ઉત્સેચકો (જીવવિજ્ઞાન)

(enzymes) 

સજીવોનાં શરીરમાં દેહધાર્મિક (physiological) ક્રિયાઓના ભાગરૂપે સતત ચાલ્યા કરતી રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓને સહજસાધ્ય (spontaneous) અને ઝડપી બનાવનાર ઉદ્દીપકો (catalysts). પ્રોટીનના બનેલા આ ઉત્સેચકો વિશિષ્ટ રાસાયણિક ઘટક પર સંશ્લેષણાત્મક (synthetic) અથવા વિઘટનાત્મક (degradative) પ્રક્રિયા દ્વારા તેનું એક યા બીજા સ્વરૂપમાં રૂપાંતર કરે છે. દાખલા તરીકે પ્રાણીઓનાં શરીરમાં આવેલા પ્રૉટિયૉલેટિક ઉત્સેચકો પ્રોટીનયુક્ત ખોરાકને પેપ્ટાઇડો તેમજ એમીનો ઍસિડોમાં વિભાજે છે. તે જ પ્રમાણે કોષરસ(protoplasm)માં આવેલા પ્રોટીન સંશ્લેષક ઉત્સેચકો એમીનો ઍસિડના એકમોનું સંયોજન કરી પૉલિપેપ્ટાઇડશૃંખલા રચવામાં સહાયભૂત બને છે.

પાણીના નાના ટીપા કરતાં પણ પ્રાણીકોષ 10^–9 જેટલો સૂક્ષ્મ હોય છે. આમ છતાં તેમાં હજારોની સંખ્યામાં ઉત્સેચકો હોય છે. કોષમાં આવેલ પ્રક્રિયાર્થી(substrate)ની સંખ્યાના પ્રમાણમાં ઉત્સેચકોનું પ્રમાણ અત્યંત નજીવું હોવા છતાં પ્રક્રિયા દરમિયાન તેઓ અત્યંત નજીવા પ્રમાણમાં કાર્યશક્તિનો વ્યય કરે છે. મનુષ્યસર્જિત ઉદ્દીપકની સરખામણીમાં તે વધુ કાર્યક્ષમ હોય છે. ઉત્સેચકનો એક અણુ પ્રત્યેક સેકંડે 1,000થી 3,000 જેટલી પ્રક્રિયાઓ કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે. વળી રાસાયણિક પ્રક્રિયામાં સંકળાયેલ ઉત્સેચકનો અણુ ઝડપથી પ્રક્રિયાર્થીથી અલગ થઈ બીજી પ્રક્રિયામાં ભાગ લઈ શકે છે. ઉત્સેચકોની પ્રક્રિયા અત્યંત ઝડપી હોય છે અને તેનો એક જ અણુ લાખોમાં થતી પ્રક્રિયામાં ક્રિયાશીલ હોય છે.

1897માં એડ્વર્ડ બુકનરે યીસ્ટમાંથી મેળવેલ નિષ્કર્ષમાંથી ખાંડનું આથવણ થઈ શકે છે અને આ નિષ્કર્ષમાં ‘ઉત્સેચક’ તરીકે ઓળખાતા ઉદ્દીપકો કારણભૂત હોય છે તેનું પ્રતિપાદન કર્યું. હાલમાં વૈજ્ઞાનિકો હજારો ઉત્સેચકોથી પરિચિત છે.

ઉત્સેચકોના અણુઓ પ્રોટીનના બનેલા છે અને તેમનો અણુભાર 10,000થી 1,00,000 વચ્ચે હોય છે. 1926માં જે. બી. સુમ્નેરે જેકબીનમાંથી ‘યુરીએઝ’ ઉત્સેચકને અલગ કરી તેને સ્ફટિક સ્વરૂપમાં પ્રાપ્ત કરી શક્યા. તે જ પ્રમાણે 1930માં નૉર્થ્રપે ‘પેપ્ટિન’ ઉત્સેચકને સ્ફટિક સ્વરૂપમાં મેળવ્યું.

ફ્રેડ્રિક સૅંગરે શોધી કાઢેલ પૃથક્કરણ પદ્ધતિથી ઉત્સેચકોમાં આવેલ એમીનો ઍસિડોનો ક્રમ શોધી કાઢવાનું સરળ બન્યું છે. સ્વાદુપિંડમાં આવેલ ‘રાઇબોન્યૂક્લિએઝ’ ઉત્સેચક એમીનો ઍસિડના 124 અણુઓની શૃંખલાનો બનેલો છે અને તેનો અણુભાર 14,000 જેટલો હોય છે. હાલમાં તો એમીનો ઍસિડમાં આવેલ શૃંખલા સાથે તેની ત્રિપરિણાત્મક રચનાનો પણ ખ્યાલ મેળવી શકાય છે.

ઉત્સેચકોનું વર્ગીકરણ : 1833માં સૌપ્રથમ શોધી કાઢવામાં આવેલા ઉત્સેચકને ‘ડાયાસ્ટેઝ’ નામ આપવામાં આવ્યું હતું. ત્યારબાદ 65 વર્ષે જે પ્રક્રિયાર્થી ઉપર ઉત્સેચક પ્રક્રિયા કરતો હોય તે પ્રક્રિયાર્થીના નામને એઝ(-ase) પ્રત્યય લગાડીને ઉત્સેચકનું નામાભિધાન કરવું તેમ સૂચન કરવામાં આવ્યું હતું. પરંતુ એક જ પ્રકારની તત્સમ પ્રક્રિયા સાથે અનેક પ્રક્રિયાર્થીઓ સંકળાયેલ હોવાથી આવી પ્રક્રિયાઓ સાથે સંકળાયેલ ઉત્સેચકોને એક સામાન્ય સમૂહ તરીકે ગણવા તેમ વૈજ્ઞાનિકોએ વિચાર કર્યો. 1967માં ઇન્ટરનૅશનલ નામકરણ અને વર્ગીકરણ માટે એક ચોક્કસ યોજના ઘડી કાઢી. સર્વસ્વીકૃત આ પદ્ધતિ મુજબ બધા ઉત્સેચકોનું ઑક્સિડો-રિડક્ટેઝ, ટ્રાન્સફરેઝ, હાઇડ્રોલેઝ, લાયેઝ, આઇસોમરેઝ અને લિગેઝ (અથવા સિંથેટેઝ) નામના છ વિભાગોમાં વર્ગીકરણ કરવામાં આવ્યું છે. આ વિભાગો નીચે પ્રમાણે છે :

1. ઑક્સિડો–રિડક્ટેઝ : કોષમાં થતી બધી ઉપચયન (oxidation) અને અપચયન (reduction) પ્રક્રિયાઓ સાથે સંકળાયેલ ઉત્સેચકોને ઑક્સિડો-રિડક્ટેઝ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રૉનની હેરફેરથી આ પ્રક્રિયાઓ સાધ્ય બને છે. આ પ્રક્રિયાઓ મુખ્યત્વે શ્વાસોચ્છવાસને લગતી જૈવ ક્રિયાઓ સાથે સંકળાયેલી છે. આ ઉત્સેચકો મુખ્યત્વે ઑક્સિજન તેમજ હાઇડ્રોજનના સ્વીકાર કે ત્યાગ જેવી પ્રક્રિયા સાથે સંકળાયેલા છે.

ઉપર દર્શાવેલ પ્રક્રિયાઓમાં સક્સિનિક ઍસિડ, સક્સિનિક ડીહાઇડ્રૉજિનેઝ ઉત્સેચકની હાજરીમાં હાઇડ્રોજનનો એક અણુ ગુમાવીને ઉપચયિત(oxidised) થાય છે. જ્યારે FAD હાઇડ્રોજનનો સ્વીકાર કરીને પોતે અપચયિત (reduced) થાય છે. (FAD = ફ્લેવિન ઍડેનાઇન-ડાઇન્યૂક્લિઓટાઇડ)

આ પ્રક્રિયામાં Cyt Fe⁺⁺ એક ઇલેક્ટ્રૉન ગુમાવે છે, જેથી તેનું ઉપચયન થયું ગણાય. જ્યારે ½O₂ બે ઇલેક્ટ્રૉન સ્વીકારે છે, જેથી તેનું અપચયન થાય છે. (Cyt = સાયટોક્રોમ).

2. ટ્રાન્સફરેઝ : નાઇટ્રોજન, ફૉસ્ફરસ, સલ્ફર અને એક કાર્બનયુક્ત સમૂહો (દા.ત., CH₃) વગેરેનું સ્થાનાન્તર કરનાર ઉત્સેચકને ટ્રૅન્સફરેઝ કહે છે.

આ ઉદાહરણમાં ‘X’ સાથે જોડાયેલ A સમૂહનું સ્થાનાન્તર થઈને તે ‘Y’ સાથે જોડાય છે.

દા.ત.,

A = ગ્લુટેમિક ઍસિડ, B = પાયરૂવિક ઍસિડ

C = આલ્ફા-કીટો ગ્લુટેરિક ઍસિડ

D = ફીનાઇલ એલેનાઇન

3. હાઇડ્રોલેઝ : આ ઉત્સેચકો પાણીનું વિઘટન કરી તેના H⁺ અને OH^– આયનોને છૂટા પાડે છે. પાચન સાથે સંકળાયેલી પ્રક્રિયાઓમાં આ આયનોનું જોડાણ પ્રક્રિયાર્થીઓના ઘટકો સાથે થતાં, ઘટકો એકબીજાથી જુદા પડે છે.

હાઈડ્રોલેઝોમાં, ગ્લાયકોસાઇડેઝ, ફૉસ્ફેટેઝ, પેપ્ટિડેઝ, લિપેઝ જેવા ઉત્સેચકોનો સમાવેશ થાય છે.

4. લાયેઝ : આ સમૂહના ઉત્સેચકો પણ હાઇડ્રોલેઝની જેમ વિઘટન તેમજ સંશ્લેષણ સાથે સંકળાયેલા હોય છે. પરંતુ પ્રક્રિયામાં પાણીનું વિઘટન થતું નથી.

5. આઈસોમરેઝ : આ ઉત્સેચકોની અસર હેઠળ પરમાણુઓના સ્થાનાન્તરને કારણે અણુના આંતરિક બંધારણમાં ફેરફારો થાય છે. જ્યારે અણુસૂત્ર તેનું તે જ રહે છે.

6. લિગેઝ (અથવા સિન્થેટેઝ) : આ ઉત્સેચકો પ્રક્રિયામાં ATP અથવા તત્સમ ટ્રાયફૉસ્ફેટમાં આવેલા પાયરોફૉસ્ફેટનું વિઘટન કરી કાર્યશક્તિ મેળવે છે અને એક નવા અણુનું સંશ્લેષણ કરે છે.

ઉત્સેચકો અને સહઉદ્દીપકો (co-catalysts) : બધા ઉત્સેચકો પ્રોટીનોના બનેલા હોય છે જોકે કેટલાક ઉત્સેચકો બિન-પ્રોટીન સહઉદ્દીપકોની હાજરીમાં જ સક્રિય બને છે. આ સહઉદ્દીપકોને ધાતુ-સક્રિયકારકો (metal activators), પ્રોસ્થેટિક સમૂહો અને સહઉત્સેચકો (co-enzymes) એમ ત્રણ વિભાગોમાં વહેંચવામાં આવે છે.

(1) ધાતુ–સક્રિયકારકો : સામાન્યપણે એટીપીનું વિઘટન કરી કાર્યશક્તિ મુક્ત કરનાર એટીપીએઝ (ATP’ase) ઉત્સેચકો ધાતુ-આયનોની હાજરીમાં ક્રિયાશીલ બને છે. દાખલા તરીકે પચનક્રિયા તેમજ ઊર્મિઆવેગોના વહન સાથે સંકળાયેલો સોડિયમ પંપ Mg⁺⁺ આયનની હાજરીમાં એટીપીના વિઘટનથી કાર્યશક્તિ મેળવે છે. તે જ પ્રમાણે સ્નાયુસંકોચનમાં જરૂરી કાર્યશક્તિ મેળવી આપનાર એટીપીએઝ Ca⁺⁺ની હાજરીમાં સક્રિય બને છે. રક્તકણોમાં તેમજ જઠરદીવાલમાં H₂CO₃ના ઉત્પાદન સાથે સંકળાયેલા ઉત્સેચક Zn⁺⁺ની હાજરીમાં સક્રિય બને છે.

(2) પ્રોસ્થેટિક સમૂહો : કેટલાક ઉત્સેચકો વિશિષ્ટ કાર્બનિક અણુઓની હાજરીમાં સક્રિય બને છે. દાખલા તરીકે, વિટામિન B₆નું વ્યુત્પન્ન પાયરિડૉક્સલ ફૉસ્ફેટ, ચુસ્ત રીતે ઉત્સેચક સાથે જોડાવાથી તેને સક્રિય બનાવે છે.

A = આલ્ફાકીટોગ્લુટેરિક ઍસિડ, B = એલેનિન, C = ગ્લુટેમિક ઍસિડ, D = પાયારૂવિક ઍસિડ, P = એમાઇનોટ્રાન્સફરેઝ + પાયરિડૉક્સલ ફૉસ્ફેટ

આ પ્રક્રિયામાં -NH₂ સમૂહનું સ્થાનાન્તર થાય છે. અહીં એમાઇનોટ્રૅન્સફરેઝ ઉત્સેચક, પાયરિડોક્સલ ફૉસ્ફેટ સહઘટક સાથે અસ્થાયી સંયોજન (P) બનાવે છે. આ અવસ્થામાં સહઘટકનો કીટોન સમૂહ, એલેનિનના -NH₂ સમૂહને સ્વીકારે છે. જેથી તે ગ્લુટેમિક ઍસિડમાં ફેરવાય છે. પ્રક્રિયા પૂરી થતાં તરત જ સહઘટક છૂટો પડે છે. ઉત્સેચકોને સક્રિય બનાવનાર ધાતુ આયનો, તેમજ પ્રોસ્થેટિક સમૂહોને સહઘટકો (co-factors) કહે છે.

(3) સહઉત્સેચકો : સહઉત્સેચકો પ્રક્રિયાર્થી તરીકે કાર્ય કરી આયનો, પરમાણુઓ કે સમૂહોના સ્થાનાન્તરમાં મદદરૂપ નીવડે છે.

ઉપર્યુક્ત પ્રક્રિયાઓમાં સૌપ્રથમ NAD અપચયિત A અણુમાંથી H₂ સ્વીકારીને પોતે અપચયિત બને છે. બીજી પ્રક્રિયામાં NADH₂, H₂નો ત્યાગ કરીને અસલ સ્વરૂપ પ્રાપ્ત કરે છે. જ્યારે ‘B’ અણુ ‘H₂’ સ્વીકારીને BH₂માં રૂપાંતરિત થાય છે.

વિટામિન	વિટામિન વ્યુત્પન્ન સહઉત્સેચકો	અનુરૂપ પ્રક્રિયા
નિયાસિન (નિકોટિનિક ઍસિડ)	નિકોટિન એમાઇડ- ડાયન્યૂક્લિઓટાઇડ સહઉત્સેચક NAD
થાયામીન B1 રાઇબોફ્લેવિન	અને NADP થાયામીન પાયરો- ફૉસ્ફેટ TPP ફ્લેવિન ઍડેનાઇન
	ડાયન્યૂક્લિઓટાઇડ FAD
પાયરિડોક્સાઇન B6	પાયરિડૉક્સલ ફૉસ્ફેટ	− NH2નું સ્થાનાન્તર
સાયનોકોબાલ-	સહઉત્સેચકો	C−C, C−O, C−N બંધોનું
એમાઇન, B12 ફૉલિક ઍસિડ	(−B12જન્ય) ટેટ્રાહાઇડ્રોફોલેટ	વિઘટન એક કાર્બનયુક્ત સમૂહોનું
(પ્ટેરોઇલ ગ્લુટામિક ઍસિડ	(THF)	સ્થાનાન્તર
પેન્ટોથેનિક ઍસિડ	સહઉત્સેચક A	ડીકાબૉર્ક્સિલેશન
બાયોટિન	બાયોટિન	− COOHનું નિર્માણ
વિટામિન ‘K’ સમૂહ	ક્વિનોનોના સહઉત્સેચક Q−10	ઇલેક્ટ્રૉનનો સ્વીકાર

આકૃતિ 2 પરથી પ્રક્રિયાર્થી, ઉત્સેચકના સક્રિય સ્થાનમાં કેવી રીતે બંધબેસતો થાય છે તેનો ખ્યાલ મેળવી શકાય. પ્રક્રિયાર્થી ‘ચાવી’ની જેમ ઉત્સેચકરૂપી તાળામાં બંધ બેસે છે. પ્રક્રિયાર્થી कઅને ख એમ બે ઘટકોનું બનેલું છે. જ્યારે ઉત્સેચકના એ-1 અને એ-2 એમીનો ઍસિડોના વિઘટનમાં અગત્યનો ભાગ ભજવે છે. ઉત્સેચકના વિશિષ્ટ એમીનો ઍસિડોના વિદ્યુતભારો પ્રક્રિયાર્થીના વિરોધી ભારો સાથે આકર્ષાતાં સક્રિય સ્થાનમાં પ્રક્રિયાર્થી બરાબર બંધબેસતો થાય છે અને પ્રક્રિયા શક્ય બને છે.પ્રક્રિયાર્થીની સરખામણીમાં ઉત્સેચકોનો અણુભાર ઘણો મોટો હોય છે. પરિણામે પ્રક્રિયા દરમિયાન પ્રક્રિયાર્થી ઉત્સેચકના ફક્ત વિશિષ્ટ ભાગ સાથેના સંપર્કમાં હોય છે. આ ભાગને સક્રિય સ્થાન (active site) કહે છે. ઉત્સેચકો વિશિષ્ટ ક્રમમાં ગોઠવાયેલા એમીનો ઍસિડના બહુલકો તરીકે આવેલા હોય છે. તેમના સક્રિય સ્થાને આવેલી લાક્ષણિકતા પ્રક્રિયાર્થીને આકર્ષે છે. તેના આ પ્રભાવ હેઠળ પ્રક્રિયાર્થીમાં ફેરફારો થાય છે.

ઉત્સેચકોની ક્રિયાવિધિ : ઉત્સેચકની ઉદ્દીપનક્રિયા તેની ત્રિપરિમાણીય રચના અને ખાસ કરીને તેના અણુની સપાટી ઉપર આવેલા આયનોની વિશિષ્ટ ગોઠવણીને આભારી છે. આ ગોઠવણને અધીન ઉત્સેચકોનાં સક્રિય સ્થાનોમાં પ્રક્રિયાર્થીઓ ગોઠવાય છે અને ઉત્સેચક પ્રક્રિયાર્થી સંકીર્ણનું નિર્માણ થાય છે.

     ઉત્સેચક + પ્રક્રિયાર્થી ઉત્સેચક − પ્રક્રિયાર્થી સંકીર્ણ

        E       +     S                                               ES

જો આ પ્રક્રિયા ‘S’ના વિઘટન સાથે સંકળાયેલી હોય તો ‘S’ના ઘટકો અલગ થાય છે.

ES E – P₁  P₂ E + P₁  P₂

∴ E + S ES E − P₁ − P₂ E + P₁ + P₂

(જ્યાં P₁ અને P₂ ‘S’ના અલગ પડેલા ઘટકો છે)

સૈદ્ધાંતિક રીતે E − P₁ − P₂ E + P₁ + P₂ સાધ્ય છે, પરંતુ ભાગ્યે જ E + P₁ + P₂માંથી E − P₁ − P₂નું નિર્માણ થતું હોય છે. તેથી પ્રક્રિયામાં સમીકરણોને નીચે મુજબ દર્શાવી શકાય :

E + S ES → E + P અથવા E + P₁ + P₂

ઉત્સેચકોનું સંકેન્દ્રણ અને સક્રિયતા : સામાન્યપણે ઉત્સેચક-પ્રક્રિયાર્થી (ES) સંકલિત બનાવતી પ્રક્રિયાનો વેગ, માધ્યમમાં આવેલા ઉત્સેચકના સંકેન્દ્રણ પર આધારિત હોય છે. ધારો કે માધ્યમમાં પૂરતા પ્રમાણમાં પ્રક્રિયાર્થીઓ પ્રાપ્ય હોય તો માધ્યમમાં ઉત્સેચકનું સંકેન્દ્રણ વધારવાથી પ્રક્રિયાનો વેગ વધશે. પ્રક્રિયાના વેગને નીચેના સમીકરણથી રજૂ કરી શકાય.

             

જ્યાં K = અચલાંક, E = ઉત્સેચકનું પ્રમાણ

ધારો કે એક પ્રયોગમાં 1 ગ્રામ જેટલું ઉત્પાદન થયેલું છે અને બીજા પ્રયોગમાં ઉત્સેચકનું પ્રમાણ ચારગણું વધારે છે.

પ્રક્રિયાર્થી-ઉત્સેચક-સંકલિત પ્રક્રિયા હંમેશાં પાણીમાં થતી હોય છે. પરંતુ ઉત્સેચકનો અણુભાર મોટો હોવાને કારણે પાણીમાં તેનું સંકેન્દ્રણ ભાગ્યે જ 0.001 મોલર કરતાં વધુ હોય છે. આથી પ્રક્રિયાના વેગનો આધાર મુખ્યત્વે ઉત્સેચકની પાણીમાંની મર્યાદિત દ્રાવ્યતાના પ્રમાણ ઉપર હોય છે.

પ્રક્રિયાર્થીનું સંકેન્દ્રણ અને પ્રક્રિયાનો વેગ : માધ્યમમાં ઉત્સેચકનું પ્રમાણ નિશ્ચિત હોય અને પ્રક્રિયાર્થી અલ્પ પ્રમાણમાં હોય ત્યારે માધ્યમમાં પ્રક્રિયાર્થીનું પ્રમાણ ક્રમશ: વધારવાથી પ્રક્રિયાનો વેગ પણ વધે છે. પરંતુ વધુ ને વધુ પ્રમાણમાં પ્રક્રિયાર્થીને માધ્યમમાં ઉમેરવાથી આ વધારો ક્રમશ: ઘટીને છેવટે વેગ સ્થિર થાય છે. ત્યારબાદ માધ્યમમાં પ્રક્રિયાર્થીનું પ્રમાણ વધારવાથી તેની અસર પ્રક્રિયાના વેગ ઉપર બિલકુલ થતી નથી.

પ્રક્રિયાવેગ અને મિકેઇલિસ–મેન્ટિન સમીકરણ : ઉદ્દીપનના અભાવમાં રાસાયણિક પ્રક્રિયાનો વેગ કોઈ પણ પ્રક્રિયાર્થીના સંકેંદ્રણની અસર હેઠળ રેખીય (linear) રીતે વધે છે. પરંતુ ઉત્સેચક ઉદ્દીપક તરીકે કાર્ય કરતો હોય ત્યારે પ્રક્રિયાર્થીના સંકેંદ્રણની અસર હેઠળ રેખીય રીતે વધવાને બદલે મહત્તમ વેગના આંક સુધી પહોંચી જતાં, પ્રક્રિયાનો વેગ સ્થિર બને છે. ઉત્સેચકોની હાજરીમાં થતી આ પ્રતિક્રિયાને સમજાવવા 1913માં એલ. મિકેઇલિસ અને મેન્ટિન નામના વિજ્ઞાનીઓએ એક સમીકરણ રજૂ કર્યું.

V_max = મહત્તમ વેગ; મહત્તમ વેગ

K_m = મિકેઇલિસ મેન્ટિન અચલાંક

ઉત્સેચક ઉદ્દીપ્તિ પ્રક્રિયામાં પ્રક્રિયાર્થી Sનું નીપજો Pમાં રૂપાંતર નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

                     

આ પ્રક્રિયાનો દર ઉત્સેચક Eની સાંદ્રતા પર આધાર રાખે છે. પ્રક્રિયાની ક્રિયાવિધિના વિવિધ તબક્કા નીચે પ્રમાણે લખી શકાય :

(i) E અને Sમાંથી સંકીર્ણ ESનું ઉત્પન્ન થયું :

                        E + S → ES

સક્રિય જથ્થાના નિયમ મુજબ,

ESના નિર્માણનો દર, v₁ = k₁ [E] [S]

અહીં [ ] જે તે ઘટકની મોલ/લીટર સાંદ્રતા દર્શાવે છે.

(ii) સંકીર્ણનું એક-આણ્વિક (unimolecular) વિઘટન

                        ES → E + S

ESના વિઘટનનો દર v₂ = k_–1 [ES]

(iii) નીપજોનું નિર્માણ અને ESમાંથી ઉત્સેચકનું મુક્ત થવું :

                        ES → P + E

Pના નિર્માણનો દર v₃ = k₂ [ES] અથવા

ESના વપરાવાનો દર = k₂ [ES]

સમગ્ર વિધિ નીચે પ્રમાણે લખી શકાય :

             

સામાન્ય રીતે ઉત્સેચકનું પ્રમાણ પ્રક્રિયાની સરખામણીમાં ઘણું ઓછું હોય છે. જ્યારે ઉત્સેચક અને પ્રક્રિયાર્થી મિશ્ર થાય ત્યારે ESની સાંદ્રતા ઘણી ઝડપથી વધે છે અને સ્થિર-અવસ્થા ઉદભવે છે. આ વખતે સંકીર્ણના વિભાજનનો દર તેના નિર્માણના દર જેટલો થાય છે. આ માટે એકાદ સેકન્ડ કરતાં પણ ઓછો સમય લાગે છે, અને આ અવસ્થા કેટલીક મિનિટો સુધી રહે છે. આ સમય દરમિયાન સમગ્ર (overall) પ્રક્રિયાનો વેગ સારભૂત રીતે અચળ હોય છે અને તેને પ્રક્રિયાના પ્રારંભિક (initial) વેગ ν₀ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. ઉપરની વ્યાખ્યા પ્રમાણે ν₀ = ν₃. વળી સ્થિર-અવસ્થા માટે

ν₁ = ν₂ + ν₃

∴ k₁ [E] [S] = k_–1[ES] + k₂ {ES] = (k_–1 + k₂) [ES]

∴

ઉત્સેચકની શરૂઆતની સાંદ્રતા [E_t] એ મુક્ત અને સંકીર્ણિત ઉત્સેચકના સરવાળા બરાબર હોય છે.

[E_t] = [E] + [ES]

અને [S]₀ = [S] + [P] (= [S] + [ES])

પણ ઉત્સેચકનું પ્રમાણ પ્રક્રિયાર્થી કરતાં ઘણું ઓછું હોવાથી [S] + [ES] ≈ [S] લઈ શકાય.

હવે S ના રૂપાંતરણનો દર અથવા નીપજોના નિર્માણનો દર સરખા હોવાથી

પણ પ્રક્રિયાર્થીની સાંદ્રતા અનંત થવા જાય ત્યારે Eના બધા જ અણુઓ પ્રક્રિયામાં જોડાવાથી આ વેગ તેના મહત્તમ મૂલ્ય ν_max સુધી પહોંચે છે.

અહીં અચળાંક K_m એ ઉત્સેચકના કોઈ એક સંકેન્દ્રણ વડે ν_max/2 જેટલો વેગ પ્રાપ્ત કરવા માટે પ્રક્રિયાર્થીની સાંદ્રતા બતાવે છે (આકૃતિ 5).

સમીકરણ(ii)ને મિકેઇલિસ-મેન્ટિન સમીકરણ કહે છે. ઉત્પાદન પરથી v₀ અને v_maxનાં મૂલ્યો મેળવી શકાય છે. ‘S’નું સંકેન્દ્રણ પણ જ્ઞાત હોય છે. તેથી ઉપરના સમીકરણથી K_mનું મૂલ્ય મેળવી શકાય છે.

ઉત્સેચકોના કાર્ય પર થતી તાપમાનની અસર : તાપમાન વધવાથી ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર(thermodynamics)ના નિયમ અનુસાર તંત્રમાં અવ્યવસ્થા વધવા સાથે અણુઓનો પ્રવેગ વધે છે. આને લીધે વધુ ને વધુ પરમાણુ કે અણુઓ ઝડપથી એકબીજાના સંપર્કમાં આવવાથી રાસાયણિક પ્રક્રિયાનો વેગ પણ વધે છે.

પ્રોટીનોના બનેલા ઉત્સેચકોની સક્રિયતા તેમનાં વિશિષ્ટ બંધનોની રચનાને આભારી છે. તાપમાન 0^o સે.ની આસપાસ હોય તો મોટા ભાગની જૈવી ક્રિયાનો પ્રવેગ નહિવત્ બને છે. પરંતુ તાપમાન વધતાં પ્રક્રિયાનો વેગ વધી અમુક તાપમાન સુધી વેગ ઝડપી બને છે. તાપમાનના આ આંકને ઇષ્ટતમ (optimum) તાપમાન કહે છે. માનવી શરીર માટે આ આંક 37^o સે. (98.6^o ફે.) હોય છે. ત્યારબાદ જો તાપમાન આગળ વધે તો પ્રોટીનમાં આવેલાં બંધનો ઢીલાં પડવાની પ્રક્રિયા શરૂ થાય છે. તાપમાન 70^o સે.થી આગળ જતાં વિઘટનાત્મક પ્રક્રિયા અત્યંત વેગીલી બનીને પ્રક્રિયાર્થી તેમજ ઉત્સેચકની રચનામાં અનુત્ક્રમણીય (irreversible) ફેરફારો થાય છે અને ઉત્સેચક સદંતર નિષ્ક્રિય થઈ જવાની શક્યતા રહેલી છે.

ઉત્સેચકોની ક્રિયાશીલતા પર pHની અસર : ઉત્સેચકો પ્રોટીનોના બનેલા હોવાથી pHની વધઘટની અસર સૌપ્રથમ તેના એમીનો તેમજ કાર્બૉક્સિલ સમૂહો પર થાય છે. જો pHનું મૂલ્ય ઇષ્ટતમ હોય તો પ્રક્રિયાઓનો વેગ પણ મહત્તમ હોય છે. માધ્યમમાં જો ઍસિડ ઉમેરવામાં આવે તો H⁺ આયનોની સંખ્યા વધતાં COO^– આયન H⁺ને સ્વીકારીને બિન-આયનિક ‘COOH’માં રૂપાંતરિત થાય છે. તે જ પ્રમાણે આલ્કલીની અસર હેઠળ OH^–નું પ્રમાણ વધે તો NH⁺₃ આયન ‘−NH₂’ તરીકે તટસ્થ સ્વરૂપમાં રૂપાંતરિત થાય છે.

ઍસિડ ઉમેરવાથી,

ઉપરની પ્રક્રિયાઓને અધીન, ખાસ કરીને સક્રિય કેન્દ્રો પર આવેલા આયનોમાં ફેરફાર થવાથી ઉત્સેચક નિષ્ક્રિય બનવાની શક્યતા વધે છે.

જુદા જુદા ઉત્સેચકો માટે pHનું ઇષ્ટતમ મૂલ્ય ભિન્ન ભિન્ન હોય છે. પેપ્સિન માટે આ મૂલ્ય 2ની આસપાસ છે. જ્યારે આર્જિનેઝ માટે આ મૂલ્ય 10ની આસપાસ હોય છે.

ઉત્સેચકોના અવરોધકો (inhibitors) : કેટલાંક રસાયણો ઉત્સેચકો સાથે જોડાતાં પ્રક્રિયામાં અવરોધ ઉત્પન્ન થાય છે. આ રસાયણોને અવરોધકો કહે છે. કેટલાંક ઔષધો, પ્રતિપિંડો (antibodies), વિષમય પદાર્થો, પ્રતિચયાપચયકો (antimetabolites) ઉપરાંત પ્રક્રિયાની પેદાશો પણ અવરોધકો તરીકે કાર્ય કરે છે.

પ્રતિસ્પર્ધાત્મક (competitive) અવરોધકો : પ્રાણીઓના શરીરમાં કેટલાક બેક્ટેરિયા, પેરા-એમીનો બેન્ઝોઇડ ઍસિડ(S)માંથી એક સહઉત્સેચક બનાવે છે. આ ઍસિડની સંરચના સલ્ફાનિલ એમાઇડ(S₁)ને મળતી આવે છે.

તેથી જો બેક્ટેરિયાથી પીડિત પ્રાણીને સલ્ફાનિકલ એમાઇડ ઔષધ આપવામાં આવે તો S અને S₁ બંને ઉત્સેચકો સાથે સંયોજાતા બે પ્રકારના ઉત્સેચક-પ્રક્રિયાર્થી સંકીર્ણો બને છે.

ES + S + S₁ ES + ES₁ → EP + ES₁

ઉપરની પ્રક્રિયામાં ES₁માંથી જરૂરી સહઉત્સેચક બનતો નથી. તેથી આ ઔષધની અસર હેઠળ સહઉત્સેચકના અભાવમાં બેક્ટેરિયાની વૃદ્ધિ અટકી જાય છે અને દર્દી રોગમુક્ત થાય છે. આમ બંને ‘S’  અને ‘S₁’, E સાથે સંયોજાવા માટે સ્પર્ધા કરતા હોવાથી, સલ્ફાનિલ એમાઇડ જેવા અવરોધકોને પ્રતિસ્પર્ધાત્મક અવરોધક કહે છે.

અપ્રતિસ્પર્ધાત્મક અવરોધકો : અવરોધકો સાથેના જોડાણમાં બે પ્રકારની પ્રક્રિયાઓ સાધ્ય છે.

E + I EI ………………………………..(1)

E + S ES + I ESI ……………….(2)

જ્યાં I = અવરોધક

કેટલાક અવરોધકો, સમીકરણ (1) અને (2)માં દર્શાવ્યા પ્રમાણે EI અને/અથવા ESI સંકીર્ણો બનાવતા હોવાને કારણે ઉત્પાદક પ્રક્રિયા થતી નથી. આ પ્રકારના અવરોધકોને નૉનકોમ્પિટિટિવ અવરોધકો કહે છે. જ્યારે બીજા પ્રકારના અવરોધકોમાં માત્ર ‘ES’ અને/અથવા ત્યારપછી નિર્માણ થતા અન્ય સંકીર્ણો સાથે સંયોજન પામવાથી ઉત્પાદનક્રિયા થતી નથી. આ પ્રકારના અવરોધકોને અનકોમ્પિટિટિવ અવરોધકો કહે છે.

ઋણ પ્રતિપોષક અવરોધકો (negative feedback inhibitors) : ઉત્પન્ન થતાં ઉત્પાદનોના ઘટકો, પ્રક્રિયામાં અવરોધ ઉત્પન્ન કરતા હોય તો તેને ઋણ પ્રતિપોષક અવરોધકો કહે છે.

ઉપરના ઉદાહરણમાં P₁ અને P₂ સુક્રોઝ ઉત્સેચક સાથે જોડાતાં તે નિષ્ક્રિય બને છે. ઋણ પ્રતિપોષક અવરોધકોને સ્પર્ધાત્મક અવરોધકોના એક પ્રકાર તરીકે ગણી શકાય.

ઉત્સેચકો અને ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન : આમ તો ઉત્સેચકો જૈવી ક્રિયાઓ માટે અગત્યના રાસાયણિક ઉદ્દીપકોની ગરજ સારે છે. ઉપરાંત અનુકૂળ સંજોગોમાં પ્રયોગશાળામાં પણ ઉત્સેચકો ઉદ્દીપકોની ગરજ સારે છે. ઉત્સેચકોની આ ખાસિયતનો ઉપયોગ મોટા પાયા પર ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનોમાં, ખાસ કરીને દારૂ ગાળવામાં, ખાદ્ય પદાર્થો તથા રસાયણો તેમજ પ્રતિજૈવિક ઔષધો(antibiotics)ના ઉત્પાદનમાં કરવામાં આવે છે. ઔદ્યોગિક ઉત્સેચકોને મુખ્યત્વે 4 પ્રકારના સ્રોતોમાંથી મેળવી શકાય છે.

(1) વનસ્પતિ : ડાયાસ્ટેઝ, પેપેન, બ્રોમેલેન અને સેલ્યુલેઝ

(2) પ્રાણી : પેપ્સિન, રેનિન, લાયપેઝ અને સ્વાદુપિંડ(pancreas)ના ઉત્સેચકો

(3) સૂક્ષ્મજીવોની મદદથી : (अ) બેક્ટેરિયાની મદદથી એમાઇલેઝ, પ્રોટીએઝ, (आ) ફૂગની મદદથી : એમાઇલેઝ, પ્રોટીએઝ, પેક્ટિનેઝ, ગ્લુકોઝ ઑક્સિડેઝ.

(4) સંશ્લેષણથી.

ઉપયોગો : (i) ડાયાસ્ટેઝ : કાપડ ઉદ્યોગમાં કાંજી દૂર કરવા, (ii) પેપેન અને બ્રોમેલેન : માંસને નરમ બનાવવા, શોથરોધક ઔષધની બનાવટમાં, બિયરને અધિકૃત સ્વરૂપમાં સાચવવા. (iii) સેલ્યુલેઝ : ખોરાકનું પાચક ઔષધોના ઉત્પાદનમાં. (iv) પેપ્સિન : પ્રોટીનનાં પાચક ઔષધોની બનાવટમાં. (v) રેનિન : ચીઝના ઉત્પાદનમાં (vi) લાઇપેઝ : ચરબીનાં પાચક ઔષધો બનાવવામાં. (vii) સ્વાદુપિંડના ઉત્સેચકો : ખાદ્ય પદાર્થોના નિર્માણમાં (પ્રોટીનના વિઘટનમાં). (viii) એમાઇલેઝ : બેકરી ઉદ્યોગમાં અને શિશુખોરાક, સિરપ, સ્ટાર્ચ, પાચક રસો, કાગળ, ઔદ્યોગિક આલ્કોહૉલ જેવાં ઉત્પાદનો અને કાપડ ઉદ્યોગમાં. (iv) પ્રોટીએઝ : બેકરી, ડ્રાયક્લીનિંગ અને ચર્મ ઉદ્યોગમાં. (x) પેક્ટિનેઝ : દ્રાક્ષાસવ અને ફળોના રસોના ઉત્પાદનમાં. (xi) ગ્લુકોઝ ઑક્સિડેઝ : મધુમેહ-કસોટી પત્રની બનાવટમાં, તેમજ ખાદ્યપદાર્થોના ઉત્પાદનમાં. અને (xii) ઇન્વર્ટેઝ : ખાટીમીઠી ગોળીઓ(કૅન્ડી)ના ઉત્પાદનમાં.

ઉત્સેચકો સાથે સંકળાયેલ વિષયોમાં સંશોધન કરવા માટે એડવર્ડ બુકનરને 1907માં, ઓટોમેયર હોફને 1922માં, આર્થર હાર્ડેન અને હાન્સફૉન ઑઇલરને 1929માં, ઑટો વોરબર્ગને 1931માં, જે. બી. સુમ્નેર અને જે. એચ. નૉર્થ્રપને 1946માં, હાન્સ ક્રેબ્સ અને ફ્રિટઝ લિપમૅનને 1953માં તથા હ્યૂગો થિયોરેલને 1955માં નોબેલ પારિતોષિકો એનાયત થયેલાં છે.

મ. શિ. દૂબળે

ગોવિંદ પટેલ

અવિનાશ બાલાશંકર વોરા