एंज़ाइम व उपापचय के सामान्य सिद्धांत: उत्प्रेरण, बलगतिकी, संदमन, नियमन, सहएंज़ाइम तथा ATP

यह अध्याय जीवन विज्ञान (XL) पेपर के पाँच वैकल्पिक खंडों में से एक, XL1 जैव रसायन, के खंड XL1.2 का उत्तर देता है: “एंज़ाइम: उत्प्रेरण, विशिष्टता व नियमन, बलगतिकी (दो क्रियाधारों तक), एंज़ाइम संदमक; नियामक एंज़ाइम; विटामिन व सहएंज़ाइम; उपापचय के सामान्य सिद्धांत, उपापचय का हॉर्मोनी नियमन; ATP का उत्पादन व उपयोग।” यह पढ़ाता है कि एंज़ाइम सक्रियण-बाधा कैसे घटाते और अपने क्रियाधार कैसे चुनते हैं, माइकेलिस–मेन्टेन व दो-क्रियाधार बलगतिकी, संदमन के प्रकार व औषधियों के रूप में उनका उपयोग, ऐलोस्टेरिक व सहसंयोजी नियंत्रण, सहएंज़ाइमों के पीछे के विटामिन, उपापचयी व हॉर्मोनी नियंत्रण का तर्क, तथा ATP कैसे बनता और खर्च होता है। संख्यात्मक प्रश्न दरों व लाइनवीवर–बर्क आलेखों से Km व Vmax, Ki, kcat व kcat/Km, तथा कोशिकीय परिस्थितियों में ATP जल-अपघटन की मुक्त ऊर्जा पर हैं।

1. उत्प्रेरण व विशिष्टता

एंज़ाइम सक्रियण मुक्त ऊर्जा ΔG‡ घटाकर अभिक्रिया तेज़ करता है। वह ΔG°′, साम्य स्थिरांक या साम्य की स्थिति नहीं बदलता, अतः अग्र व पश्च दोनों अभिक्रियाओं को समान रूप से तेज़ करता है। दर ΔG‡ पर चरघातांकी रूप से निर्भर है: 25 °C पर इसे 5.7 kJ mol⁻¹ घटाने से दर दस गुना होती है। यह ऊर्जा बंधन से आती है: सक्रिय स्थल क्रियाधार के नहीं, संक्रमण अवस्था के पूरक है, अतः अनेक दुर्बल अन्योन्यक्रियाएँ तभी बनती हैं जब क्रियाधार उसकी ओर विकृत होता है, इसीलिए संक्रमण-अवस्था अनुरूप प्रबल संदमक होते हैं। रासायनिक रणनीतियाँ इसमें जुड़ती हैं: सामान्य अम्ल–क्षार उत्प्रेरण (राइबोन्यूक्लिएज़ A के हिस्टिडीन), सहसंयोजी उत्प्रेरण (काइमोट्रिप्सिन का Ser195), धातु-आयन उत्प्रेरण (कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A का Zn²⁺) तथा अभिक्रियाशील समूहों को पास और सही अभिविन्यास में रखना।

विशिष्टता बंधन-स्थल की आकृति व रसायन से आती है। फ़िशर का ताला-चाबी चित्र पूरकता समझाता है; कोशलैंड की प्रेरित संगति जोड़ती है कि बंधन एंज़ाइम का संरूपण बदलता है और उत्प्रेरक समूहों को केवल सही क्रियाधार के लिए संरेखित करता है। हेक्सोकाइनेज़ ग्लूकोज़ के चारों ओर बंद होकर जल को बाहर रखता है और इस तरह ATP के व्यर्थ जल-अपघटन से बचता है। एंज़ाइम त्रिविम-विशिष्ट हैं: वे D व L समावयवों में भेद करते हैं और, चूँकि क्रियाधार तीन या अधिक बिंदुओं पर जुड़ता है, सिट्रेट जैसे सममित अणु की दो समान भुजाओं में भी।

सात EC वर्ग
वर्गअभिक्रियाउदाहरण
1 ऑक्सीडोरिडक्टेज़इलेक्ट्रॉनों (हाइड्राइड या H परमाणु) का स्थानांतरणलैक्टेट डिहाइड्रोजिनेज़
2 ट्रांसफ़रेज़अणुओं के बीच किसी समूह का स्थानांतरणहेक्सोकाइनेज़, ऐमीनोट्रांसफ़रेज़
3 हाइड्रोलेज़जल द्वारा विदलनकाइमोट्रिप्सिन, लाइसोज़ाइम
4 लाइऐज़अजल-अपघटनी विदलन या द्विबंध पर योगऐल्डोलेज़, फ़्यूमरेज़
5 आइसोमरेज़एक ही अणु के भीतर पुनर्व्यवस्थाट्रायोज़ फ़ॉस्फ़ेट आइसोमरेज़
6 लाइगेज़ATP या अन्य न्यूक्लियोसाइड ट्राइफ़ॉस्फ़ेट से दो अणुओं को जोड़नाDNA लाइगेज़, पाइरुवेट कार्बोक्सिलेज़
7 ट्रांसलोकेज़ (2018 में जोड़ा गया)आयनों या अणुओं को झिल्लियों के पार ले जानाआयन-पंपक ATPase

2. माइकेलिस–मेन्टेन बलगतिकी

E + S ⇌ ES → E + P के लिए, दर-स्थिरांक k₁, k₋₁ व k₂ (= kcat) के साथ, स्थायी-अवस्था मान्यता ([S] ≫ [E] रहते [ES] स्थिर) से माइकेलिस–मेन्टेन समीकरण v₀ = Vmax[S]/(Km + [S]) मिलता है, जहाँ Km = (k₋₁ + k₂)/k₁ व Vmax = kcat[E]T। Km वह क्रियाधार-सांद्रता है जिस पर v₀ = Vmax/2; यह ES के वियोजन स्थिरांक के बराबर तभी है जब k₂ ≪ k₋₁। [S] ≪ Km पर दर S में प्रथम कोटि की है, v₀ ≈ (kcat/Km)[E]T[S]; [S] ≫ Km पर शून्य कोटि की। उपयोगी अंश: [S] = Km पर Vmax का 50%, 4Km पर 80% व 9Km पर 90%।

  • kcat, आवर्त संख्या, संतृप्त एंज़ाइम में प्रति सक्रिय स्थल प्रति सेकंड बदले जाने वाले क्रियाधार अणुओं की संख्या है।
  • kcat/Km, विशिष्टता स्थिरांक, निम्न [S] पर E + S का द्वितीय कोटि दर-स्थिरांक है। यह प्रतिस्पर्धी क्रियाधारों को क्रम देता है और विसरण इसे लगभग 10⁸–10⁹ M⁻¹ s⁻¹ पर सीमित करता है, जिसके निकट ट्रायोज़ फ़ॉस्फ़ेट आइसोमरेज़ व ऐसीटिलकोलीनएस्टरेज़ पहुँचते हैं।
  • लाइनवीवर–बर्क (द्वि-व्युत्क्रम) आलेख: 1/v₀ = (Km/Vmax)(1/[S]) + 1/Vmax, अतः y-अंतःखंड 1/Vmax, x-अंतःखंड −1/Km व ढाल Km/Vmax है। यह निम्न-[S] बिंदुओं को अधिक भार देता है, जिनमें सबसे अधिक त्रुटि होती है; ईडी–हॉफ़स्टी आलेख (v₀ बनाम v₀/[S], ढाल −Km) आँकड़ों को अधिक समान रूप से फैलाता है।
🧠 हल किया गया उदाहरण
दो दरें दोनों स्थिरांक तय कर देती हैं। यदि 1 mM S पर v₀ = 20 µmol min⁻¹ व 4 mM पर 40 µmol min⁻¹ हो, तो दोनों के लिए Vmax = v₀(Km + [S])/[S] लिखें: 20(Km + 1) = 10(Km + 4), अतः Km = 2 mM व Vmax = 60 µmol min⁻¹। जाँच: 60 × 4/6 = 40।

3. दो क्रियाधारों वाली बलगतिकी

अधिकांश एंज़ाइमों के दो क्रियाधार होते हैं (A + B ⇌ P + Q)। अनुक्रमिक क्रियाविधियों में कोई उत्पाद निकलने से पहले दोनों क्रियाधार जुड़कर त्रिक संकुल EAB बनाते हैं; बंधन क्रमित (लैक्टेट डिहाइड्रोजिनेज़ पाइरुवेट से पहले NADH बाँधता है) या यादृच्छिक हो सकता है। पिंग-पोंग (द्वि-विस्थापन) क्रियाविधि में पहला क्रियाधार एक समूह एंज़ाइम को सौंपता है और दूसरे क्रियाधार के जुड़ने से पहले पहला उत्पाद निकल जाता है, एक प्रतिस्थापित एंज़ाइम E* के माध्यम से। ऐमीनोट्रांसफ़रेज़ ऐमीनो समूह को एंज़ाइम-बद्ध पिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेट व पिरिडॉक्सामीन फ़ॉस्फ़ेट के माध्यम से ढोते हैं; काइमोट्रिप्सिन का ऐसिल-एंज़ाइम इसी तर्क पर चलता है।

क्रियाविधियों में भेद B की कई स्थिर सांद्रताओं पर [A] के साथ v₀ मापकर और 1/v₀ को 1/[A] के विरुद्ध आलेखित करके होता है। अनुक्रमिक क्रियाविधियाँ ऐसी रेखाएँ देती हैं जो 1/v₀ अक्ष के बाईं ओर प्रतिच्छेद करती हैं, क्योंकि [B] ढाल व अंतःखंड दोनों बदलता है; पिंग-पोंग समांतर रेखाएँ देता है, क्योंकि [B] केवल अंतःखंड बदलता है। फिर उत्पाद-संदमन के प्रतिरूप क्रमित व यादृच्छिक बंधन को अलग करते हैं, और B की अनुपस्थिति में A व P के बीच समस्थानिक-विनिमय पिंग-पोंग के प्रतिस्थापित एंज़ाइम को उजागर करता है।

4. एंज़ाइम संदमक

उत्क्रमणीय संदमक असहसंयोजी रूप से जुड़ता है और एक संदमन स्थिरांक से वर्णित होता है। मुक्त E से बंधन हेतु α = 1 + [I]/Ki तथा ES से बंधन हेतु α′ = 1 + [I]/Ki′ परिभाषित करें।

उत्क्रमणीय संदमन एक दृष्टि में
प्रकारकिससे जुड़ता हैआभासी Vmaxआभासी Kmलाइनवीवर–बर्क रेखाएँ
प्रतिस्पर्धीमुक्त E, सक्रिय स्थल परअपरिवर्तितαKm1/v₀ अक्ष पर मिलती हैं
अस्पर्धी (uncompetitive)केवल ESVmax/α′Km/α′समांतर
मिश्रितE व ES, Ki ≠ Ki′Vmax/α′αKm/α′1/v₀ अक्ष के बाईं ओर, 1/[S] अक्ष से हटकर मिलती हैं
शुद्ध अप्रतिस्पर्धी (noncompetitive)E व ES समान रूप सेVmax/αअपरिवर्तित1/[S] अक्ष पर मिलती हैं

प्रतिस्पर्धी संदमन [S] बढ़ाकर दूर हो जाता है; अस्पर्धी संदमन नहीं होता, और [S] बढ़ने के साथ प्रबल होता है। उदाहरण: 15 µM प्रतिस्पर्धी संदमक आभासी Km को 2.0 से 8.0 mM कर देता है, अतः α = 4 व Ki = 15/3 = 5 µM। अनुत्क्रमणीय संदमक सहसंयोजी बंध बनाते हैं या इतनी दृढ़ता से जुड़ते हैं कि डायलिसिस उन्हें नहीं हटाता, अतः वे सक्रिय एंज़ाइम की मात्रा घटाते हैं: समूह-विशिष्ट अभिकर्मक (सक्रिय-स्थल Ser पर डाइआइसोप्रोपिल फ़्लोरोफ़ॉस्फ़ेट, Cys पर आयोडोऐसीटामाइड), बंधुता-चिह्नक (काइमोट्रिप्सिन के His57 पर TPCK) तथा क्रियाविधि-आधारित (आत्मघाती) निष्क्रियक, जिन्हें लक्ष्य एंज़ाइम स्वयं अभिक्रियाशील रूप में बदलता है। अनेक औषधियाँ संदमक हैं: स्टैटिन HMG-CoA रिडक्टेज़ पर HMG-CoA से प्रतिस्पर्धा करते हैं; मीथोट्रेक्सेट फ़ोलेट-अनुरूप के रूप में डाइहाइड्रोफ़ोलेट रिडक्टेज़ से अत्यंत दृढ़ता से जुड़ता है; ऐस्पिरिन साइक्लोऑक्सीजिनेज़ के एक Ser का ऐसीटिलन करती है; पेनिसिलिन पेप्टिडोग्लाइकन को तिर्यक-बद्ध करने वाले ट्रांसपेप्टिडेज़ का ऐसिलन करता है; और ऐलोप्यूरिनॉल को ज़ैन्थीन ऑक्सीडेज़ ऑक्सीप्यूरिनॉल में बदलता है, जो बँधा रह जाता है।

⚠️ परीक्षा जाल
शुद्ध अप्रतिस्पर्धी संदमक व अनुत्क्रमणीय निष्क्रियक दोनों Vmax घटाते हैं और Km अपरिवर्तित छोड़ते हैं, और उनके आलेख एक-से दिखते हैं। डायलिसिस या जेल-निस्यंदन उन्हें अलग करता है: सक्रियता तभी लौटती है जब संदमक उत्क्रमणीय हो।

5. नियमन व नियामक एंज़ाइम

मार्गों का नियंत्रण कुछ प्रतिबद्ध, प्रायः अनुत्क्रमणीय चरणों पर नियामक एंज़ाइमों द्वारा होता है। ऐलोस्टेरिक एंज़ाइमों में अलग नियामक स्थल होते हैं, वे प्रायः बहु-उप-इकाई होते हैं, और [S] के विरुद्ध v₀ के सिग्मॉइड वक्र देते हैं, जिन्हें Km के स्थान पर K0.5 से वर्णित किया जाता है; सक्रियक वक्र को बाईं ओर व संदमक दाईं ओर खिसकाते हैं। शास्त्रीय उदाहरण E. coli का ऐस्पार्टेट ट्रांसकार्बामॉयलेज़ (ATCase) है, जो ऐस्पार्टेट को पिरिमिडीन संश्लेषण के लिए प्रतिबद्ध करता है। इसमें छह उत्प्रेरक व छह नियामक शृंखलाएँ हैं; अंतिम उत्पाद CTP इसे संदमित करता है (पुनर्भरण संदमन) और ATP सक्रिय करता है, जिससे प्यूरीन व पिरिमिडीन की आपूर्ति संतुलित रहती है। नियामक शृंखलाओं से अलग किए गए उत्प्रेरक त्रितय सक्रिय रहते हैं पर अतिपरवलयिक बलगतिकी देते हैं और CTP व ATP से अप्रभावित रहते हैं। इसी प्रकार फ़ॉस्फ़ोफ़्रक्टोकाइनेज़-1 को ATP व सिट्रेट संदमित तथा AMP व फ़्रक्टोज़ 2,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट सक्रिय करते हैं।

  • उत्क्रमणीय सहसंयोजी रूपांतरण, मुख्यतः काइनेज़ों द्वारा फ़ॉस्फ़ोरिलन व फ़ॉस्फ़ेटेज़ों द्वारा उसका उत्क्रमण, सेकंडों से मिनटों में कार्य करता है: फ़ॉस्फ़ोरिलन ग्लाइकोजन फ़ॉस्फ़ोरिलेज़ को सक्रिय तथा ग्लाइकोजन सिंथेज़ व पाइरुवेट डिहाइड्रोजिनेज़ को निष्क्रिय करता है।
  • ज़ाइमोजनों (ट्रिप्सिनोजन, काइमोट्रिप्सिनोजन, स्कंदन कारक) का प्रोटीनी सक्रियण एंज़ाइम को एक बार व अनुत्क्रमणीय रूप से चालू करता है।
  • आइसोज़ाइम बलगतिकी को ऊतकों के अनुरूप बनाते हैं। हेक्सोकाइनेज़ I का Km रक्त-ग्लूकोज़ से बहुत कम है और ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट इसे संदमित करता है; यकृत व अग्न्याशय की β-कोशिकाओं का ग्लूकोकाइनेज़ कई मिलीमोलर ग्लूकोज़ पर ही अर्ध-संतृप्त होता है और ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट से संदमित नहीं होता, अतः भोजन के बाद रक्त-ग्लूकोज़ के बढ़ने पर प्रतिक्रिया करता है।
  • प्रेरण, दमन व अपघटन से तय होने वाली एंज़ाइम की मात्रा घंटों में कार्य करने वाला धीमा नियंत्रण है।

6. विटामिन व सहएंज़ाइम

अनेक एंज़ाइमों को एक अप्रोटीनी सहकारक चाहिए, धातु-आयन या कार्बनिक सहएंज़ाइम; दृढ़ता से या सहसंयोजी रूप से बँधा सहकारक कृत्रिम समूह (prosthetic group) है (हीम, सक्सिनेट डिहाइड्रोजिनेज़ का FAD, बायोटिन)। एपोएंज़ाइम व सहकारक मिलकर सक्रिय होलोएंज़ाइम बनाते हैं। अधिकांश जल-विलेय विटामिन सहएंज़ाइमों के पूर्ववर्ती हैं, अतः उनकी कमी उन अभिक्रियाओं की विफलता के रूप में दिखती है जिन्हें वह सहएंज़ाइम चाहिए। वसा-विलेय विटामिनों में केवल K सहएंज़ाइम का कार्य करता है; A से रोडॉप्सिन का 11-सिस-रेटिनल, D से हॉर्मोन कैल्सिट्रिऑल बनता है, और E झिल्ली का प्रतिऑक्सीकारक है।

विटामिन, उनके सहएंज़ाइम व कमी में क्या विफल होता है
विटामिनसहएंज़ाइम रूपअभिक्रिया (उदाहरण)कमी
B1 थायमीनथायमीन पाइरोफ़ॉस्फ़ेटα-कीटो अम्लों का ऑक्सीकारी विकार्बोक्सिलन (पाइरुवेट डिहाइड्रोजिनेज़); ट्रांसकीटोलेज़बेरीबेरी; मद्यव्यसन में वर्निके–कोर्साकॉफ़ संलक्षण
B2 राइबोफ़्लेविनFMN, FADअपचयोपचय (सक्सिनेट व ऐसिल-CoA डिहाइड्रोजिनेज़)ओष्ठ-विदरण, जिह्वा-शोथ
B3 नियासिनNAD⁺, NADP⁺डिहाइड्रोजिनेज़ों द्वारा हाइड्राइड स्थानांतरणपेलाग्रा (त्वचाशोथ, अतिसार, मनोभ्रंश)
B5 पैंटोथिनेटसहएंज़ाइम A, ऐसिल वाहक प्रोटीनथायोएस्टर के रूप में ऐसिल स्थानांतरणदुर्लभ
B6 पिरिडॉक्सीनपिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेटट्रांसऐमिनेशन (ऐमीनो-समूह स्थानांतरण), अमीनो अम्ल विकार्बोक्सिलन; ग्लाइकोजन फ़ॉस्फ़ोरिलेज़तंत्रिकाविकृति, उदाहरणतः आइसोनियाज़िड उपचार में
B7 बायोटिनएंज़ाइम-बद्ध बायोटिनATP-निर्भर कार्बोक्सिलन (पाइरुवेट कार्बोक्सिलेज़, ऐसीटिल-CoA कार्बोक्सिलेज़)दुर्लभ; कच्चे अंडे की सफ़ेदी का ऐविडिन इसे बाँधता है
B9 फ़ोलेटटेट्राहाइड्रोफ़ोलेटएक-कार्बन स्थानांतरण (प्यूरीन, थाइमिडिलेट)मेगालोब्लास्टिक रक्ताल्पता; तंत्रिका-नलिका दोष
B12 कोबालामिनमिथाइलकोबालामिन, 5′-डीऑक्सीऐडिनोसिलकोबालामिनमेथियोनीन सिंथेज़; मिथाइलमैलोनिल-CoA म्यूटेज़तंत्रिका-क्षति सहित मेगालोब्लास्टिक रक्ताल्पता (प्रणाशी रक्ताल्पता)
C ऐस्कॉर्बेटस्वयं ऐस्कॉर्बेट, अपचायक के रूप मेंकोलेजन के प्रोलिल व लाइसिल हाइड्रॉक्सिलेज़स्कर्वी
Kअपचित विटामिन Kस्कंदन कारकों II, VII, IX, X में Glu का γ-कार्बोक्सिलनरक्तस्राव; वारफ़ेरिन इसके पुनर्चक्रण को रोकता है

7. उपापचय के सामान्य सिद्धांत व उसका हॉर्मोनी नियमन

अपचय ईंधनों को तोड़ता है, कुछ मध्यवर्तियों (पाइरुवेट, ऐसीटिल-CoA, सिट्रिक अम्ल चक्र के मध्यवर्ती) पर अभिसरित होता है और ऊर्जा को ATP के रूप में तथा अपचायक शक्ति को NADH व FADH₂ के रूप में संचित करता है; उपचय इन्हीं मध्यवर्तियों से अपसरित होकर वृहदणु बनाता है और ATP व NADPH खर्च करता है। चार सिद्धांत बार-बार आते हैं। विपरीत मार्ग कभी सीधे उत्क्रमण नहीं होते: कम से कम एक चरण भिन्न, अनुत्क्रमणीय अभिक्रिया का उपयोग करता है (ग्लाइकोलिसिस में फ़ॉस्फ़ोफ़्रक्टोकाइनेज़-1 बनाम ग्लूकोनियोजेनेसिस में फ़्रक्टोज़ 1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेटेज़), अतः प्रत्येक दिशा अनुकूल रहती है, अलग से नियंत्रित हो सकती है, और व्यर्थ चक्रण से बचाव होता है। नियंत्रण साम्य से दूर वाले चरणों पर होता है, जिनमें ΔG बड़ा ऋणात्मक व द्रव्य-अनुपात K′eq से बहुत कम होता है, जबकि साम्य-निकट चरण केवल प्रवाह का अनुसरण करते हैं। NADH अपचय की और NADPH जैवसंश्लेषण की सेवा करता है। कोष्ठ विपरीत मार्गों को अलग रखते हैं, जैसे कोशिकाद्रव्य में वसा-अम्ल संश्लेषण व माइटोकॉन्ड्रिया में β-ऑक्सीकरण।

भोजन–उपवास परिवर्तन तय करने वाले हॉर्मोन
हॉर्मोनसंकेत व ग्राहीमुख्य उपापचयी प्रभाव
इंसुलिनउच्च रक्त-ग्लूकोज़; यकृत, पेशी, वसा ऊतक पर ग्राही टायरोसीन काइनेज़पेशी व वसा में GLUT4 झिल्ली पर आता है; ग्लाइकोजन, वसा व प्रोटीन संश्लेषण बढ़ते हैं; ग्लूकोनियोजेनेसिस व वसा-अपघटन घटते हैं
ग्लूकागॉननिम्न रक्त-ग्लूकोज़; मुख्यतः यकृत, Gs, cAMP व प्रोटीन काइनेज़ A के माध्यम सेग्लाइकोजन-अपघटन व ग्लूकोनियोजेनेसिस बढ़ते हैं; फ़्रक्टोज़ 2,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट घटता है, जिससे ग्लाइकोलिसिस धीमा होता है
एपिनेफ़्रिनतनाव व व्यायाम; पेशी, यकृत, वसा में β-ऐड्रिनर्जिक ग्राही व cAMPग्लाइकोजन-अपघटन; पेशी में ग्लाइकोलिसिस; वसा में वसा-अपघटन
कॉर्टिसॉलदीर्घ तनाव या उपवास; अंतःकोशिकीय (केंद्रकीय) ग्राहीग्लूकोनियोजेनिक एंज़ाइमों का प्रेरण; पेशी-प्रोटीन अपघटन अमीनो अम्ल देता है

टाइप 1 मधुमेह में इंसुलिन के अभाव से ग्लूकागॉन निर्विरोध रहता है: यकृत ग्लूकोज़ छोड़ता रहता है, वसा ऊतक वसा-अम्ल छोड़ता है, और यकृत अतिरिक्त ऐसीटिल-CoA को कीटोन पिंडों में बदलता है, जिससे कीटोअम्लरक्तता होती है।

8. ATP का उत्पादन व उपयोग

ATP का ADP + Pi में जल-अपघटन ΔG°′ ≈ −30.5 kJ mol⁻¹ रखता है। चार प्रभाव इसे बड़ा बनाते हैं: ऋणावेशित फ़ॉस्फ़ेटों के बीच प्रतिकर्षण से मुक्ति, मुक्त Pi का अनुनाद स्थायित्व, ADP का आयनन (pH 7 पर H⁺ मुक्त होना) तथा उत्पादों का बेहतर विलायकन। अधिकांश एंज़ाइमों का वास्तविक क्रियाधार Mg²⁺·ATP है। कोशिकाएँ [ATP] को साम्य से बहुत ऊपर रखती हैं, अतः वास्तविक ΔG = ΔG°′ + RT ln([ADP][Pi]/[ATP]) लगभग −50 से −65 kJ mol⁻¹ है। 310 K पर ATP 4.0, ADP 0.40 व Pi 2.0 mM का उदाहरण: अनुपात 2.0 × 10⁻⁴, ln = −8.52, RT = 2.577 kJ mol⁻¹, अतः ΔG = −30.5 − 21.95 ≈ −52 kJ mol⁻¹।

फ़ॉस्फ़ोरिल-स्थानांतरण विभव (जल-अपघटन का मानक ΔG°′, kJ mol⁻¹, मानक पाठ्यपुस्तकों के अनुसार)
यौगिकΔG°′भूमिका
फ़ॉस्फ़ोइनॉलपाइरुवेट−61.9पाइरुवेट काइनेज़ द्वारा ATP बनाता है
1,3-बिसफ़ॉस्फ़ोग्लिसरेट−49.3फ़ॉस्फ़ोग्लिसरेट काइनेज़ द्वारा ATP बनाता है
फ़ॉस्फ़ोक्रिएटिन−43.0पेशी में ATP बफ़र (क्रिएटिन काइनेज़)
ATP → ADP + Pi−30.5मध्यवर्ती वाहक
ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट−13.8हेक्सोकाइनेज़ द्वारा ATP से बनता है
ग्लिसरॉल 3-फ़ॉस्फ़ेट−9.2ग्लिसरॉल काइनेज़ द्वारा ATP से बनता है

ATP से ऊपर के यौगिक ADP का फ़ॉस्फ़ोरिलन कर सकते हैं और ATP अपने से नीचे वालों का, अतः ATP फ़ॉस्फ़ोरिल समूहों का मध्यवर्ती वाहक है। ATP का उत्पादन क्रियाधार-स्तरीय फ़ॉस्फ़ोरिलन (ग्लाइकोलिसिस में फ़ॉस्फ़ोग्लिसरेट काइनेज़ व पाइरुवेट काइनेज़, सिट्रिक अम्ल चक्र में सक्सिनिल-CoA सिंथेटेज़), ऑक्सीकारी फ़ॉस्फ़ोरिलन, जिसमें ATP सिंथेज़ श्वसन-शृंखला के प्रोटॉन-प्रेरक बल से चलता है, तथा प्रकाश-फ़ॉस्फ़ोरिलन से होता है। इसका उपयोग युग्मन से होता है: समूह-स्थानांतरण प्रतिकूल चरणों को अनुकूल बनाता है (ग्लूकोज़ + Pi → ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट, +13.8 kJ mol⁻¹, ATP से युग्मित होकर −16.7 kJ mol⁻¹ हो जाता है); यह परिवहन (Na⁺/K⁺-ATPase), गति (मायोसिन) व बहुलक संश्लेषण चलाता है, जहाँ AMP + PPi में विदलन तथा पाइरोफ़ॉस्फ़ेटेज़ द्वारा PPi का जल-अपघटन चरण को व्यवहारतः अनुत्क्रमणीय बना देते हैं।

🎯 AMP चेतावनी संकेत क्यों है
ऐडिनिलेट काइनेज़ (2 ADP ⇌ ATP + AMP) ऐडिनिलेटों को साम्य के निकट रखता है। चूँकि [ATP], [AMP] से बहुत अधिक है, ATP में 10% की गिरावट AMP को कई गुना बढ़ा सकती है, अतः फ़ॉस्फ़ोफ़्रक्टोकाइनेज़-1, ग्लाइकोजन फ़ॉस्फ़ोरिलेज़ b व AMP-सक्रियित प्रोटीन काइनेज़ को सक्रिय करने वाला AMP संवेदनशील चेतावनी है। ऐटकिन्सन का ऊर्जा आवेश, ([ATP] + ½[ADP])/([ATP] + [ADP] + [AMP]), लगभग 0.8–0.95 पर बना रहता है; 4.0, 0.8 व 0.2 mM के लिए यह 4.4/5.0 = 0.88 है।

मुख्य बिंदु

  • एंज़ाइम संक्रमण अवस्था को क्रियाधार से अधिक दृढ़ता से बाँधकर ΔG‡ घटाते हैं; वे ΔG°′ या K′eq नहीं बदलते। अम्ल–क्षार, सहसंयोजी, धातु-आयन व सामीप्य प्रभाव बंधन-ऊर्जा में जुड़ते हैं, और प्रेरित संगति व बहु-बिंदु बंधन विशिष्टता देते हैं।
  • v₀ = Vmax[S]/(Km + [S]); Km = (k₋₁ + kcat)/k₁ वह [S] है जो Vmax/2 देता है; kcat = Vmax/[E]T; kcat/Km दक्षता मापता है, जिसे विसरण लगभग 10⁸–10⁹ M⁻¹ s⁻¹ पर सीमित करता है। लाइनवीवर–बर्क आलेख में y-अंतःखंड 1/Vmax, x-अंतःखंड −1/Km व ढाल Km/Vmax है।
  • अनुक्रमिक दो-क्रियाधार क्रियाविधियाँ त्रिक संकुल बनाती हैं और प्रतिच्छेदी द्वि-व्युत्क्रम रेखाएँ देती हैं; पिंग-पोंग क्रियाविधियाँ प्रतिस्थापित एंज़ाइम से गुज़रती हैं और समांतर रेखाएँ देती हैं।
  • प्रतिस्पर्धी संदमक Km बढ़ाते हैं (α = 1 + [I]/Ki), अस्पर्धी Vmax व Km साथ-साथ घटाते हैं, शुद्ध अप्रतिस्पर्धी केवल Vmax घटाते हैं; अनुत्क्रमणीय व आत्मघाती निष्क्रियक डायलिसिस के बाद भी बने रहते हैं। स्टैटिन, मीथोट्रेक्सेट, ऐस्पिरिन, पेनिसिलिन व ऐलोप्यूरिनॉल एंज़ाइम संदमक हैं।
  • प्रवाह का नियंत्रण अनुत्क्रमणीय प्रतिबद्ध चरणों पर ऐलोस्टेरिक एंज़ाइमों (ATCase: CTP संदमित, ATP सक्रिय करता है; PFK-1), फ़ॉस्फ़ोरिलन, ज़ाइमोजन सक्रियण, आइसोज़ाइम व एंज़ाइम-मात्रा से होता है; इंसुलिन बनाम ग्लूकागॉन, एपिनेफ़्रिन व कॉर्टिसॉल भोजन–उपवास परिवर्तन तय करते हैं। जल-विलेय विटामिन सहएंज़ाइमों के पूर्ववर्ती हैं, और प्रत्येक कमी विफल अभिक्रियाओं से जुड़ी है।
  • ATP जल-अपघटन का ΔG°′ ≈ −30.5 kJ mol⁻¹ है पर कोशिकाओं में ΔG = ΔG°′ + RT ln([ADP][Pi]/[ATP]) से लगभग −50 से −65 kJ mol⁻¹। ATP का मध्यवर्ती फ़ॉस्फ़ोरिल-स्थानांतरण विभव उसे उच्च-ऊर्जा दाताओं (PEP, 1,3-BPG, फ़ॉस्फ़ोक्रिएटिन) व ग्राहियों के बीच वाहक बनाता है; AMP व ऊर्जा आवेश कोशिका की ऊर्जा-स्थिति बताते हैं।

अभ्यास प्रश्न (18)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. कौन-सा कथन किसी एंज़ाइम का उसके द्वारा उत्प्रेरित अभिक्रिया पर प्रभाव सही वर्णित करता है?

    1. यह ΔG°′ को अधिक ऋणात्मक बनाता है, जिससे साम्य उत्पादों की ओर अधिक खिसक जाता है
    2. यह उत्पाद को क्रियाधार से अधिक दृढ़ता से बाँधकर साम्य स्थिरांक बढ़ाता है
    3. यह ΔG‡ घटाता है, जिससे K′eq बदले बिना अग्र व पश्च अभिक्रियाएँ समान रूप से तेज़ होती हैं
    4. यह क्रियाधार को मुक्त ऊर्जा देता है जिससे प्रतिकूल अभिक्रिया अपने-आप आगे बढ़ती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — यह ΔG‡ घटाता है, जिससे K′eq बदले बिना अग्र व पश्च अभिक्रियाएँ समान रूप से तेज़ होती हैं

    उत्प्रेरक संक्रमण अवस्था को स्थिर कर सक्रियण मुक्त ऊर्जा घटाता है; चूँकि वही संक्रमण अवस्था अग्र व पश्च दोनों पथों पर है, दोनों दरें समान गुणक से बढ़ती हैं और K′eq (जो ΔG°′ तय करता है) अपरिवर्तित रहता है। एंज़ाइम ΔG°′ नहीं बदल सकता न मुक्त ऊर्जा दे सकता है; प्रतिकूल अभिक्रिया चलाने हेतु उसे अनुकूल अभिक्रिया, जैसे ATP जल-अपघटन, से युग्मित करना पड़ता है, जो उत्प्रेरण से अलग विषय है।

  2. पिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेट का उपयोग करने वाला एक एंज़ाइम L-ग्लूटामेट + पाइरुवेट ⇌ α-कीटोग्लूटेरेट + L-ऐलानीन उत्प्रेरित करता है। यह किस EC वर्ग का है?

    1. ऑक्सीडोरिडक्टेज़, क्योंकि अभिक्रिया में ग्लूटामेट एक α-कीटो अम्ल में बदलता है
    2. ट्रांसफ़रेज़, क्योंकि एक ऐमीनो समूह एक अणु से दूसरे में ले जाया जाता है
    3. लाइगेज़, क्योंकि उत्पाद ऐलानीन में एक नया कार्बन–नाइट्रोजन बंध बनता है
    4. लाइऐज़, क्योंकि जल के उपयोग के बिना ग्लूटामेट से एक समूह हटाया जाता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — ट्रांसफ़रेज़, क्योंकि एक ऐमीनो समूह एक अणु से दूसरे में ले जाया जाता है

    यह ऐमीनोट्रांसफ़रेज़ (ट्रांसऐमिनेज़), EC वर्ग 2, है: ऐमीनो समूह ग्लूटामेट से एंज़ाइम के पिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेट पर और फिर पाइरुवेट पर जाता है, NAD⁺ जैसे किसी बाह्य इलेक्ट्रॉन-ग्राही के बिना। ऑक्सीडोरिडक्टेज़ उत्तर इसलिए लुभाता है कि ग्लूटामेट कीटो अम्ल बनता है, पर इलेक्ट्रॉन युग्मित क्रियाधारों के भीतर ही रहते हैं। लाइगेज़ को ATP चाहिए, और लाइऐज़ किसी दूसरे क्रियाधार को समूह स्थानांतरित नहीं करते।

  3. ग्लाइकोलिसिस व ग्लूकोनियोजेनेसिस अपने अधिकांश एंज़ाइम साझा करते हैं पर तीन चरणों पर भिन्न एंज़ाइमों का उपयोग करते हैं। ग्लाइकोलिसिस के इन तीन चरणों को सीधे उल्टा न चलाने का मुख्य कारण क्या है?

    1. तीनों चरण कोशिका के भिन्न कोष्ठों में होते हैं, अतः एक ही एंज़ाइम अपने दोनों क्रियाधारों तक कभी नहीं पहुँच सकता
    2. ग्लूकोनियोजेनेसिस NADH के स्थान पर NADPH का उपयोग करता है, अतः उसे भिन्न सहएंज़ाइम-स्थल वाले एंज़ाइम चाहिए
    3. उपवास में ग्लाइकोलिसिस के एंज़ाइम अपघटित हो जाते हैं और उन्हें भिन्न प्रोटीनों से बदलना पड़ता है
    4. कोशिकाओं में उन चरणों का ΔG बड़ा ऋणात्मक है, अतः अलग अनुत्क्रमणीय अभिक्रियाएँ चाहिए जो अलग नियंत्रण संभव करती हैं
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — कोशिकाओं में उन चरणों का ΔG बड़ा ऋणात्मक है, अतः अलग अनुत्क्रमणीय अभिक्रियाएँ चाहिए जो अलग नियंत्रण संभव करती हैं

    हेक्सोकाइनेज़, फ़ॉस्फ़ोफ़्रक्टोकाइनेज़-1 व पाइरुवेट काइनेज़ बड़े ऋणात्मक ΔG के साथ साम्य से दूर कार्य करते हैं, अतः उनका उत्क्रमण अत्यंत प्रतिकूल है; ग्लूकोनियोजेनेसिस इन्हें भिन्न, स्वयं भी ऊष्माक्षेपी अभिक्रियाओं (पाइरुवेट कार्बोक्सिलेज़ व PEP कार्बोक्सीकाइनेज़, फ़्रक्टोज़ 1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेटेज़, ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेटेज़) से लाँघता है। अलग एंज़ाइम दोनों मार्गों के व्युत्क्रम नियमन को संभव करते हैं और व्यर्थ चक्रण से बचाते हैं। यह बाईपास NADPH से नहीं समझाया जाता, जिसका ग्लूकोनियोजेनेसिस उपयोग नहीं करता, न ही एंज़ाइम-अपघटन से।

  4. एक एंज़ाइम माइकेलिस–मेन्टेन बलगतिकी का पालन करता है। समान एंज़ाइम-सांद्रता पर प्रारंभिक दर [S] = 2.0 mM पर 30 µmol min⁻¹ व [S] = 6.0 mM पर 50 µmol min⁻¹ है। Vmax, µmol min⁻¹ में, क्या है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 75

    Vmax = v₀(Km + [S])/[S] दोनों बिंदुओं पर समान होना चाहिए: 30(Km + 2)/2 = 50(Km + 6)/6, अतः 15Km + 30 = 8.333Km + 50, जिससे Km = 3.0 mM। तब Vmax = 15 × (3 + 2) = 75 µmol min⁻¹। जाँच: 75 × 6/9 = 50। ऊँची दर (50) को ही Vmax मान लेना प्रचलित भूल है।

  5. एक एंज़ाइम का लाइनवीवर–बर्क आलेख (1/v₀, min µM⁻¹ में, बनाम 1/[S], µM⁻¹ में) सीधी रेखा है जिसकी ढाल 0.040 min व y-अंतःखंड 0.0125 min µM⁻¹ है। Km, µM में, क्या है? उत्तर एक दशमलव स्थान तक दें।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 3.2

    y-अंतःखंड = 1/Vmax, अतः Vmax = 1/0.0125 = 80 µM min⁻¹। ढाल = Km/Vmax, अतः Km = 0.040 × 80 = 3.2 µM। इसी प्रकार x-अंतःखंड −0.0125/0.040 = −0.3125 µM⁻¹ = −1/Km है, जिससे Km = 3.2 µM।

  6. 10 nM कुल सक्रिय-स्थल सांद्रता पर एक शुद्ध एंज़ाइम Vmax = 5.0 µM s⁻¹ व Km = 25 µM देता है। उसका विशिष्टता स्थिरांक kcat/Km, 10⁶ M⁻¹ s⁻¹ की इकाइयों में, क्या है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 20

    kcat = Vmax/[E]T = (5.0 × 10⁻⁶ M s⁻¹)/(10 × 10⁻⁹ M) = 500 s⁻¹। kcat/Km = 500/(25 × 10⁻⁶ M) = 2.0 × 10⁷ M⁻¹ s⁻¹ = 20 × 10⁶ M⁻¹ s⁻¹, जो विसरण-सीमा का लगभग दसवाँ भाग है। µM व nM को M में न बदलने से उत्तर दस की घातों से गलत आते हैं।

  7. A + B → P + Q उत्प्रेरित करने वाले एंज़ाइम के लिए B की कई स्थिर सांद्रताओं पर [A] के साथ प्रारंभिक दरें मापी जाती हैं। निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. पिंग-पोंग क्रियाविधि में विभिन्न स्थिर [B] पर 1/v₀ बनाम 1/[A] के आलेख समांतर रेखाएँ होते हैं
    2. ऐसे आलेखों में 1/v₀ अक्ष के बाईं ओर प्रतिच्छेद करने वाली रेखाएँ दिखाती हैं कि कोई त्रिक संकुल EAB नहीं बनता
    3. ऐमीनोट्रांसफ़रेज़ त्रिक संकुल वाली क्रमित अनुक्रमिक क्रियाविधि के मानक उदाहरण हैं
    4. पिंग-पोंग क्रियाविधि में दूसरे क्रियाधार के जुड़ने से पहले पहला उत्पाद निकल जाता है और प्रतिस्थापित एंज़ाइम बचता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — पिंग-पोंग क्रियाविधि में विभिन्न स्थिर [B] पर 1/v₀ बनाम 1/[A] के आलेख समांतर रेखाएँ होते हैं; D — पिंग-पोंग क्रियाविधि में दूसरे क्रियाधार के जुड़ने से पहले पहला उत्पाद निकल जाता है और प्रतिस्थापित एंज़ाइम बचता है

    पिंग-पोंग बलगतिकी में [B] केवल 1/v₀ बनाम 1/[A] आलेख का अंतःखंड बदलता है, अतः रेखाएँ समांतर होती हैं, और क्रियाविधि पहले उत्पाद के निकलने के बाद प्रतिस्थापित एंज़ाइम से गुज़रती है। प्रतिच्छेदी रेखाएँ अनुक्रमिक क्रियाविधियों की पहचान हैं, जो त्रिक संकुल बनाती ही हैं, अतः वह कथन उल्टा है। ऐमीनोट्रांसफ़रेज़ पिंग-पोंग का पाठ्यपुस्तकीय उदाहरण हैं, जो ऐमीनो समूह को पिरिडॉक्सामीन फ़ॉस्फ़ेट के रूप में ढोते हैं।

  8. किसी औषधि की उपस्थिति में एक एंज़ाइम का लाइनवीवर–बर्क आलेख नियंत्रण रेखा के समांतर पर ऊपर खिसकी रेखा है। औषधि किस प्रकार का संदमक है, और वह बलगतिक स्थिरांकों को कैसे बदलती है?

    1. अस्पर्धी; यह केवल ES संकुल से जुड़ती है और आभासी Vmax व Km को समान गुणक से घटाती है
    2. प्रतिस्पर्धी; यह सक्रिय स्थल पर मुक्त एंज़ाइम से जुड़ती है और Km बढ़ाती है जबकि Vmax अपरिवर्तित रहता है
    3. शुद्ध अप्रतिस्पर्धी; यह E व ES से समान रूप से जुड़ती है और Vmax घटाती है जबकि Km अपरिवर्तित रहता है
    4. मिश्रित; यह E से ES की तुलना में अधिक दृढ़ता से जुड़ती है, अतः आभासी Km बढ़ाती व आभासी Vmax घटाती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — अस्पर्धी; यह केवल ES संकुल से जुड़ती है और आभासी Vmax व Km को समान गुणक से घटाती है

    अस्पर्धी संदमक Vmax व Km दोनों को α′ से भाग देता है, अतः ढाल Km/Vmax अपरिवर्तित रहती है और केवल अंतःखंड 1/Vmax बढ़ता है: समांतर रेखाएँ। प्रतिस्पर्धी संदमन ढाल बदलता है पर y-अंतःखंड नहीं (रेखाएँ 1/v₀ अक्ष पर मिलती हैं); शुद्ध अप्रतिस्पर्धी संदमन ढाल व y-अंतःखंड बदलता है पर x-अंतःखंड नहीं (रेखाएँ 1/[S] अक्ष पर मिलती हैं); मिश्रित संदमन 1/v₀ अक्ष के बाईं ओर कटने वाली रेखाएँ देता है।

  9. 8.0 µM पर एक प्रतिस्पर्धी संदमक एंज़ाइम के आभासी Km को 1.5 mM से 4.5 mM कर देता है और Vmax अपरिवर्तित छोड़ता है। संदमक का Ki, µM में, क्या है?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 4

    प्रतिस्पर्धी संदमन में आभासी Km = αKm, जहाँ α = 1 + [I]/Ki। α = 4.5/1.5 = 3, अतः [I]/Ki = 2 व Ki = 8.0/2 = 4 µM। Ki = [I]/α (2.7 µM) लेना प्रचलित भूल है।

  10. यौगिक Z एक एंज़ाइम का Vmax घटाता है और उसका Km अपरिवर्तित छोड़ता है। कौन-सा एक प्रयोग सबसे अच्छी तरह दिखाएगा कि Z उत्क्रमणीय शुद्ध अप्रतिस्पर्धी संदमक है या अनुत्क्रमणीय निष्क्रियक?

    1. बहुत ऊँची क्रियाधार-सांद्रताओं पर प्रारंभिक दरें मापें और देखें कि संदमन दूर होता है या नहीं
    2. एंज़ाइम–Z मिश्रण का डायलिसिस या जेल-निस्यंदन कर फिर से परखें; सक्रियता तभी लौटेगी जब Z उत्क्रमणीय रूप से जुड़ा हो
    3. लाइनवीवर–बर्क आलेख बनाएँ और देखें कि Z सहित व रहित रेखाएँ 1/[S] अक्ष पर मिलती हैं या नहीं
    4. Z की कई सांद्रताओं पर Km मापें और देखें कि Z बढ़ने पर वह स्थिर रहता है या नहीं
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — एंज़ाइम–Z मिश्रण का डायलिसिस या जेल-निस्यंदन कर फिर से परखें; सक्रियता तभी लौटेगी जब Z उत्क्रमणीय रूप से जुड़ा हो

    दोनों प्रकार के संदमक एंज़ाइम के एक अंश को कार्य से हटा देते हैं और शेष की बंधुता नहीं बदलते, अतः दोनों Vmax घटाते हैं, Km अपरिवर्तित छोड़ते हैं, क्रियाधार से दूर नहीं होते और 1/[S] अक्ष पर मिलने वाली रेखाएँ देते हैं। केवल मुक्त Z को हटाना उन्हें अलग करता है: उत्क्रमणीय संदमक डायलिसिस या जेल-निस्यंदन में अलग हो जाता है और सक्रियता लौटती है, जबकि सहसंयोजी रूप से बँधा निष्क्रियक जुड़ा रहता है।

  11. एंज़ाइमों को संदमित करके कार्य करने वाली औषधियों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. स्टैटिन अस्पर्धी संदमक हैं जो केवल HMG-CoA रिडक्टेज़ के एंज़ाइम–क्रियाधार संकुल से जुड़ते हैं
    2. ऐस्पिरिन एक सेरीन अवशेष का ऐसीटिलन कर साइक्लोऑक्सीजिनेज़ को अनुत्क्रमणीय रूप से निष्क्रिय करती है
    3. ऐलोप्यूरिनॉल को ज़ैन्थीन ऑक्सीडेज़ ऑक्सीप्यूरिनॉल में बदलता है, जो दृढ़ता से बँधा रहकर एंज़ाइम को निष्क्रिय करता है
    4. मीथोट्रेक्सेट थाइमिडिलेट सिंथेज़ के सक्रिय स्थल का सहसंयोजी ऐल्किलन कर DNA संश्लेषण रोकता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — ऐस्पिरिन एक सेरीन अवशेष का ऐसीटिलन कर साइक्लोऑक्सीजिनेज़ को अनुत्क्रमणीय रूप से निष्क्रिय करती है; C — ऐलोप्यूरिनॉल को ज़ैन्थीन ऑक्सीडेज़ ऑक्सीप्यूरिनॉल में बदलता है, जो दृढ़ता से बँधा रहकर एंज़ाइम को निष्क्रिय करता है

    ऐस्पिरिन अपना ऐसीटिल समूह साइक्लोऑक्सीजिनेज़ के एक सेरीन को देती है, जो अनुत्क्रमणीय सहसंयोजी परिवर्तन है, और ऐलोप्यूरिनॉल क्रियाविधि-आधारित (आत्मघाती) निष्क्रियक है क्योंकि ज़ैन्थीन ऑक्सीडेज़ स्वयं दृढ़ता से बँधने वाला ऑक्सीप्यूरिनॉल बनाता है। स्टैटिन HMG-CoA से मिलते-जुलते हैं और सक्रिय स्थल पर उससे प्रतिस्पर्धा करते हैं; वे प्रतिस्पर्धी हैं, अस्पर्धी नहीं। मीथोट्रेक्सेट फ़ोलेट-अनुरूप है जो डाइहाइड्रोफ़ोलेट रिडक्टेज़ से अत्यंत दृढ़ता से पर असहसंयोजी रूप से जुड़ता है; थाइमिडिलेट सिंथेज़ केवल अप्रत्यक्ष रूप से, टेट्राहाइड्रोफ़ोलेट की कमी से, प्रभावित होता है।

  12. E. coli का ऐस्पार्टेट ट्रांसकार्बामॉयलेज़ सिग्मॉइड बलगतिकी दिखाता है, CTP से संदमित व ATP से सक्रिय होता है। यदि इसके उत्प्रेरक त्रितयों को नियामक शृंखलाओं से अलग कर अकेले परखा जाए, तो क्या प्रेक्षित होगा?

    1. कोई सक्रियता नहीं, क्योंकि प्रत्येक सक्रिय स्थल एक उत्प्रेरक व एक नियामक शृंखला के अंतरापृष्ठ पर बनता है
    2. सिग्मॉइड बलगतिकी जो CTP से और भी प्रबलता से संदमित होती है, क्योंकि त्रितय बंधन से मुक्त हो जाते हैं
    3. अतिपरवलयिक बलगतिकी सहित उत्प्रेरक सक्रियता जो अब न CTP से प्रभावित होती है न ATP से
    4. ATP से अप्रभावित पर CTP से अब भी संदमित सिग्मॉइड बलगतिकी, क्योंकि CTP उत्प्रेरक स्थलों से जुड़ता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — अतिपरवलयिक बलगतिकी सहित उत्प्रेरक सक्रियता जो अब न CTP से प्रभावित होती है न ATP से

    सक्रिय स्थल उत्प्रेरक त्रितयों के भीतर (आसन्न उत्प्रेरक शृंखलाओं के बीच) हैं, अतः अलग त्रितय सक्रिय होते हैं। CTP व ATP नियामक शृंखलाओं से जुड़ते हैं, अतः उनके बिना पुनर्भरण नियंत्रण नहीं रहता, और पूरे c₆r₆ संयोजन का सहकारी T⇌R परिवर्तन खो जाता है, जिससे अतिपरवलयिक बलगतिकी मिलती है। इस प्रयोग ने दिखाया कि ऐलोस्टेरिक व उत्प्रेरक स्थल भिन्न उप-इकाइयों पर हैं; अतः CTP के उत्प्रेरक स्थल पर कार्य करने का दावा गलत है।

  13. उपवास कर रहे व्यक्ति के यकृत में ग्लूकागॉन cAMP बढ़ाकर प्रोटीन काइनेज़ A को सक्रिय करता है। कौन-सा परिणाम यकृत को ग्लाइकोलिसिस से ग्लूकोनियोजेनेसिस की ओर मोड़ने में सहायक है?

    1. PKA द्विकार्यी PFK-2/FBPase-2 का फ़ॉस्फ़ोरिलन कर फ़्रक्टोज़ 2,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट घटाता है
    2. PKA ग्लाइकोजन सिंथेज़ का फ़ॉस्फ़ोरिलन कर उसे सक्रिय करता है, अतः ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट ग्लाइकोजन के रूप में संचित होता है
    3. PKA, GLUT4 वाहकों को यकृत-कोशिका की झिल्ली में लाता है ताकि ग्लूकोज़ यकृत से तेज़ी से निकले
    4. PKA फ़्रक्टोज़ 2,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट बढ़ाता है, जो PFK-1 को संदमित कर फ़्रक्टोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट को मोड़ देता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — PKA द्विकार्यी PFK-2/FBPase-2 का फ़ॉस्फ़ोरिलन कर फ़्रक्टोज़ 2,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट घटाता है

    यकृत के द्विकार्यी एंज़ाइम का फ़ॉस्फ़ोरिलन उसके काइनेज़ (PFK-2) को संदमित व फ़ॉस्फ़ेटेज़ (FBPase-2) को सक्रिय करता है, अतः फ़्रक्टोज़ 2,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट घटता है। चूँकि यह यौगिक PFK-1 को सक्रिय व फ़्रक्टोज़ 1,6-बिसफ़ॉस्फ़ेटेज़ को संदमित करता है, इसकी कमी ग्लाइकोलिसिस धीमा व ग्लूकोनियोजेनेसिस तेज़ करती है। फ़्रक्टोज़ 2,6-बिसफ़ॉस्फ़ेट PFK-1 को सक्रिय करता है, संदमित नहीं, अतः उसे बढ़ाना उल्टा प्रभाव देता; फ़ॉस्फ़ोरिलन ग्लाइकोजन सिंथेज़ को निष्क्रिय करता है; GLUT4 पेशी व वसा का इंसुलिन-नियंत्रित वाहक है, यकृत का नहीं।

  14. निम्नलिखित में से कौन-से विटामिन – सहएंज़ाइम – अभिक्रिया युग्मन सही हैं?

    1. थायमीन – थायमीन पाइरोफ़ॉस्फ़ेट – थाइमिडिलेट संश्लेषण हेतु एक-कार्बन इकाइयाँ ढोना
    2. विटामिन K – अपचित विटामिन K – कोलेजन में प्रोलीन अवशेषों का हाइड्रॉक्सिलन
    3. बायोटिन – एंज़ाइम-बद्ध बायोटिन – पाइरुवेट का ऑक्सैलोऐसीटेट में ATP-निर्भर कार्बोक्सिलन
    4. पिरिडॉक्सीन – पिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेट – अमीनो अम्लों का ट्रांसऐमिनेशन
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — बायोटिन – एंज़ाइम-बद्ध बायोटिन – पाइरुवेट का ऑक्सैलोऐसीटेट में ATP-निर्भर कार्बोक्सिलन; D — पिरिडॉक्सीन – पिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेट – अमीनो अम्लों का ट्रांसऐमिनेशन

    पाइरुवेट कार्बोक्सिलेज़ CO₂ को बायोटिन पर ढोता है, और ऐमीनोट्रांसफ़रेज़ पिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेट का उपयोग करते हैं। थाइमिडिलेट हेतु एक-कार्बन इकाइयाँ टेट्राहाइड्रोफ़ोलेट (फ़ोलेट से) ढोता है, थायमीन पाइरोफ़ॉस्फ़ेट नहीं, जो α-कीटो अम्ल विकार्बोक्सिलन व ट्रांसकीटोलेज़ की सेवा करता है। कोलेजन में प्रोलिल हाइड्रॉक्सिलन को ऐस्कॉर्बेट (विटामिन C) चाहिए; विटामिन K स्कंदन कारकों में ग्लूटामेट के γ-कार्बोक्सिलन की सेवा करता है।

  15. दीर्घकालिक मद्यव्यसन से ग्रस्त एक व्यक्ति भ्रम, अस्थिर चाल व नेत्र-गतियों की दुर्बलता के साथ आता है। उसके रक्त में पाइरुवेट व लैक्टेट बढ़े हैं और लाल रक्त कोशिकाओं की ट्रांसकीटोलेज़ सक्रियता कम है। किस सहएंज़ाइम की कमी इन निष्कर्षों को सबसे अच्छी तरह समझाती है?

    1. FAD, जो सक्सिनेट डिहाइड्रोजिनेज़ व ऐसिल-CoA डिहाइड्रोजिनेज़ को चाहिए
    2. पिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेट, जो ट्रांसऐमिनेशन व विकार्बोक्सिलन के लिए चाहिए
    3. टेट्राहाइड्रोफ़ोलेट, जो प्यूरीन व थाइमिडिलेट संश्लेषण हेतु एक-कार्बन इकाइयाँ ढोता है
    4. थायमीन पाइरोफ़ॉस्फ़ेट, जो पाइरुवेट डिहाइड्रोजिनेज़ व ट्रांसकीटोलेज़ को चाहिए
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — थायमीन पाइरोफ़ॉस्फ़ेट, जो पाइरुवेट डिहाइड्रोजिनेज़ व ट्रांसकीटोलेज़ को चाहिए

    यह चित्र थायमीन की कमी से होने वाली वर्निके एन्सेफ़ैलोपैथी का है, जो मद्यव्यसन में सामान्य है। थायमीन पाइरोफ़ॉस्फ़ेट के बिना पाइरुवेट डिहाइड्रोजिनेज़ विफल होता है, अतः पाइरुवेट जमा होकर लैक्टेट में अपचित होता है, और ट्रांसकीटोलेज़ सक्रियता (थायमीन स्थिति का मानक परीक्षण) घटती है; ग्लूकोज़ ऑक्सीकरण पर निर्भर मस्तिष्क सबसे पहले प्रभावित होता है। पिरिडॉक्सल फ़ॉस्फ़ेट की कमी न ट्रांसकीटोलेज़ घटाती न पाइरुवेट ऑक्सीकरण रोकती, और फ़ोलेट की कमी मेगालोब्लास्टिक रक्ताल्पता के रूप में दिखती है।

  16. 310 K पर एक कोशिका में [ATP] = 3.0 mM, [ADP] = 0.30 mM व [Pi] = 3.0 mM है। ATP + H₂O → ADP + Pi का ΔG°′ = −30.5 kJ mol⁻¹ व R = 8.314 J mol⁻¹ K⁻¹ लें, तथा सक्रियता गुणांकों व Mg²⁺ बंधन की उपेक्षा करें। इस कोशिका में ATP जल-अपघटन का वास्तविक ΔG, kJ mol⁻¹ में, क्या है? उत्तर चिह्न सहित एक दशमलव स्थान तक दें।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: -51.4

    द्रव्य-अनुपात = [ADP][Pi]/[ATP] = (0.30 × 10⁻³)(3.0 × 10⁻³)/(3.0 × 10⁻³) = 3.0 × 10⁻⁴ (सांद्रताएँ M में); ln(3.0 × 10⁻⁴) = −8.112। RT = 8.314 × 310 = 2577 J mol⁻¹ = 2.577 kJ mol⁻¹। RT ln Q = −20.91 kJ mol⁻¹। ΔG = −30.5 − 20.91 = −51.4 kJ mol⁻¹। अनुपात उल्टा लिखने पर −9.6 आता है, जो उत्पादों व अभिकारकों के अदला-बदली का संकेत है।

  17. जल-अपघटन की मानक मुक्त ऊर्जाएँ (ΔG°′, kJ mol⁻¹) हैं: फ़ॉस्फ़ोइनॉलपाइरुवेट −61.9, फ़ॉस्फ़ोक्रिएटिन −43.0, ATP से ADP + Pi −30.5, ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट −13.8 व ग्लिसरॉल 3-फ़ॉस्फ़ेट −9.2। मानक परिस्थितियों में कौन-सा फ़ॉस्फ़ोरिल स्थानांतरण अनुकूल है?

    1. ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट + ADP → ग्लूकोज़ + ATP
    2. फ़ॉस्फ़ोइनॉलपाइरुवेट + ADP → पाइरुवेट + ATP
    3. क्रिएटिन + ATP → फ़ॉस्फ़ोक्रिएटिन + ADP
    4. ग्लिसरॉल 3-फ़ॉस्फ़ेट + ADP → ग्लिसरॉल + ATP
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — फ़ॉस्फ़ोइनॉलपाइरुवेट + ADP → पाइरुवेट + ATP

    दाता-P + ADP → दाता + ATP के लिए ΔG°′ = ΔG°′(दाता जल-अपघटन) + 30.5। PEP: −61.9 + 30.5 = −31.4 kJ mol⁻¹, अनुकूल (पाइरुवेट काइनेज़ चरण)। ग्लूकोज़ 6-फ़ॉस्फ़ेट: +16.7; ग्लिसरॉल 3-फ़ॉस्फ़ेट: +21.3। ATP से फ़ॉस्फ़ोक्रिएटिन बनाना: −30.5 + 43.0 = +12.5 kJ mol⁻¹, मानक परिस्थितियों में प्रतिकूल; विश्रामरत पेशी में यह केवल कोशिकीय सांद्रताओं के कारण आगे बढ़ता है।

  18. कार्यरत पेशी में [ATP] केवल लगभग 10% घटता है जबकि [AMP] कई गुना बढ़ जाता है, और ATP के बजाय AMP ही फ़ॉस्फ़ोफ़्रक्टोकाइनेज़-1, ग्लाइकोजन फ़ॉस्फ़ोरिलेज़ b व AMP-सक्रियित प्रोटीन काइनेज़ को सक्रिय करने वाला मुख्य संकेत है। AMP अधिक संवेदनशील संकेत क्यों है?

    1. संकुचन में मायोसिन ATPase सीधे ATP को AMP व पाइरोफ़ॉस्फ़ेट में तोड़ता है, अतः AMP किए गए कार्य को दर्शाता है
    2. AMP ही एकमात्र ऐडेनीन न्यूक्लियोटाइड है जो प्लाज़्मा झिल्ली पार कर सकता है, अतः वह पूरे शरीर की ऊर्जा-स्थिति बताता है
    3. ऐडिनिलेट काइनेज़ 2 ADP ⇌ ATP + AMP को साम्य के निकट रखता है, अतः [ATP] ≫ [AMP] होने पर ATP की थोड़ी गिरावट AMP की बड़ी वृद्धि है
    4. AMP इन एंज़ाइमों के हर ATP स्थल से बहुत अधिक बंधुता से जुड़ता है, अतः कुछ AMP अणु सारे ATP को हटा देते हैं
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — ऐडिनिलेट काइनेज़ 2 ADP ⇌ ATP + AMP को साम्य के निकट रखता है, अतः [ATP] ≫ [AMP] होने पर ATP की थोड़ी गिरावट AMP की बड़ी वृद्धि है

    ऐडिनिलेट काइनेज़ ऐडिनिलेटों को साम्य में रखता है, अतः [AMP] ≈ K[ADP]²/[ATP]। ATP के उपयोग पर ADP बढ़ता है और AMP लगभग ADP के वर्ग के अनुसार बढ़ता है; चूँकि AMP कम सांद्रता से आरंभ होता है, उसका आनुपातिक परिवर्तन ATP से कई गुना होता है। यही प्रवर्धन AMP को चेतावनी संकेत बनाता है। मायोसिन ADP + Pi बनाता है, AMP नहीं; AMP की क्रिया अंतःकोशिकीय है, रक्त द्वारा भेजी सूचना नहीं; और AMP हर स्थल से ATP हटाने के बजाय अपने ऐलोस्टेरिक स्थलों पर कार्य करता है।