उत्प्रेरक

एन्झाइम्स / मॅक्रोमोलेक्युलर हे जैविक उत्प्रेरक आहेत. एन्जाईम रासायनिक अभिक्रियांमध्ये गती वाढवतात. ज्या रेणूंनी कार्य करू शकतो त्यास रेस्ट्रेटस म्हटले जाते आणि एंझाइम सब्स्ट्रेट्सला विविध अणूंमध्ये रुपांतरीत करते ज्याला उत्पादने म्हणून ओळखले जाते.

उत्पत्ती आणि इतिहास

१८७७ मध्ये, जर्मन फिजिओलॉजिस्ट विल्हेल्म क्यूने (१८३७-१९००) यांनी प्रथमच या प्रक्रियेचे वर्णन करण्यासाठी ग्रीक ἔνζυμον, "leavened" किंवा "in yeast" या शब्दाचा वापर एंजाइम केला. एन्जाइम शब्द नंतर वापरला जाणारा पदार्थ जसे पेप्सीन यासारख्या अजैविक (नॉनव्हिलिव्हिंग) पदार्थांचा संदर्भ घेण्यात आला आणि शब्द फसफसण्याची क्रिया सजीव प्राण्यांनी तयार केलेल्या रासायनिक क्रियांचा संदर्भ देण्यासाठी वापरली गेली.

पेशीमध्ये सर्व चयापचय प्रक्रियांना सजीवांच्या शरीरात निर्माण होणारे द्रव्य उत्प्रेरकाच्या मदतीने रासायनिक अभिक्रिया वाढवणे आवश्यक आहे जेणेकरुन जीवन टिकवून ठेवण्यासाठी पुरेसा वेगाचा दर येऊ शकतात. चयापचय क्रिया या उत्प्रेराकांवर अवलंबून असतात. एन्झाईम्सचा अभ्यास याला एन्जोमॉलॉजी असे म्हणतात आणि स्यूडोनॅझिम विश्लेषणाचे एक नवीन क्षेत्र अलीकडेच वाढले आहे, उत्क्रांतीच्या वेळी काही एन्झाइम्सने जैविक उत्प्रेरकाचा वापर करण्याची क्षमता गमावली आहे विशेषता त्यांच्या अमीनो एसिड अनुक्रमांमधील प्रतिबिंबित होतात आणि असामान्य 'स्यूडोकॅटॅटिक' गुणधर्म. एडवर्ड बाचनेरने(Eduard Buchner)१९७९ मध्ये खमीरच्या अर्कांचा अभ्यास केला. बर्लिन विद्यापीठात त्यांनी केलेल्या संशोधनामध्ये त्यांनी हे निष्कर्ष काढले की खनिज पदार्थांद्वारे खनिज निष्कर्ष काढला जात असला तरीही या मिश्रणामध्ये जिवंत खत पेशी नसतात. त्यांनी सॅक्रोझ "झिमेझ"(zymase) च्या आंबायला ठेवावा याबद्दल एन्झाइम्स असे नाव दिले.१९०७ मध्ये "सेल फ्री फ्रिमेंटेशनची शोध" यासाठी त्यांना रसायनशास्त्रातील नोबेल पुरस्कार मिळाला. एन्झाइम हे सहसा ते करत असलेल्या कृतीनुसारच नामांकित केले जातात(उदा. लॅक्टोज असे एंझाइम असते जे लॅक्तोज वर काम करते )

१९०० च्या सुरुवातीस अद्यापही एन्झाईम्सची जैवरासायनिक ओळख अज्ञात आहे. अनेक शास्त्रज्ञांनी असे निरीक्षण केले की एन्झायमिक क्रियाकलाप प्रथिनेशी संबंधित होते, परंतु इतर (जसे नोबेल पुरस्कार विजेत्या रिचर्ड विल्स्टेट्टर) म्हणत होते की प्रथिने केवळ खरे एन्झाईम्ससाठी वाहक होते आणि प्रति प्रोटीन उत्प्रेरकाच्या साहाय्याने शस्त्रक्रिया करून घेण्यास असमर्थ होते.१९२६ मध्ये, जेम्स बी. सुमनर यांनी दाखवून दिले की एंझाइम उरीएज (urease) शुद्ध प्रोटीन होते आणि त्यास स्फूर्ती दिली .१९३७ मध्ये त्यांनी एन्जाइम कॅटॅलेझसाठीदेखील योगदान केले. निष्कर्षापर्यंत हि शुद्ध प्रथिने, जॉन हॉवर्ड नॉर्थोप आणि वेन्डेल मेरिडिथ स्टॅन्ले यांनी निश्चितपणे दाखवून दिले की पाचन विषाणू पेप्सीन (१९३०), ट्रीपसीन ,कायमोत्रीप्सीन यासाठी कारणीभूत आहेत.

नामांकन नियमावली

इंटरनॅशनल युनियन ऑफ बायोकॅमिस्टी अँड आण्विक बायोलॉजीने (International Union of Biochemistry and Molecular Biology)एन्झाइम, ईसी नंबरसाठी(EC numbers) नामांकन केले आहे; प्रत्येक एन्झाइमचे वर्णन "ईसी" च्या आधीच्या चार आकड्यांच्या क्रमाने करण्यात आलेले आहे, ज्याचा अर्थ "Enzyme Commission" आहे. प्रथम संख्या सामान्यपणे त्याच्या यंत्रणेवर आधारित सजीवांच्या शरीरात निर्माण होणारे द्रव्य वर्गीकृत आहे.

उत्प्रेरकाचे वर्णन ( Enzyme Classification)

• EC 1. ऑक्सिडेडस्केसेस( Oxidoreductases) ऑक्सिडेशन / कमी करणं
• EC 2. हस्तांतरण(Transferases) एका कार्यशील गटास हस्तांतरित करणे (उदा. एक मिथील किंवा फॉस्फेट गट)
• EC 3. हायड्रॉलाईज(Hydrolases) विविध बंधांच्या हायड्रोलिसिसचे उत्प्रेरित करणे
• EC 4. लायेज(Lyases) जलविघटन आणि ऑक्सीकरण वगळता अन्य बंधनांपासून वेगळे करणे
• EC 5. आईसोमारेज(Isomerases) एकाच रेणूमध्ये आयोमोरायझेशन बदलणे
• EC 6. लायगेजेस(Ligases) सहकारिता रोख्यांसह दोन रेणू सामील करा.

उत्प्रेरक संरचना ( Structure )

Enzyme graph

सजीवांच्या शरीरात निर्माण होणारे द्रव्य क्रियाकलाप सुरुवातीला तापमान (Q10 सहगुणक) सह वाढते, जोपर्यंत सजीवांच्या शरीरात निर्माण होणाऱ्या पदार्थांची रचना उलगडत नाही (डिनटिबेशन), ज्यामुळे मध्यवर्ती तपमानावर प्रतिक्रिया चांगली होते. प्रथिने संरचना / एन्झाइम्स साधारणपणे गोलाकार प्रथिने असतात, एकट्या किंवा मोठ्या कॉम्प्लेक्समध्ये कार्य करतात. अमीनो असिडचा (amino acids) क्रम संरचना दर्शवते जे त्यामधून एंझाइमचे उत्प्रेरक क्रियाकलाप निर्धारित करते.

उत्प्रेरक संरचना उष्णतेने किंवा रासायनिक विकृत्कारानाच्या ( denature ) रूपात बाहेर पडतात आणि संरचना मध्ये या विघटनास कारणीभूत ठरणारी उष्णता कारणीभूत होते. सजीवांच्या शरीरात निर्माण होणारे द्रव्य - विकृती सामान्यतः एक प्रजाती 'सामान्य पातळी वरील तापमान लिंक आहे ; परिणामस्वरूप, हॉट स्प्रिंग्ससारख्या ज्वालामुखीजन्य वातावरणात राहणारे जीवाणू औद्योगिक वापरकर्त्यांनी उच्च तापमानावर कार्य करण्याच्या त्यांच्या क्षमतेबद्दल बरीच कमाई केली आहे, ज्यामुळे एन्झाइम-कटलेटिज्ड (catalysed) प्रतिक्रिया खूप उच्च दराने संचालित केल्या जाऊ शकतात.

काही उत्प्रेरकांम्ध्ये अमीनो एसिड थेट उत्प्रेरकाच्या मदतीने रासायनिक अभिक्रिया वाढवण्या मध्ये सहभागी आहेत; त्याऐवजी, सजीवांच्या शरीरात निर्माण होणारे सांधा साइट्स बाइंड आणि ओरिएंट कॅलिटेक्टिक cofactors आहेत. सजीवांच्या शरीरात निर्माण होणारे द्रव्य संरचनांमध्ये( conformational change ) सबोस्टोरिक साइट(allosteric sites) देखील असू शकतात जेथे लहान रेणूची बंधने क्रियात्मक बदल घडवून आणतात जी क्रियाकलाप वाढवते किंवा कमी करते .

तंत्र(Mechanism)

Enzyme mechanism

शरीरात निर्माण होणारे द्रव्य रचना आणि अश्रुंचे उदाहरण संस्था , ब्ल्यूमध्ये कॅल्शियम साइट, ब्लॅकमध्ये लाल आणि पेप्टाइडोग्लाइकेन सब्सट्रेटमधील बंधनकारक साइट. रासायनिक रसायनांचा पुनरुत्पादन करण्यापूर्वी एन्झाइम्सना त्यांचे थर तयार करावे लागते. एन्झाईम्स सहसा ते ज्या गोष्टींवर बंधन करतात अशा सबस्ट्रेट्स प्रमाणे फार विशिष्ट असतात आणि नंतर रासायनिक अभिक्रियांची उत्पत्ती झाली. ठराविक आकार, चार्ज आणि हायड्रोफिलिक / हायड्रोफोबिक वैशिष्ट्यांसह binding पॉकेट्सद्वारे विशिष्टता प्राप्त केली जाते. म्हणूनच एन्झाईम हे अशाच सब्सट्रेट रेणुंचे रासायनिक गुणधर्माचे, रेग्युझेक्लेक्टिव्ह आणि स्टिरीओस्पोंसिफिक असल्याचे ओळखू शकतात.

लॉक आणि की मॉडेल(Lock & Key Model)

१८९४ मध्ये एमिल फिशर यांनी एंजाइम्सच्या साध्या विशिष्टतेचे स्पष्टीकरण करण्याकरता अशी शिफारस केली की दोन्ही एन्झाईम आणि सबस्ट्रेटमध्ये विशिष्ट पूरक भौमितीय आकार असणे आवश्यक आहे जे एकमेकांना व्यवस्थित बसतात. हे सहसा "लॉक आणि की" मॉडेल म्हणून ओळखले जाते. हे मॉडेल एंझाइम विशिष्टतेचे स्पष्टीकरण देते, परंतु संक्रमण स्थितीचे स्थिरीकरण समजावून सांगण्यात अपयशी ठरते जे प्रक्षेपित करते.

"प्रेरित फिट मॉडेल"(Induced Fit Model):

१९५८ मध्ये डॅनियल कोशलँडने लॉक आणि की मॉडेलमध्ये सुधारणा करण्यास सुचना दिली कारण पाणथळ हे लॅक्स्चबल स्ट्रक्चर्स नसले तरी सब्सट्रेटच्या आदान-प्रदानामुळे सक्रिय साइट सतत बदलली जाते कारण सब्सट्रेट एनझिमशी संवाद साधत असे.  परिणामी, थर केवळ एका कठोर सक्रिय साइटवर बद्ध नाही; सक्रिय साइट बनविणाऱ्या अमीनो आम्ल साइड-चेन तंतोतंत पोझिशन्स मध्ये ढकलले जातात जे त्याच्या उत्प्रेरक कार्यासाठी एंजाइम कार्यान्वित करते. काही प्रकरणांमध्ये, जसे की ग्लिसॉइडिझस, सब्सट्रेट रेणू देखील सक्रिय साइटमध्ये प्रवेश करते तसे आकार बदलत असतो.  सब्सट्रेट पूर्णपणे बद्ध होईपर्यंत क्रियाशील साइट बदलत राहते, त्याक्षणी अंतिम आकार आणि शुल्क वितरण निर्धारित केले जाते.