NCERT संक्षेप: बायोमोलेक्यूल्स | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

हमारी दुनिया में कई प्रकार के जीवित प्राणी हैं। लेकिन क्या सभी के पास समान निर्माण खंड हैं? जब हम पौधों, जानवरों, या सूक्ष्म जीवों जैसे सूक्ष्मजीवों को देखते हैं, और उन्हें मिट्टी या चट्टानों जैसे पृथ्वी के कणों से तुलना करते हैं, तो हम पाते हैं कि वे समान कणों से बने हैं। सभी में कार्बन, हाइड्रोजन, और ऑक्सीजन जैसे तत्व होते हैं। हालांकि, यदि हम करीब से देखें, तो हम देखते हैं कि जीवित चीजों में गैर-जीवित चीजों जैसे मिट्टी या चट्टानों की तुलना में ज्यादा कार्बन और हाइड्रोजन होते हैं।

बायोमोलेक्यूल क्या है?

बायोमोलेक्यूल वे रासायनिक यौगिक हैं जो जीवित प्राणियों में उपस्थित होते हैं, जो उनके कार्यशीलता और अस्तित्व के लिए आवश्यक होते हैं। ये जीवन के मौलिक तत्व के रूप में कार्य करते हैं और विभिन्न प्रकारों में आते हैं जैसे कि प्रोटीन, कार्बोहाइड्रेट, लिपिड, एंजाइम, और न्यूक्लिक एसिड। ये बायोमोलेक्यूल विभिन्न आकारों और आकृतियों में आते हैं, जो जीवित जीवों की जटिलता और विविधता में योगदान करते हैं।

बायोमोलेक्यूल के प्रकार

बायोमोलेक्यूल जीवन के मौलिक तत्व के रूप में कार्य करते हैं, जो कई जैविक प्रक्रियाओं के रखरखाव और संचालन में योगदान करते हैं। ये सूक्ष्म आणविक यौगिकों (प्राथमिक मेटाबोलाइट) से लेकर महत्वपूर्ण मैक्रोमोलेक्यूल जैसे हार्मोन, प्रोटीन, और लिपिड तक, आकार और कार्यों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदर्शित करते हैं।

रासायनिक संरचना का विश्लेषण कैसे करें?

यह समझने के लिए कि जीवित प्राणियों में कौन-सी पदार्थ मौजूद हैं, हमें उनकी रासायनिक संरचना का विश्लेषण करना होगा। इसमें जीवित ऊतकों के नमूनों को तोड़कर और उनमें उपस्थित विभिन्न यौगिकों को अलग करना शामिल है।

विस्थापन प्रक्रिया:

• प्रारंभिक निष्कर्षण: जीवित ऊत्तक को ट्राइकलोरोएसीटिक एसिड में पीसकर एक घना स्लरी तैयार किया जाता है।
• छानना: स्लरी को दो फ्रैक्शन प्राप्त करने के लिए छाना जाता है: एसिड-घुलनशील पूल (फिल्ट्रेट) और एसिड-अघुलनशील फ्रैक्शन (रिटेंटेट)।
• यौगिक पृथक्करण: वैज्ञानिक विभिन्न तकनीकों का उपयोग करके एसिड-घुलनशील पूल से व्यक्तिगत यौगिकों को अलग और शुद्ध करते हैं।

विश्लेषणात्मक तकनीकें:

• पहचान: पृथक यौगिकों पर विश्लेषणात्मक विधियों को लागू किया जाता है ताकि उनके आणविक सूत्र और संभावित संरचना का निर्धारण किया जा सके।
• कार्यात्मक समूह विश्लेषण: रासायनिक दृष्टिकोण से एल्डिहाइड, कीटोन और सुगंधित यौगिकों जैसे कार्यात्मक समूहों की पहचान की जाती है, जबकि जैविक दृष्टिकोण से यौगिकों को अमीनो एसिड, न्यूक्लियोटाइड बेस और फैटी एसिड में वर्गीकृत किया जाता है।

मुख्य जैव अणु:

• अमीनो एसिड: अमीनो एसिड कार्बन पर एक अमीनो समूह और एक अम्लीय समूह के साथ जैविक यौगिक होते हैं, जिसे α-कार्बन कहा जाता है। इसी कारण इन्हें α-अमीनो एसिड कहा जाता है। इनके चार उपसमूह होते हैं: हाइड्रोजन, कार्बोक्सिल, अमीनो, और एक परिवर्तनीय R समूह। प्रोटीन में 20 प्रकार के अमीनो एसिड पाए जाते हैं, प्रत्येक के पास अलग R समूह होता है। अमीनो एसिड अम्लीय, क्षारीय, या तटस्थ हो सकते हैं, यह अमीनो और कार्बोक्सिल समूहों की संख्या पर निर्भर करता है। इनमें टायरोसिन और फेनाइलएलानिन जैसे सुगंधित अमीनो एसिड भी शामिल होते हैं। अमीनो एसिड की एक अनोखी विशेषता यह है कि वे विभिन्न pH स्तरों में आयनीकरण करने की क्षमता रखते हैं, जिससे उनकी संरचना में परिवर्तन होता है।

B को ज्विटरआयनिक रूप कहा जाता है।

• लिपिड्स: लिपिड्स आमतौर पर पानी में घुलनशील नहीं होते हैं। ये साधारण फैटी एसिड्स हो सकते हैं, जो एक कार्बोक्सिल समूह से जुड़े R समूह से बने होते हैं, जो मीथाइल से लेकर लंबे कार्बन श्रृंखलाओं तक भिन्न हो सकता है। उदाहरण के लिए, पामिटिक एसिड में 16 कार्बन होते हैं, जबकि एराकिडोनिक एसिड में 20 कार्बन होते हैं। फैटी एसिड्स संतृप्त (कोई डबल बॉंड नहीं) या असंतृप्त (डबल बॉंड के साथ) हो सकते हैं। ग्लिसरॉल, जो एक ट्राईहाइड्रॉक्सी प्रोपेन है, एक और बुनियादी लिपिड है। कई लिपिड्स में ग्लिसरॉल और फैटी एसिड्स दोनों होते हैं, जो मोनोग्लिसराइड्स, डाइज्लिसराइड्स, और ट्राइग्लिसराइड्स का निर्माण करते हैं, जिन्हें उनके पिघलने के बिंदुओं के आधार पर आमतौर पर वसा और तेल के रूप में जाना जाता है। फॉस्फोलिपिड्स, जिनमें फॉस्फोरस होता है, कोशिका झिल्ली में पाए जाते हैं, जिसमें लेकिथिन एक परिचित उदाहरण है। कुछ ऊतकों, जैसे कि न्यूरल ऊतकों में, अधिक जटिल लिपिड संरचनाएँ होती हैं।

कार्बोहाइड्रेट्स, एमिनो एसिड्स, वसा और तेल (लिपिड्स)

न्यूक्लियक एसिड: जीवित organismos में विभिन्न कार्बन यौगिक होते हैं जिनमें हेटेरोसाइक्लिक रिंग्स होती हैं, जिनमें नाइट्रोजन बेस जैसे कि एडेनिन, ग्वानिन, साइटोसिन, यूरासिल, और थाइमिन शामिल हैं। जब ये बेस एक शुगर से जुड़े होते हैं, तो इन्हें न्यूक्लियोसाइड्स कहा जाता है। यदि एक फॉस्फेट समूह भी शुगर से जुड़ा हो, तो इन्हें न्यूक्लियोटाइड्स कहा जाता है। न्यूक्लियोसाइड्स के उदाहरणों में एडेनोसिन, ग्वानोसिन, थाइमिडिन, यूरिडिन, और साइटिडिन शामिल हैं, जबकि न्यूक्लियोटाइड्स में एडेनिलिक एसिड, थाइमिडिलिक एसिड, ग्वानिलिक एसिड, यूरिडिलिक एसिड, और साइटिडिलिक एसिड शामिल हैं। न्यूक्लियक एसिड जैसे डीएनए और आरएनए न्यूक्लियोटाइड्स से बने होते हैं और ये आनुवंशिक सामग्री के रूप में कार्य करते हैं।

• न्यूक्लियक एसिड: जीवित organismos में विभिन्न कार्बन यौगिक होते हैं जिनमें हेटेरोसाइक्लिक रिंग्स होती हैं, जिनमें नाइट्रोजन बेस जैसे कि एडेनिन, ग्वानिन, साइटोसिन, यूरासिल, और थाइमिन शामिल हैं।
• जब ये बेस एक शुगर से जुड़े होते हैं, तो इन्हें न्यूक्लियोसाइड्स कहा जाता है।
• यदि एक फॉस्फेट समूह भी शुगर से जुड़ा हो, तो इन्हें न्यूक्लियोटाइड्स कहा जाता है।
• न्यूक्लियोसाइड्स के उदाहरणों में एडेनोसिन, ग्वानोसिन, थाइमिडिन, यूरिडिन, और साइटिडिन शामिल हैं, जबकि न्यूक्लियोटाइड्स में एडेनिलिक एसिड, थाइमिडिलिक एसिड, ग्वानिलिक एसिड, यूरिडिलिक एसिड, और साइटिडिलिक एसिड शामिल हैं।
• न्यूक्लियक एसिड जैसे डीएनए और आरएनए न्यूक्लियोटाइड्स से बने होते हैं और ये आनुवंशिक सामग्री के रूप में कार्य करते हैं।

प्राथमिक और द्वितीयक मेटाबोलाइट्स: रसायन विज्ञान का सबसे दिलचस्प हिस्सा जीवित organismos में पाए जाने वाले हजारों यौगिकों का पृथक्करण और समझना है, चाहे वे छोटे हों या बड़े, और संभवतः इन्हें कृत्रिम रूप से बनाना। ये यौगिक, जिनमें एमिनो एसिड और शुगर शामिल हैं, को उनके मेटाबोलिज्म में भूमिका के कारण मेटाबोलाइट्स के रूप में सामूहिक रूप से संदर्भित किया जाता है। पशु ऊतकों में इन यौगिकों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है जिन्हें प्राथमिक मेटाबोलाइट्स कहा जाता है। हालाँकि, पौधों, कवक, और सूक्ष्मजीवों की कोशिकाओं में कई अतिरिक्त यौगिक होते हैं जिन्हें द्वितीयक मेटाबोलाइट्स कहा जाता है, जैसे कि अल्कलॉइड्स, फ्लैवोनॉइड्स, और आवश्यक तेल। जबकि प्राथमिक मेटाबोलाइट्स का सामान्य शारीरिक प्रक्रियाओं में ज्ञात कार्य होता है, द्वितीयक मेटाबोलाइट्स की भूमिकाएँ अभी पूरी तरह से समझी नहीं गई हैं। हालांकि, कई द्वितीयक मेटाबोलाइट्स, जैसे रबर, दवाएँ, और मसाले, मनुष्यों के लिए लाभकारी होते हैं, जबकि अन्य की पारिस्थितिक महत्व होता है।

• रसायन विज्ञान का सबसे दिलचस्प हिस्सा जीवित organismos में पाए जाने वाले हजारों यौगिकों का पृथक्करण और समझना है, चाहे वे छोटे हों या बड़े, और संभवतः इन्हें कृत्रिम रूप से बनाना।
• ये यौगिक, जिनमें एमिनो एसिड और शुगर शामिल हैं, को उनके मेटाबोलिज्म में भूमिका के कारण मेटाबोलाइट्स के रूप में सामूहिक रूप से संदर्भित किया जाता है।
• पशु ऊतकों में इन यौगिकों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है जिन्हें प्राथमिक मेटाबोलाइट्स कहा जाता है।
• हालाँकि, पौधों, कवक, और सूक्ष्मजीवों की कोशिकाओं में कई अतिरिक्त यौगिक होते हैं जिन्हें द्वितीयक मेटाबोलाइट्स कहा जाता है, जैसे कि अल्कलॉइड्स, फ्लैवोनॉइड्स, और आवश्यक तेल।
• जबकि प्राथमिक मेटाबोलाइट्स का सामान्य शारीरिक प्रक्रियाओं में ज्ञात कार्य होता है, द्वितीयक मेटाबोलाइट्स की भूमिकाएँ अभी पूरी तरह से समझी नहीं गई हैं।
• हालांकि, कई द्वितीयक मेटाबोलाइट्स, जैसे रबर, दवाएँ, और मसाले, मनुष्यों के लिए लाभकारी होते हैं, जबकि अन्य की पारिस्थितिक महत्व होता है।

कुछ द्वितीयक मेटाबोलाइट्स:

बायोमैक्रोमोलीक्यूल्स

• अम्ल-घुलनशील पूल में यौगिकों का आणविक भार 18 से लेकर लगभग 800 डाल्टन (Da) तक होता है।
• अम्ल-अघुलनशील अंश में प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड, पॉलीसैकराइड्स, और लिपिड शामिल होते हैं, जिनका आणविक भार दस हजार डाल्टन से अधिक होता है।
• बायोमोलीक्यूल्स को सूक्ष्ममोलीक्यूल्स (जिनका आणविक भार एक हजार डाल्टन से कम होता है) और मैक्रोमोलीक्यूल्स (जो अम्ल-अघुलनशील अंश में पाए जाते हैं) में वर्गीकृत किया जाता है।
• लिपिड, अपने छोटे आणविक भार के बावजूद, कोशिका झिल्ली और अन्य संरचनाओं में मौजूद होने के कारण मैक्रोमोलीक्यूल्स के रूप में वर्गीकृत होते हैं, जो ऊतकों के पीसने के दौरान बाधित होते हैं।
• अम्ल-घुलनशील पूल साइटोप्लाज्मिक संरचना को दर्शाता है, जबकि साइटोप्लाज्म और ऑर्गेनेल्स से मैक्रोमोलीक्यूल्स अम्ल-अघुलनशील अंश का निर्माण करते हैं।
• रासायनिक संरचना के संदर्भ में, पानी जीवित जीवों में सबसे प्रचुर रसायन होता है।

कोशिकाओं की औसत संरचना

प्रोटीन

प्रोटीन

ये अमीनो एसिड से बने पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएँ हैं। 20 प्रकार के अमीनो एसिड हैं जो अमीनो और कार्बोक्सिल समूह के बीच पेप्टाइड बंधन द्वारा जुड़े होते हैं। अमीनो एसिड के दो प्रकार हैं-

• आवश्यक अमीनो एसिड जो जीवित जीवों को आहार के माध्यम से प्राप्त होते हैं।
• गैर-आवश्यक अमीनो एसिड जिन्हें हमारा शरीर कच्चे माल से तैयार कर सकता है।

जीवित कोशिका में प्रोटीन के मुख्य कार्य हैं

• झिल्ली के पार पोषक तत्वों का परिवहन।
• संक्रामक जीवों से लड़ना।
• एंजाइम और प्रोटीन का उत्पादन करना।

कुछ प्रोटीन और उनके कार्य

कोलेजन जानवरों की दुनिया में सबसे प्रचुर मात्रा में प्रोटीन है।

प्रोटीन की संरचना

(क) प्रोटीन की प्राथमिक संरचना

(क) प्रोटीन की प्राथमिक संरचना

यह प्रोटीन की मूल संरचना है जिसमें कई पॉलीपेप्टाइड शामिल होते हैं जिनमें अमीनो एसिड का अनुक्रम होता है। अनुक्रम का पहला अमीनो एसिड N-टर्मिनल अमीनो एसिड कहलाता है और पेप्टाइड श्रृंखला का अंतिम अमीनो एसिड C-टर्मिनल अमीनो एसिड कहलाता है।

(ख) प्रोटीन की द्वितीयक संरचना

(ख) प्रोटीन की द्वितीयक संरचना

इसकी तंतु हेलीक्स बनाते हैं। द्वितीयक संरचना के तीन प्रकार हैं- α हेलीक्स, β प्लेटेड और कोलेजन। α हेलीक्स में, पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला दाहिनी ओर घुमावदार होती है। β प्लेटेड द्वितीयक प्रोटीन में दो या अधिक पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाएँ हाइड्रोजन बंधनों द्वारा आपस में जुड़ी होती हैं। कोलेजन में तीन तंतु या पॉलीपेप्टाइड एक-दूसरे के चारों ओर हाइड्रोजन बंधनों द्वारा लिपटे होते हैं।

(ग) प्रोटीन की तृतीयक संरचना

इसमें, लंबी प्रोटीन श्रृंखला स्वयं पर मुड़ती है जैसे एक खोखला ऊन का गेंद, जिससे प्रोटीन का तीन-आयामी दृश्य मिलता है।

प्रोटीन की चतुर्थक संरचना

इसमें, प्रत्येक पॉलीपेप्टाइड अपनी स्वयं की तृतीयक संरचना और प्रोटीन के उपयूनिट के रूप में कार्य करता है। उदाहरण: हिमोग्लोबिन। वयस्क मानव के हिमोग्लोबिन में 4 उपयूनिट शामिल होते हैं। इनमें से दो उपयूनिट α प्रकार के और दो उपयूनिट β प्रकार के होते हैं।

पॉलीसैकराइड्स

• ऐसिड-अविवेकी पेलेट में भी पॉलीसैकराइड्स होते हैं, जो चीनी की लंबी श्रृंखलाएँ होती हैं।
• पॉलीसैकराइड्स विभिन्न मोनोसैकराइड्स से बने होते हैं और यह धागों के समान होते हैं, जिसमें ग्लूकोज एक सामान्य निर्माण ब्लॉक है।
• सेल्यूलोज, ग्लूकोज का एक होमोपॉलीमर, पौधों की कोशिका दीवारों का प्राथमिक घटक है।
• स्टार्च और ग्लाइकोजन सेल्यूलोज के विभिन्न रूप हैं, जो क्रमशः पौधों और जानवरों में ऊर्जा के भंडार के रूप में कार्य करते हैं।
• इनुलिन एक और पॉलीसैकराइड है, जो फ्रुक्टोज से बना होता है।
• पॉलीसैकराइड श्रृंखलाएँ, जैसे ग्लाइकोजन, एक रिड्यूसिंग अंत और एक नॉन-रिड्यूसिंग अंत होती हैं, जिसमें शाखाएँ होती हैं।
• स्टार्च हेलिकल संरचनाएँ बनाता है, जो I2 अणुओं को पकड़ने में सक्षम होती हैं, जिससे नीली रंगत बनती है, जबकि सेल्यूलोज में ऐसी जटिल हेलिक्स नहीं होती हैं और यह I2 को पकड़ नहीं सकता।

ग्लाइकोजन के एक हिस्से का आरेखात्मक प्रतिनिधित्व

न्यूक्लिक एसिड पॉलीन्यूक्लियोटाइड्स होते हैं। एक न्यूक्लिक एसिड में तीन रासायनिक रूप से भिन्न घटक होते हैं - हेटेरोसाइक्लिक यौगिक (नाइट्रोजन युक्त आधार), पॉलीसैकराइड्स (रिबोज/डीऑक्सी-रिबोज चीनी) और फॉस्फेट या फॉस्फोरिक एसिड।

• न्यूक्लिक एसिड में पाया जाने वाला शुगर या तो रिबोज या डिऑक्सीरिबोज होता है।
• डिऑक्सीरिबोज शुगर वाले न्यूक्लिक एसिड को DNA (डिऑक्सीरिबोन्यूक्लियोटाइड एसिड) कहा जाता है और रिबोज शुगर वाले न्यूक्लिक एसिड को RNA (राइबोन्यूक्लियोटाइड एसिड) कहा जाता है।
• जीवाणु हमेशा किसी अन्य जैव अणु में परिवर्तित होते रहते हैं और अन्य जैव अणुओं से बने होते हैं। यह तोड़ना और बनाना एक रासायनिक प्रक्रिया के माध्यम से होता है, जिसे मेटाबॉलिज्म कहा जाता है।
• जीवित जीवों में, सभी मेटाबॉलिक प्रतिक्रियाएँ एंजाइम द्वारा उत्प्रेरित होती हैं। उत्प्रेरक वे पदार्थ होते हैं जो प्रतिक्रिया की दर को बदलते हैं। जिन प्रोटीन में उत्प्रेरक शक्ति होती है, उन्हें एंजाइम कहा जाता है।

जीवित जीवों के लिए मेटाबॉलिक आधार

• जटिल संरचना से सरल संरचना की ओर ले जाने वाली चयापचय पथ को कैटाबोलिक पथ कहा जाता है।
• फोटोसिंथेसिस और प्रोटीन सिंथेसिस एनाबोलिक पथ के उदाहरण हैं।
• ATP (एडेनोसिन ट्रायफॉस्फेट) जीवित दुनिया में ऊर्जा मुद्रा का सबसे महत्वपूर्ण रूप है।
• सभी जीवित जीव संतुलित स्थिति में रहते हैं, जो प्रत्येक मेटाबोलाइट की सांद्रता द्वारा विशेषता है।
• जीवित अवस्था एक गैर-संतुलन स्थिर अवस्था है ताकि कार्य करने की क्षमता हो।

एंजाइम

एंजाइम और उनकी संरचना

• अधिकांश एंजाइम प्रोटीन होते हैं, लेकिन कुछ न्यूक्लिक एसिड जिन्हें राइबोजाइम कहा जाता है, भी एंजाइम के रूप में कार्य कर सकते हैं।
• एक एंजाइम को एक रेखाचित्र द्वारा दर्शाया जा सकता है, और किसी भी प्रोटीन की तरह, इसकी एक प्राथमिक संरचना (अमीनो एसिड अनुक्रम), द्वितीयक संरचना, और तृतीयक संरचना होती है।
• तृतीयक संरचना में, प्रोटीन श्रृंखला मुड़ती और पार होती है, जिसके परिणामस्वरूप दरारें या जेब बनती हैं, जिनमें से एक सक्रिय साइट होती है।
• सक्रिय साइट वह स्थान है जहाँ सब्सट्रेट फिट होता है, जिससे एंजाइम उच्च दर पर प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित कर सकते हैं।

एंजाइम उत्प्रेरकों और अकार्बनिक उत्प्रेरकों के बीच भिन्नताएँ

• एंजाइम उत्प्रेरक कई तरीकों से अकार्बनिक उत्प्रेरकों से भिन्न होते हैं। एक प्रमुख अंतर यह है कि अकार्बनिक उत्प्रेरक उच्च तापमान और दबाव पर कुशलता से कार्य करते हैं, जबकि एंजाइम उच्च तापमान (आमतौर पर 40°C से ऊपर) पर क्षतिग्रस्त हो सकते हैं।
• हालाँकि, उन जीवों से अलग किए गए एंजाइम जो चरम परिस्थितियों में पनपते हैं, जैसे गर्म वेंट और सल्फर स्प्रिंग, उच्च तापमान (80°-90°C तक) पर स्थिर रह सकते हैं और अपनी उत्प्रेरक क्षमताएँ बनाए रख सकते हैं।
• यह तापीय स्थिरता उन थर्मोफिलिक जीवों से एंजाइमों की एक महत्वपूर्ण विशेषता है।

रासायनिक प्रतिक्रियाएँ

रासायनिक प्रतिक्रियाएँ

एंजाइमों के सिद्धांत को समझने के लिए, हमें पहले यह समझना होगा कि रासायनिक प्रतिक्रिया क्या है। रासायनिक यौगिक दो प्रकार के परिवर्तनों से गुजर सकते हैं: भौतिक और रासायनिक।

भौतिक परिवर्तन

• एक भौतिक परिवर्तन एक रूप में परिवर्तन होता है बिना बंधनों के टूटने के। उदाहरण के लिए, जब बर्फ पिघलकर पानी बनती है या जब पानी वाष्प में बदलता है, ये भौतिक प्रक्रियाएँ हैं।

रासायनिक परिवर्तन

• एक रासायनिक परिवर्तन तब होता है जब बंधन टूटते हैं और पदार्थों के परिवर्तन के दौरान नए बंधन बनते हैं। उदाहरण के लिए, बेरियम हाइड्रॉक्साइड और सल्फ्यूरिक एसिड के बीच प्रतिक्रिया से बेरियम सल्फेट और पानी का निर्माण एक रासायनिक प्रतिक्रिया है। इसी तरह, स्टार्च का ग्लूकोज में हाइड्रोलिसिस एक जैविक रासायनिक प्रतिक्रिया का उदाहरण है।

Ba(OH)2 H2SO4 → BaSO4 2H2O

प्रतिक्रियाओं की दर

• एक भौतिक या रासायनिक प्रक्रिया की दर उस समय में उत्पाद की मात्रा को संदर्भित करती है जो उत्पन्न होती है। इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है: दर = δP/ δt। यदि दिशा निर्दिष्ट की जाए तो दर को वेग भी कहा जा सकता है। भौतिक और रासायनिक प्रक्रियाओं की दरें तापमान जैसे कारकों से प्रभावित होती हैं। एक सामान्य नियम है कि दर हर 10°C परिवर्तन के लिए या तो दोगुनी या आधी हो जाती है।

कैटालिसिस द्वारा एंजाइम

• कैटालाइज्ड प्रतिक्रियाएँ बिना कैटालिस्ट की प्रतिक्रियाओं की तुलना में महत्वपूर्ण रूप से तेज होती हैं। उदाहरण के लिए, एंजाइम-केटालाइज्ड प्रतिक्रियाएँ बिना एंजाइम के वही प्रतिक्रियाएँ की तुलना में कहीं अधिक तेज होती हैं। उदाहरण के लिए, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी के बीच प्रतिक्रिया से कार्बोनिक एसिड का निर्माण बिना एंजाइम कार्बोनिक एनहाइड्रेज के बहुत धीमा होता है। बिना एंजाइम के, लगभग 200 कार्बोनिक एसिड के अणु एक घंटे में बनते हैं। हालाँकि, कार्बोनिक एनहाइड्रेज के साथ, प्रतिक्रिया तेजी से होती है, लगभग 600,000 अणु प्रति सेकंड का उत्पादन करती है। एंजाइम प्रतिक्रिया की दर को लगभग 10 मिलियन गुना बढ़ा देता है, जो एंजाइमों की अद्भुत शक्ति को दर्शाता है।

चयापचय पथ

• एंजाइमों की हजारों प्रकारें होती हैं, प्रत्येक एक अद्वितीय रासायनिक या चयापचय प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करती हैं। एक श्रृंखला रासायनिक प्रतिक्रियाओं की, प्रत्येक को समान एंजाइम जटिलता या विभिन्न एंजाइमों द्वारा उत्प्रेरित किया जाता है, को चयापचय पथ कहा जाता है। उदाहरण के लिए, ग्लूकोज़ का पायरुविक एसिड में रूपांतरण दस विभिन्न एंजाइम-उत्प्रेरित चयापचय प्रतिक्रियाओं में शामिल होता है।
• हालात के आधार पर, इस पथ से विभिन्न अंतिम उत्पाद बनाए जा सकते हैं। कंकाली मांसपेशियों में, अन्यायिक स्थितियों में, लैक्टिक एसिड का उत्पादन होता है। एरोबिक स्थितियों में, पायरुविक एसिड का निर्माण होता है। खमीर में, किण्वन के दौरान, यही पथ एथेनॉल (शराब) के उत्पादन की ओर ले जाता है।
• ग्लूकोज़ → 2 पायरुविक एसिड

एंजाइम इतनी उच्च दर से रासायनिक परिवर्तनों को कैसे लाते हैं?

एंजाइम और सब्सट्रेट

• एंजाइम प्रोटीन होते हैं जिनका एक विशेष क्षेत्र होता है जिसे सक्रिय स्थल कहा जाता है। यहीं पर एंजाइम अपना कार्य करता है। एक रासायनिक प्रतिक्रिया तब होती है जब एक एंजाइम एक पदार्थ को सब्सट्रेट कहते हैं, को एक उत्पाद में परिवर्तित करता है। प्रतीकात्मक रूप से, इस प्रक्रिया को इस प्रकार दर्शाया जाता है: S → P, जहाँ S सब्सट्रेट है, और P उत्पाद है।

ES कॉम्प्लेक्स का निर्माण

• प्रतिक्रिया होने के लिए, सब्सट्रेट (S) को एंजाइम के सक्रिय स्थल में फिट होना चाहिए, जिससे एक अस्थायी जटिलता बनती है जिसे ES कॉम्प्लेक्स कहा जाता है। यह प्रक्रिया में एक महत्वपूर्ण कदम है। इस जटिलता का निर्माण एक त्वरित और अस्थायी घटना है। जब सब्सट्रेट एंजाइम के सक्रिय स्थल से जुड़ता है, तो यह एक परिवर्तन से गुजरता है और एक नए संरचना का निर्माण करता है जिसे संक्रमण अवस्था कहा जाता है। यह प्रतिक्रिया में एक महत्वपूर्ण चरण है।

संक्रमण अवस्था और उत्पाद का निर्माण

संक्रमण स्थिति के बाद, सब्सट्रेट बंधन तोड़ने और बनाने के माध्यम से उत्पाद में परिवर्तित होता है। एक बार परिवर्तन पूरा हो जाने पर, उत्पाद एंजाइम की सक्रिय साइट से मुक्त हो जाता है। सरल शब्दों में, सब्सट्रेट परिवर्तन स्थिति के माध्यम से और संभवतः अन्य अस्थिर मध्यवर्ती संरचनाओं के साथ गुजरते हुए उत्पाद में बदलता है।

सक्रियण ऊर्जा का सिद्धांत

ऊर्जा और स्थिरता

• इन मध्यवर्ती संरचनाओं की स्थिरता उनके ऊर्जा स्तरों से संबंधित है।
• जब हम इस प्रक्रिया को एक ग्राफ पर देखते हैं, तो y-अक्ष संभावित ऊर्जा को दर्शाता है, जबकि x-अक्ष संक्रमण स्थिति के माध्यम से संरचनात्मक परिवर्तन की प्रगति को दर्शाता है।
• सब्सट्रेट (S) और उत्पाद (P) के बीच ऊर्जा का अंतर महत्वपूर्ण है:
• यदि उत्पाद (P) का ऊर्जा स्तर सब्सट्रेट (S) से कम है, तो प्रतिक्रिया को "एक्सोथर्मिक" कहा जाता है। इसका मतलब है कि प्रतिक्रिया के दौरान ऊर्जा मुक्त होती है।
• चाहे प्रतिक्रिया एक्सोथर्मिक हो या एंडोथर्मिक (ऊर्जा की आवश्यकता), सब्सट्रेट को पहले एक उच्च ऊर्जा स्थिति, जिसे संक्रमण स्थिति कहा जाता है, पर पहुंचना होगा।
• सब्सट्रेट (S) और संक्रमण स्थिति के बीच ऊर्जा का अंतर "सक्रियण ऊर्जा" कहलाता है। एंजाइम इस ऊर्जा बाधा को कम करने में मदद करते हैं, जिससे सब्सट्रेट का उत्पाद में परिवर्तित होना आसान हो जाता है।

एंजाइम क्रिया की प्रकृति

• एंजाइम-सब्सट्रेट बंधन: यह प्रक्रिया सक्रिय साइट पर सब्सट्रेट (S) के एंजाइम (E) से बंधने के साथ शुरू होती है। इससे एक उच्च प्रतिक्रियाशील एंजाइम-सब्सट्रेट जटिलता (ES) का निर्माण होता है।
• प्रेरित फिट: बंधन के दौरान, एंजाइम एक रूपांतरित परिवर्तन से गुजरता है, जो सब्सट्रेट के चारों ओर अधिक कसकर फिट होता है। यह परिवर्तन उत्प्रेरक प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण है।
• एंजाइम-उत्पाद जटिलता का निर्माण: सक्रिय साइट में सब्सट्रेट की निकटता रासायनिक बंधनों को तोड़ने की प्रक्रिया को सुगम बनाती है, जिससे एंजाइम-उत्पाद जटिलता (EP) का निर्माण होता है।
• उत्पाद का विमोचन: इसके बाद, एंजाइम प्रतिक्रिया के उत्पाद (P) को मुक्त करता है, इस प्रक्रिया में मुक्त एंजाइम (E) को पुनः उत्पन्न करता है। मुक्त एंजाइम अब किसी अन्य सब्सट्रेट अणु से बंधने और उत्प्रेरक चक्र को दोहराने के लिए तैयार है।
• कुल प्रतिक्रिया को इस प्रकार संक्षेपित किया जा सकता है: E S ⇌ ES → EP → E P

एंजाइम गतिविधि को प्रभावित करने वाले कारक

एंजाइम की गतिविधि विभिन्न कारकों द्वारा प्रभावित हो सकती है जो प्रोटीन की तृतीयक संरचना को बदलते हैं। इन कारकों में तापमान, pH, उपस्ट्रेट की सांद्रता, और विशेष रसायनों का बंधन शामिल हैं जो एंजाइम की गतिविधि को नियंत्रित करते हैं।

तापमान और pH

• एंजाइम आमतौर पर तापमान और pH की एक संकीर्ण सीमा के भीतर कार्य करते हैं।
• प्रत्येक एंजाइम का एक आदर्श तापमान और आदर्श pH होता है, जिस पर इसकी गतिविधि अधिकतम होती है।
• जब स्थिति इन आदर्श स्तरों के नीचे या ऊपर होती है, तो गतिविधि में कमी आती है।
• निम्न तापमान एंजाइमों को अस्थायी रूप से निष्क्रिय स्थिति में बनाए रखता है, जबकि उच्च तापमान प्रोटीन को डिनैचुरेट कर सकता है और एंजाइम गतिविधि को नष्ट कर सकता है।

pH में परिवर्तन का प्रभाव: (क) pH (ख) तापमान और (ग) उपस्ट्रेट की सांद्रता पर एंजाइम गतिविधि

उपस्ट्रेट की सांद्रता

• जब उपस्ट्रेट की सांद्रता बढ़ती है, तो एंजाइम प्रतिक्रिया की गति प्रारंभ में बढ़ती है।
• हालांकि, यह अंततः एक अधिकतम वेग (Vmax) पर पहुँच जाती है जो उपस्ट्रेट की सांद्रता में और वृद्धि के बावजूद पार नहीं की जा सकती।
• यह सीमा इसलिए होती है क्योंकि एंजाइम अणुओं की संख्या उपस्ट्रेट अणुओं की संख्या से कम होती है।
• एक बार जब सभी एंजाइम अणु संतृप्त हो जाते हैं, तो कोई मुक्त एंजाइम उपलब्ध नहीं रहता जो अतिरिक्त उपस्ट्रेट अणुओं के साथ बंध सके।

एंजाइम अवरोध

• एक एंजाइम की गतिविधि उन विशिष्ट रसायनों की उपस्थिति के प्रति संवेदनशील हो सकती है जो एंजाइम से बंधते हैं।
• अवरोध तब होता है जब कोई रसायन एंजाइम से बंधता है और इसकी गतिविधि को बंद कर देता है, जिससे वह रसायन एक अवरोधक बन जाता है।
• प्रतिस्पर्धात्मक अवरोधक एक प्रकार के अवरोधक होते हैं जो आणविक संरचना में उपस्ट्रेट के समान होते हैं।
• ये अवरोधक एंजाइम के उपस्ट्रेट-बंधन स्थल के लिए उपस्ट्रेट के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं।
• इसके परिणामस्वरूप, उपस्ट्रेट नहीं बंध पाता, जिससे एंजाइम की गतिविधि में कमी आती है।
• उदाहरण के लिए, मॉलोनट सक्सिनिक डिहाइड्रोजनेज को अवरुद्ध करता है क्योंकि यह संरचना में उपस्ट्रेट सक्सिनेट के समान है।
• प्रतिस्पर्धात्मक अवरोधक अक्सर बैक्टीरियल रोगाणुओं के नियंत्रण में उपयोग किए जाते हैं।

एंजाइमों की वर्गीकरण और नामकरण

एंजाइम जैविक उत्प्रेरक होते हैं जो जीवित प्राणियों में रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज करते हैं। इन्हें उन प्रतिक्रियाओं के प्रकार के आधार पर विभिन्न समूहों में वर्गीकृत किया जा सकता है जिन्हें ये सुविधाजनक बनाते हैं। एंजाइमों की छह मुख्य श्रेणियाँ हैं, प्रत्येक में विशिष्ट उपश्रेणियाँ होती हैं। यहाँ प्रत्येक श्रेणी का विस्तृत विवरण दिया गया है:

एंजाइमों का वर्गीकरण

1. ऑक्सीडोरिडक्टेज़/डीहाइड्रोजनेज़

ये एंजाइम दो उपस्र्तों, S और S’ के बीच ऑक्सीकरण-अपघटन प्रतिक्रियाओं में शामिल होते हैं। इन प्रतिक्रियाओं में, एक उपस्र्तु अपघटित होता है जबकि दूसरा ऑक्सीकृत होता है। उदाहरण के लिए:

• S अपघटित S’ ऑक्सीकृत→S ऑक्सीकृत S’ अपघटित

2. ट्रांसफरेज़

ट्रांसफरेज़ किसी विशेष समूह (हाइड्रोजन को छोड़कर) को एक उपस्र्तु से दूसरे में स्थानांतरित करने की क्रिया को उत्प्रेरित करते हैं। उदाहरण के लिए:

• S - G S’→S S’ - G

3. हाइड्रोलाज़

हाइड्रोलाज़ विभिन्न प्रकार के बांडों के हाइड्रोलाइसिस के लिए जिम्मेदार होते हैं, जिनमें शामिल हैं:

• एस्टर बांड
• ईथर बांड
• पेप्टाइड बांड
• ग्लाइकोसिडिक बांड
• C-C बांड
• C-हैलाइड बांड
• P-N बांड

4. लियाज़

लियाज़ उपस्र्तों से समूहों को हटाने की क्रिया को उत्प्रेरित करते हैं, हाइड्रोलाइसिस के अलावा अन्य तंत्रों के माध्यम से, जिसके परिणामस्वरूप डबल बांड का निर्माण होता है।

5. आइसोमेरेज़

आइसोमेरेज़ उपस्र्तु के भीतर ऑप्टिकल, ज्यामितीय, या स्थिति आइसोमेरों के अंतःपरिवर्तन को सुविधाजनक बनाते हैं।

6. लिगेज़

लिगेज़ दो यौगिकों को एक साथ जोड़ने में शामिल होते हैं, जैसे C-O, C-S, C-N, या P-O बांड का निर्माण करते हैं। उदाहरण के लिए, ये जोड़ने की क्रिया को उत्प्रेरित कर सकते हैं:

C-O बांड

C-S बांड

C-N बांड

P-O बांड

को-फैक्टर्स

एंजाइम एक या एक से अधिक पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाओं से बने होते हैं। हालांकि, कुछ मामलों में, गैर-प्रोटीन घटकों की आवश्यकता होती है जिन्हें कोफैक्टर्स कहा जाता है ताकि एंजाइम कैटालिटिक रूप से सक्रिय हो सके। ऐसे मामलों में, एंजाइम का प्रोटीन भाग अपोएंजाइम कहा जाता है।

कोफैक्टर्स को तीन प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है: कोफैक्टर्स के प्रकार

• प्रोस्थेटिक समूह: ये कार्बनिक यौगिक होते हैं जो अपोएंजाइम से मजबूती से जुड़े होते हैं। उदाहरण के लिए, पेरॉक्सिडेज और कैटेलेज जैसे एंजाइमों में, जो हाइड्रोजन पेरोक्साइड को पानी और ऑक्सीजन में तोड़ते हैं, प्रोस्थेटिक समूह हेम होता है, जो एंजाइम की सक्रिय साइट का एक अभिन्न हिस्सा है।
• कोएंजाइम: कोएंजाइम भी कार्बनिक यौगिक होते हैं, लेकिन इनका अपोएंजाइम के साथ संबंध अस्थायी होता है, जो आमतौर पर कैटालिटिक प्रक्रिया के दौरान होता है। कोएंजाइम विभिन्न एंजाइम-उपचारित प्रतिक्रियाओं में कोफैक्टर्स के रूप में कार्य करते हैं। कई कोएंजाइम विटामिन से प्राप्त होते हैं; उदाहरण के लिए, कोएंजाइम जैसे निकोटिनामाइड एडेनीन डाइन्यूक्लियोटाइड (NAD) और NAD फास्फेट (NADP) विटामिन निआसिन को शामिल करते हैं।
• धातु आयन: कुछ एंजाइमों को अपनी गतिविधि के लिए धातु आयनों की आवश्यकता होती है। ये धातु आयन सक्रिय साइट पर साइड चेन के साथ समन्वय बांड बनाते हैं और सब्स्ट्रेट के साथ भी समन्वय बांड स्थापित करते हैं। उदाहरण के लिए, जिंक प्रोटियोलिटिक एंजाइम कार्बोक्सीपेप्टिडेज के लिए एक कोफैक्टर के रूप में कार्य करता है।

जब कोफैक्टर हटा दिया जाता है, तो एंजाइम की कैटालिटिक गतिविधि प्रभावित होती है, जो कोफैक्टर्स की एंजाइम की कैटालिटिक कार्य में महत्वपूर्ण भूमिका को उजागर करती है।