाएगा और अपना सकारात्मक आवेश खो देगा।

$$ E^- + SH^+ \xrightarrow{\text{अम्लीय pH (acidic pH)}} ESH $$
$$ E^- + SH^+ \xrightarrow{\text{क्षारीय pH}} EH + SH^+ \longrightarrow \text{कोई ESH गठन नहीं} $$
$$ SH^+ \longrightarrow S + H^+ + E^- \longrightarrow \text{कोई ESH गठन नहीं} $$

एक अन्य महत्वपूर्ण कारक अत्यधिक pH मान पर एंजाइम के विन्यास में परिवर्तन (विकृतीकरण - denaturation) है।

अवरोधक (Inhibitors)

ऐसे यौगिक जिनमें कुछ एंजाइमों के साथ जुड़ने की क्षमता होती है, लेकिन सब्सट्रेट (substrates) के रूप में काम नहीं करते हैं और इसलिए उत्प्रेरण (catalysis) को रोकते हैं, अवरोधक (inhibitors) कहलाते हैं।
अवरोधकों के महत्वपूर्ण प्रकार प्रतिस्पर्धी (competitive) और गैर-प्रतिस्पर्धी अवरोधक हैं।

प्रतिस्पर्धी अवरोधक:

कोई भी यौगिक जो किसी विशेष सब्सट्रेट से करीबी संरचनात्मक समानता रखता है और जो एंजाइम पर उसी सक्रिय साइट के लिए सब्सट्रेट के साथ प्रतिस्पर्धा (competes) करता है, उसे प्रतिस्पर्धी अवरोधक कहा जाता है।
अवरोधक (inhibitor) पर एंजाइम द्वारा कार्य नहीं किया जाता है और इसलिए वह एंजाइम से जुड़ा रहता है और सब्सट्रेट को बांधने से रोकता है।
यह एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया है।
यह सब्सट्रेट और अवरोधक की सापेक्ष सांद्रता पर निर्भर करता है।
सब्सट्रेट की बड़ी अधिकता को जोड़ने से प्रतिस्पर्धी अवरोधन (competitive inhibition) को पूरी तरह से उलट (reversed) किया जा सकता है।

$$ E + I \xrightleftharpoons[\text{उच्च सब्सट्रेट सांद्रता}]{\text{उच्च अवरोधक सांद्रता}} EI $$

उदा. एंजाइम, सक्सीनेट डिहाइड्रोजनेज (succinate dehydrogenase) सक्सीनेट (succinate) को फ्यूमरेट (fumarate) में परिवर्तित करता है। इस प्रतिक्रिया के लिए, मैलोनिक एसिड (malonic acid) एक प्रतिस्पर्धी अवरोधक है क्योंकि यह संरचनात्मक रूप से सक्सीनेट के समान है।
प्रतिस्पर्धी अवरोध के मामले में, Km बढ़ जाता है लेकिन Vmax नहीं बदलता है।

Lineweaver-Burk plots of enzyme inhibition

गैर-प्रतिस्पर्धी अवरोधक:

गैर-प्रतिस्पर्धी अवरोधक अक्सर एंजाइम को विकृत (deform) करने के लिए सक्रिय साइट के अलावा किसी अन्य साइट से बांधते हैं, जिससे यह अपनी सामान्य दर पर ES संकुल (complex) नहीं बनाता है।
एक बार बनने के बाद, ES संकुल (complex) उत्पाद (products) प्राप्त करने के लिए सामान्य दर पर विघटित (decompose) नहीं होता है।
सब्सट्रेट एकाग्रता बढ़ाकर इन प्रभावों को उलटा नहीं किया जाता है।

$$ E + I \longrightarrow EI $$ $$ ES + I \longrightarrow ESI $$

एक आवश्यक -SH समूह रखने वाले कुछ एंजाइम गैर-प्रतिस्पर्धी रूप से भारी धातु आयनों (heavy metal ions - Hg²⁺, Pb²⁺) द्वारा बाधित होते हैं।
कुछ मेटालोएंजाइम (metalloenzymes) इथाइलीन डायमाइन टेट्राएसिटिक एसिड जैसे धातु चेलेटिंग कारकों द्वारा गैर-प्रतिस्पर्धी रूप से बाधित होते हैं।
अवरोधकों (Inhibitors) का उपयोग एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं के तंत्र की जांच करने और चिकित्सीय कारकों के रूप में उपकरण के रूप में किया जाता है।
गैर-प्रतिस्पर्धी अवरोध के मामले में, Vmax कम हो जाता है लेकिन Km नहीं बदलता है।

अप्रतियोगी अवरोधक:

अप्रतियोगी अवरोध (uncompetitive inhibition) के मामले में, अवरोधक केवल मुक्त एंजाइम (free enzyme) से जुड़ता है न कि एंजाइम सब्सट्रेट [ES] संकुल (complex) से।

🔄 संस्करण 2.0 अद्यतन

अंतिम अद्यतन: 28 अगस्त 2026

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