Inorganic Chemistry अकार्बनिक रसायन (Inorganic Chemistry)

Carboxypeptidase कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ (Carboxypeptidase)

Carboxypeptidase is a zinc-containing metalloenzyme that catalyzes the hydrolysis of C-terminal peptide bonds in proteins and peptides. It functions as an exopeptidase in the digestive tract and plays a crucial role in protein maturation. कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ एक जिंक-युक्त मेटलोएंजाइम (metalloenzyme) है जो प्रोटीन और पेप्टाइड्स में C-टर्मिनल पेप्टाइड बंधों के जल-अपघटन (hydrolysis) को उत्प्रेरित करता है। यह पाचन तंत्र में एक एक्सोपेप्टिडेज़ (exopeptidase) के रूप में कार्य करता है और प्रोटीन परिपक्वता (protein maturation) में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Structural Features and Active Site Geometry संरचनात्मक विशेषताएँ और सक्रिय स्थल की ज्यामिति

  • Carboxypeptidase A contains a single catalytic Zn2+ ion coordinated by two histidine residues (His-69, His-196), one glutamate residue (Glu-72), and a coordinated water molecule.
  • The active site exhibits a distorted trigonal bipyramidal geometry in the resting state, shifting to tetrahedral during catalysis upon water displacement.
  • The hydrophobic pocket in Carboxypeptidase A specifically accommodates bulky aromatic and aliphatic C-terminal side chains.
  • कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A में एक एकल उत्प्रेरक Zn2+ आयन होता है जो दो हिस्टिडीन अवशेषों (His-69, His-196), एक ग्लूटामेट अवशेष (Glu-72) और एक समन्वित जल अणु द्वारा समन्वित होता है।
  • सक्रिय स्थल (active site) विश्राम अवस्था में एक विकृत त्रिकोणीय द्वि-पिरामिडी (distorted trigonal bipyramidal) ज्यामिति प्रदर्शित करता है, जो जल के विस्थापन पर उत्प्रेरण के दौरान चतुष्फलकीय (tetrahedral) में परिवर्तित हो जाता है।
  • कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A में हाइड्रोफोबिक पॉकेट विशेष रूप से बड़े सुगंधित (aromatic) और एलिफैटिक C-टर्मिनल साइड चेन को समायोजित करती है।

Catalytic Mechanism of Peptide Bond Hydrolysis पेप्टाइड बंध जल-अपघटन की उत्प्रेरक क्रियाविधि

  • The coordinated water molecule acts as a nucleophile, activated by Glu-270 which acts as a general base during the catalytic cycle.
  • The Zn2+ ion polarizes the carbonyl group of the scissile peptide bond, enhancing its electrophilicity toward nucleophilic attack.
  • A transient covalent anhydride intermediate is formed involving Glu-270 before final collapse and peptide bond cleavage.
  • समन्वित जल अणु एक न्यूक्लियोफाइल (nucleophile) के रूप में कार्य करता है, जिसे Glu-270 द्वारा सक्रिय किया जाता है, जो उत्प्रेरक चक्र के दौरान एक सामान्य क्षार (general base) के रूप में कार्य करता है।
  • Zn2+ आयन पेप्टाइड बंध के कार्बोनिल समूह को ध्रुवीकृत (polarize) करता है, जिससे न्यूक्लियोफिलिक हमले के प्रति इसकी इलेक्ट्रोफिलिसिटी बढ़ जाती है।
  • अंतिम विघटन और पेप्टाइड बंध के टूटने से पहले Glu-270 को शामिल करते हुए एक क्षणिक सहसंयोजक एनहाइड्राइड मध्यवर्ती (covalent anhydride intermediate) बनता है।

Substrate Specificity and Classification सब्सट्रेट विशिष्टता और वर्गीकरण

  • Carboxypeptidase A preferentially cleaves C-terminal residues with aromatic or branched aliphatic side chains (e.g., phenylalanine, tyrosine, alanine).
  • Carboxypeptidase B exhibits high specificity for basic C-terminal residues such as arginine and lysine due to the presence of an aspartate residue in its binding pocket.
  • Metal substitution studies show that replacing Zn2+ with Co2+ retains enzymatic activity, while substitution with inactive metals like Cu2+ or Hg2+ abolishes activity.
  • कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A अधिमानतः सुगंधित या शाखित एलिफैटिक साइड चेन (जैसे फेनिलएलनिन, टायरोसिन, एलेनिन) वाले C-टर्मिनल अवशेषों को काटता है।
  • कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ B अपनी बाइंडिंग पॉकेट में एस्पार्टेट अवशेष की उपस्थिति के कारण आर्जिनिन और लाइसिन जैसे क्षारीय (basic) C-टर्मिनल अवशेषों के लिए उच्च विशिष्टता प्रदर्शित करता है।
  • धातु प्रतिस्थापन अध्ययन दर्शाते हैं कि Zn2+ को Co2+ से बदलने पर एंजाइम की गतिविधि बनी रहती है, जबकि Cu2+ या Hg2+ जैसी निष्क्रिय धातुओं के साथ प्रतिस्थापन गतिविधि को समाप्त कर देता है।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Active Site Coordination Sphere सक्रिय स्थल समन्वय क्षेत्र (Active Site Coordination Sphere)
Zn2+ — (His-69, His-196, Glu-72, H2O)
Conditions: Resting state of Carboxypeptidase A
शर्तें: कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A की विश्राम अवस्था
इकाइयाँ: लागू नहीं
Michaelis-Menten Kinetics माइकलिस-मेंटेन गतिकी (Michaelis-Menten Kinetics)
v = (vmax[S]) / (Km + [S])
Conditions: Steady-state approximation for enzyme kinetics
शर्तें: एंजाइम गतिकी के लिए स्थिर-अवस्था सन्निकटन
इकाइयाँ: v: अभिक्रिया दर, [S]: सब्सट्रेट सांद्रता
Inhibition Constant अवरोध स्थिरांक (Inhibition Constant)
Ki = ([E][I]) / ([EI])
Conditions: Competitive or non-competitive inhibition by substrate analogs
शर्तें: सब्सट्रेट एनालॉग्स द्वारा प्रतिस्पर्धी या गैर-प्रतिस्पर्धी अवरोध
इकाइयाँ: सांद्रता की इकाइयाँ (mol/L)
Catalytic Hydrolysis Reaction उत्प्रेरक जल-अपघटन अभिक्रिया (Catalytic Hydrolysis Reaction)
R-CO-NH-CH(R')-COOH + H2O → R-COOH + NH2-CH(R')-COOH
Conditions: Enzyme-catalyzed cleavage at neutral to slightly alkaline pH
शर्तें: तटस्थ से थोड़ा क्षारीय pH पर एंजाइम-उत्प्रेरित विदलन
इकाइयाँ: लागू नहीं
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद Most metalloenzymes lose all catalytic activity upon metal ion removal.अधिकांश मेटलोएंजाइम धातु आयन हटाने पर अपनी उत्प्रेरक गतिविधि खो देते हैं।

Observation: Apo-carboxypeptidase can be reactivated by adding transition metal ions other than Zn2+. — Co2+, Ni2+, and Mn2+ can successfully reconstitute an active catalytic center due to similar coordination preferences. प्रेक्षण: एपो-कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ (Apo-carboxypeptidase) को Zn2+ के अलावा अन्य संक्रमण धातु आयनों को जोड़कर पुन: सक्रिय किया जा सकता है। Co2+, Ni2+ और Mn2+ समान समन्वय प्राथमिकताओं के कारण सक्रिय उत्प्रेरक केंद्र का पुनर्निर्माण कर सकते हैं।

Exceptionअपवाद Exopeptidases hydrolyze terminal peptide bonds without sequence restriction.एक्सोपेप्टिडेज़ अनुक्रम प्रतिबंध के बिना टर्मिनल पेप्टाइड बंधों को हाइड्रोलाइज करते हैं।

Observation: Carboxypeptidase A fails to cleave C-terminal proline, arginine, or lysine residues. — Steric hindrance and charge repulsion prevent proper fitting into the hydrophobic S1' binding pocket. प्रेक्षण: कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A C-टर्मिनल प्रोलाइन, आर्जिनिन या लाइसिन अवशेषों को काटने में विफल रहता है। स्टेरिकल बाधा और आवेश प्रतिकर्षण हाइड्रोफोबिक S1' बाइंडिंग पॉकेट में उचित फिटिंग को रोकते हैं।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
Metal Specificity Mnemonicधातु विशिष्टता स्मृति सहायक (Mnemonic)
CARBOXY = Co, Zn

Application: Remember that Carboxypeptidase functions naturally with Zinc, but Cobalt can substitute effectively in vitro. अनुप्रयोग: याद रखें कि कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ स्वाभाविक रूप से जिंक के साथ कार्य करता है, लेकिन कोबाल्ट इन-विट्रो (in vitro) में प्रभावी ढंग से प्रतिस्थापित हो सकता है।

A vs B Substrate DiscriminationA बनाम B सब्सट्रेट भेदभाव
A for Aromatic, B for Basic

Application: CPA targets aromatic/aliphatic C-termini; CPB targets basic (arginine/lysine) C-termini. अनुप्रयोग: CPA सुगंधित/एलिफैटिक C-टर्मिनी को लक्षित करता है; CPB क्षारीय (आर्जिनिन/लाइसिन) C-टर्मिनी को लक्षित करता है।

Active Site Residues Countसक्रिय स्थल अवशेष गणना
2 His, 1 Glu, 1 H2O

Application: Directly recall the protein ligands bound to the catalytic zinc center in rapid-fire inorganic chemistry questions. अनुप्रयोग: अकार्बनिक रसायन विज्ञान के प्रश्नों में उत्प्रेरक जिंक केंद्र से बंधे प्रोटीन लिगेंड्स को सीधे याद रखें।

⚖️ Comparison of Carboxypeptidase A and Carboxypeptidase B ⚖️ कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A और B की तुलना
ParameterपैरामीटरCarboxypeptidase A (CPA)कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A (CPA)Carboxypeptidase B (CPB)कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ B (CPB)
Preferred Substratesपसंदीदा सब्सट्रेटAromatic and bulky aliphatic C-terminiसुगंधित और बड़े एलिफैटिक C-टर्मिनीBasic residues (Arg, Lys) C-terminiक्षारीय अवशेष (Arg, Lys) C-टर्मिनी
Binding Pocket Residuesबाइंडिंग पॉकेट अवशेषHydrophobic residues (Ile, Val)हाइड्रोफोबिक अवशेष (Ile, Val)Negatively charged Asp residueऋणात्मक आवेशित Asp अवशेष
Biological Functionजैविक कार्यProtein digestion in pancreasअग्न्याशय में प्रोटीन पाचनCleavage of basic residues in peptide hormonesपेप्टाइड हार्मोन में क्षारीय अवशेषों का विदलन
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • Carboxypeptidase is a metalloenzyme containing a catalytic Zn2+ center.
  • The coordination number of zinc in resting carboxypeptidase is five.
  • Glu-270 acts as a general base catalyst during peptide bond hydrolysis.
  • Carboxypeptidase A specifically cleaves C-terminal bonds with hydrophobic side chains.
  • Carboxypeptidase B specifically targets basic amino acid residues like arginine and lysine.
  • Cobalt(II) can substitute for Zinc(II) in carboxypeptidase while retaining catalytic activity.
  • कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ एक मेटलोएंजाइम है जिसमें उत्प्रेरक Zn2+ केंद्र होता है।
  • विश्राम अवस्था में जिंक की समन्वय संख्या पांच होती है।
  • Glu-270 पेप्टाइड बंध जल-अपघटन के दौरान एक सामान्य क्षार उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है।
  • कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ A विशेष रूप से हाइड्रोफोबिक साइड चेन वाले C-टर्मिनल बंधों को काटता है।
  • कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ B विशेष रूप से आर्जिनिन और लाइसिन जैसे क्षारीय अमीनो एसिड अवशेषों को लक्षित करता है।
  • कोबाल्ट(II) उत्प्रेरक गतिविधि बनाए रखते हुए कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ में जिंक(II) के लिए प्रतिस्थापित हो सकता है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Confusing exopeptidases (carboxypeptidases) with endopeptidases (like trypsin or chymotrypsin).
  • Assuming zinc is redox-active during catalysis; zinc remains in the +2 oxidation state throughout.
  • Mistaking the role of Glu-270 as a metal ligand instead of its actual role as a catalytic base.
  • Forgetting that proline at the C-terminus resists cleavage by standard carboxypeptidases.
  • एक्सोपेप्टिडेज़ (कार्बोक्सीपेप्टिडेज़) को एंडोपेप्टिडेज़ (जैसे ट्रिप्सिन या काइमोट्रिप्सिन) के साथ भ्रमित करना।
  • यह मान लेना कि उत्प्रेरण के दौरान जिंक रेडॉक्स-सक्रिय होता है; जिंक पूरे समय +2 ऑक्सीकरण अवस्था में रहता है।
  • Glu-270 की भूमिका को धातु लिगेंड के रूप में समझना, जबकि यह वास्तव में उत्प्रेरक क्षार के रूप में कार्य करता है।
  • यह भूल जाना कि C-टर्मिनस पर प्रोलाइन मानक कार्बोक्सीपेप्टिडेज़ द्वारा विदलन का विरोध करता है।