एंजाइम क्या हैं?
तुम्हारी कोशिकाओं में हर सेकंड हज़ारों रासायनिक क्रियाएँ होती हैं। इन सबको मिलाकर उपापचय (metabolism) कहते हैं। शरीर के तापमान पर ज़्यादातर क्रियाएँ बिना मदद के बहुत धीमी होतीं।
एंजाइम यही मदद करते हैं। ये जैव उत्प्रेरक हैं। उत्प्रेरक वह पदार्थ है जो क्रिया को तेज़ करे पर ख़ुद ख़र्च न हो।
- लगभग सभी एंजाइम प्रोटीन हैं (अमीनो अम्लों की लंबी मुड़ी हुई शृंखलाएँ)।
- जिस पदार्थ पर एंजाइम काम करता है वह सब्सट्रेट है; जो बनता है वे उत्पाद हैं।
- कई एंजाइमों के नाम -एज़ (-ase) पर ख़त्म होते हैं: एमाइलेज़ स्टार्च तोड़ता है, प्रोटिएज़ प्रोटीन, लाइपेज़ वसा।
- कुछ एंजाइम बड़े अणु तोड़ते हैं (पाचन), कुछ बड़े अणु बनाते हैं (प्रोटीन, DNA, स्टार्च बनाना)।
- कुछ को एक सहायक चाहिए: सहकारक (cofactor), जैसे धातु आयन, या सहएंजाइम (coenzyme), जो अक्सर विटामिन से बनता है।
सक्रिय स्थल, विशिष्टता और एंजाइम कैसे काम करते हैं
सक्रिय स्थल एंजाइम पर एक छोटा गड्ढा है जिसका आकार सब्सट्रेट से मेल खाता है।
- सब्सट्रेट सक्रिय स्थल में आता है।
- एंजाइम-सब्सट्रेट सम्मिश्र बनता है।
- क्रिया होती है और उत्पाद निकल जाते हैं।
- एंजाइम बिना बदले आज़ाद, अगले सब्सट्रेट के लिए तैयार।
ताला-चाबी मॉडल
सक्रिय स्थल ताला है और सब्सट्रेट चाबी: सिर्फ़ एक आकार फिट होता है। इससे विशिष्टता समझ आती है — हर एंजाइम एक ही सब्सट्रेट (या छोटे समूह) पर काम करता है।
प्रेरित फिट मॉडल (induced fit)
नया और ज़्यादा सही विचार: सक्रिय स्थल थोड़ा लचीला है। सब्सट्रेट आने पर वह उसके चारों ओर कसकर ढल जाता है, जैसे हाथ पर दस्ताना। इससे बंधन खिंचते हैं और टूटना या बनना आसान होता है।
सक्रियण ऊर्जा घटाना
हर क्रिया को शुरू होने के लिए कुछ ऊर्जा चाहिए, इसे सक्रियण ऊर्जा कहते हैं। एंजाइम एक आसान रास्ता देता है जिसकी पहाड़ी नीची है, इसलिए हर सेकंड बहुत ज़्यादा अणु क्रिया करते हैं। एंजाइम उत्पाद या कुल ऊर्जा परिवर्तन नहीं बदलता।
एंजाइम की क्रिया को प्रभावित करने वाले कारक
तापमान
गर्मी बढ़ने पर अणु तेज़ चलते हैं और ज़्यादा टकराते हैं, इसलिए दर बढ़ती है। हर एंजाइम का एक इष्टतम तापमान होता है (मानव एंजाइमों के लिए लगभग 37 °C)। इससे ऊपर एंजाइम का आकार टूट जाता है: वह विकृत हो जाता है और दर तेज़ी से गिरती है। यह आमतौर पर स्थायी होता है। कम तापमान पर एंजाइम सिर्फ़ धीमे होते हैं, नष्ट नहीं; इसीलिए फ्रिज में खाना ताज़ा रहता है।
pH
हर एंजाइम का एक इष्टतम pH होता है। आमाशय का पेप्सिन लगभग pH 2 (अम्लीय) पर, लार का एमाइलेज़ लगभग pH 7 पर, छोटी आँत का ट्रिप्सिन लगभग pH 8 पर सबसे अच्छा काम करता है। pH बहुत अलग हो तो सक्रिय स्थल बदल जाता है।
सब्सट्रेट की सांद्रता
ज़्यादा सब्सट्रेट = ज़्यादा टक्कर = ज़्यादा दर। पर जब सारे सक्रिय स्थल हर समय व्यस्त हों, दर और नहीं बढ़ती: एंजाइम संतृप्त हैं। तब सिर्फ़ ज़्यादा एंजाइम से दर बढ़ेगी।
एंजाइम की सांद्रता और संदमक (inhibitors)
ज़्यादा एंजाइम से दर तेज़ (अगर सब्सट्रेट भरपूर हो)। संदमक एंजाइम को धीमा करते हैं: कुछ सक्रिय स्थल को रोकते हैं (प्रतिस्पर्धी), कुछ कहीं और जुड़कर आकार बदलते हैं (अप्रतिस्पर्धी)। कई दवाएँ और ज़हर ऐसे ही काम करते हैं।
एंजाइम की क्रिया मापना (परख)
एंजाइम कितना तेज़ है, यह देखने के लिए हम नापते हैं कि सब्सट्रेट कितनी जल्दी घटा या उत्पाद कितनी जल्दी बना।
- एमाइलेज़ और स्टार्च: तय तापमान पर मिलाओ। हर 30 सेकंड में एक बूँद आयोडीन वाली टाइल पर डालो। स्टार्च बचा हो तो आयोडीन नीला-काला, ख़त्म हो तो नारंगी-भूरा रहता है। जितना कम समय, उतना तेज़ एंजाइम।
- कैटालेज़ और हाइड्रोजन पेरॉक्साइड: कैटालेज़ (आलू, कलेजी में) H₂O₂ को पानी और ऑक्सीजन में तोड़ता है। हर मिनट बुलबुले गिनो या सिरिंज में ऑक्सीजन का आयतन नापो।
- प्रोटिएज़ और दूध/जिलेटिन: दूध का धुंधला प्रोटीन पचने पर साफ़ होने लगता है।
दर = बदली मात्रा ÷ समय। निष्पक्ष प्रयोग के लिए सिर्फ़ एक कारक (जैसे तापमान) बदलो; आयतन, सांद्रता और pH वही रखो।
जीवन और उद्योग में एंजाइम
- पाचन: एमाइलेज़ (मुँह, अग्न्याशय), पेप्सिन (आमाशय), ट्रिप्सिन और लाइपेज़ (छोटी आँत) भोजन को छोटे अणुओं में तोड़ते हैं जिन्हें ख़ून सोख सके।
- कपड़े धोने के पाउडर: प्रोटिएज़ और लाइपेज़ 30–40 °C पर दाग़ हटाते हैं, ऊर्जा बचती है।
- भोजन: पेक्टिनेज़ फलों से ज़्यादा रस; लैक्टेज़ से लैक्टोज़-मुक्त दूध; रेनेट से पनीर/चीज़; एमाइलेज़ से ब्रेड और सिरप।
- दवा और जाँच: डायबिटीज़ की शुगर जाँच पट्टी में ग्लूकोज़ ऑक्सीडेज़।
- जैव ईंधन और कपड़ा: सेल्युलेज़ पौधों के रेशे तोड़ते हैं; कठोर रसायनों की जगह एंजाइम से डेनिम मुलायम करते हैं।
उद्योग को एंजाइम इसलिए पसंद हैं क्योंकि ये हल्के तापमान और pH पर काम करते हैं और बहुत विशिष्ट हैं, इसलिए कचरा कम। कमी: ये विकृत हो सकते हैं और महँगे हैं, इसलिए इन्हें मोतियों पर चिपकाकर (स्थिरीकृत, immobilised) बार-बार इस्तेमाल करते हैं।
खुद करो: अनानास और जेली
ताज़े अनानास में ब्रोमेलिन (एक प्रोटिएज़) है और जिलेटिन एक प्रोटीन है। ताज़ा और उबला अनानास जेली पर रखो। पहले अनुमान लगाओ कि कौन जेली पतली करेगा, फिर जाँचो। "सक्रिय स्थल" और "विकृत" शब्दों से अपना नतीजा समझाओ।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- एंजाइम + सब्सट्रेट ⇌ एंजाइम–सब्सट्रेट सम्मिश्र → एंजाइम + उत्पाद
- क्रिया की दर = बना उत्पाद (या ख़र्च सब्सट्रेट) ÷ समय
- स्टार्च --एमाइलेज़--> माल्टोज़; प्रोटीन --प्रोटिएज़--> अमीनो अम्ल; वसा --लाइपेज़--> वसीय अम्ल + ग्लिसरॉल
- 2 H₂O₂ --कैटालेज़--> 2 H₂O + O₂
- मुख्य शब्द: सक्रिय स्थल, विशिष्टता, इष्टतम, विकृतीकरण, सक्रियण ऊर्जा, संदमक, सहकारक
हल किए गए उदाहरण
1. रोटी देर तक चबाने पर मीठी क्यों लगती है?
लार में एमाइलेज़ है। वह स्टार्च (मीठा नहीं) को माल्टोज़ (मीठी शक्कर) में तोड़ता है।
2. कैटालेज़ प्रयोग में 60 s में 30 cm³ ऑक्सीजन बनी। दर निकालो।
दर = 30 ÷ 60 = 0.5 cm³ ऑक्सीजन प्रति सेकंड।
3. एमाइलेज़ और स्टार्च को 20 °C, 40 °C और 70 °C पर मिलाया। स्टार्च क्रमशः 6 मिनट, 2 मिनट और कभी नहीं ख़त्म हुआ। समझाओ।
40 °C इष्टतम के पास है, टक्कर ज़्यादा और एंजाइम सही: सबसे तेज़। 20 °C पर टक्कर कम: धीमा। 70 °C पर एंजाइम विकृत, सक्रिय स्थल का आकार बिगड़ा, इसलिए स्टार्च टूटा ही नहीं।
4. पेप्सिन आमाशय में काम करता है पर छोटी आँत में रुक जाता है। क्यों?
पेप्सिन का इष्टतम pH लगभग 2 है। छोटी आँत हल्की क्षारीय (लगभग pH 8) है, जिससे सक्रिय स्थल बदल जाता है।
5. सब्सट्रेट बढ़ाने पर पहले दर बढ़ती है, फिर स्थिर हो जाती है। क्यों?
पहले ज़्यादा सब्सट्रेट से ज़्यादा टक्कर। बाद में सारे सक्रिय स्थल व्यस्त (संतृप्त), तो दर एंजाइम की मात्रा से सीमित हो जाती है।
आम गलतियाँ
- कहना कि गर्मी से एंजाइम "मर" जाते हैं। एंजाइम जीवित नहीं हैं; वे विकृत होते हैं (आकार बदलता है)।
- कहना कि ठंड एंजाइम को विकृत करती है। ठंड सिर्फ़ धीमा करती है; गर्म करने पर वे फिर काम करते हैं।
- सोचना कि एंजाइम क्रिया में ख़र्च हो जाता है। वह बिना बदले निकलता है और बार-बार काम करता है।
- कहना कि एंजाइम और सब्सट्रेट का "एक जैसा आकार" है। उनके आकार पूरक हैं: ताले और चाबी की तरह एक-दूसरे में फिट।