Enzim
Enzim adalah biomolekul berupa protein yang berfungsi
sebagai katalis (senyawa
yang mempercepat proses reaksi tanpa habis bereaksi) dalam suatu reaksi kimia organik. Molekul awal yang
disebut substrat akan
dipercepat perubahannya menjadi molekul lain yang disebut produk. Jenis produk
yang akan dihasilkan bergantung pada suatu kondisi/zat, yang disebut promoter. Semua proses biologis sel memerlukan enzim
agar dapat berlangsung dengan cukup cepat dalam suatu arah lintasan
metabolisme yang ditentukan oleh hormon sebagai promoter.
Enzim
bekerja dengan cara bereaksi dengan molekul substrat untuk menghasilkan
senyawa intermediat melalui
suatu reaksi kimia organik yang membutuhkan energi aktivasilebih
rendah, sehingga percepatan reaksi kimia terjadi karena reaksi kimia dengan
energi aktivasi lebih tinggi membutuhkan waktu lebih lama. Sebagai contoh:
X
+ C → XC (1)
Y +
XC → XYC (2)
XYC → CZ
(3)
CZ
→ C + Z (4)
Meskipun
senyawa katalis dapat berubah pada reaksi awal, pada reaksi akhir molekul
katalis akan kembali ke bentuk semula.
Sebagian
besar enzim bekerja secara khas, yang artinya setiap jenis enzim hanya dapat
bekerja pada satu macam senyawa atau reaksi kimia.
Hal ini disebabkan perbedaan struktur kimia tiap enzim yang
bersifat tetap. Sebagai contoh, enzim α-amilase hanya dapat digunakan
pada proses perombakan patimenjadi glukosa.
Kerja
enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor, terutama adalah substrat, suhu,keasaman, kofaktor dan inhibitor. Tiap enzim memerlukan
suhu dan pH (tingkat keasaman)
optimum yang berbeda-beda karena enzim adalah protein, yang dapat mengalami
perubahan bentuk jika suhu dan keasaman berubah. Di luar suhu atau pH yang
sesuai, enzim tidak dapat bekerja secara optimal atau strukturnya
akan mengalami kerusakan. Hal ini akan menyebabkan enzim kehilangan fungsinya
sama sekali. Kerja enzim juga dipengaruhi oleh molekul lain. Inhibitor adalah molekul
yang menurunkan aktivitas enzim, sedangkan aktivator adalah yang
meningkatkan aktivitas enzim. Banyak obat dan racunadalah inihibitor enzim.
Etimologi dan Sejarah
Hal-ihwal yang berkaitan dengan enzim dipelajari dalam enzimologi. Dalam dunia
pendidikan tinggi, enzimologi tidak dipelajari tersendiri sebagai satu jurusan
tersendiri tetapi sejumlah program studi memberikan mata kuliah ini. Enzimologi
terutama dipelajari dalam kedokteran, ilmu pangan, teknologi pengolahan pangan, dan cabang-cabang ilmu pertanian.
Pada akhir tahun 1700-an dan awal tahun 1800-an,
pencernaan daging oleh sekresi perut dan konversi pati menjadi gula oleh ekstrak tumbuhan dan ludah telah diketahui. Namun, mekanisme bagaimana hal ini
terjadi belum diidentifikasi.
Pengetahuan tentang enzim telah dirintis oleh Berzelius
pada tahun 1837. Ia mengusulkan nama "katalis" untuk zat-zat yang
dapat mempercepat reaksi tetapi zat itu sendiri tidak ikut bereaksi. Namun,
proses kimia yang terjadi dengan pertolongan enzim telah dikenal sejak zaman
dahulu misalnya pembuatan anggur dengan cara fermentasi atau peragian, dan pembuatan
asam cuka. Lois Pasteur salah seorang yang banyak bekerja dalam fermentasi ini
dan ketika mengkajifermentasi gula menjadi alkohol oleh ragi, Louis Pasteur menyimpulkan bahwa fermentasi ini dikatalisasi oleh gaya
dorong vital yang terdapat dalam sel ragi, disebut sebagai "ferment", dan diperkirakan hanya berfungsi dalam tubuh
organisme hidup. Ia menulis bahwa "fermentasi alkoholik adalah peristiwa
yang berhubungan dengan kehidupan dan organisasi sel ragi, dan bukannya
kematian ataupun putrefaksi sel tersebut."
Pada tahun 1897, Eduard Buchner memulai kajiannya mengenai kemampuan ekstrak ragi untuk
memfermentasi gula walaupun ia tidak terdapat pada sel ragi yang hidup. Pada
sederet eksperimen di Universitas
Berlin, ia menemukan bahwa gula difermentasi bahkan apabila sel ragi tidak
terdapat pada campuran. Ia menamai enzim
yang memfermentasi sukrosa sebagai "zymase" (zimase). Pada tahun 1907,
ia menerima penghargaan Nobel dalam bidang kimia "atas riset biokimia dan penemuan fermentasi tanpa
sel yang dilakukannya". Mengikuti praktek Buchner, enzim biasanya dinamai
sesuai dengan reaksi yang dikatalisasi oleh enzim tersebut. Umumnya, untuk
mendapatkan nama sebuah enzim, akhiran -ase ditambahkan pada
nama substrat enzim tersebut (contohnya:laktase, merupakan enzim yang mengurai laktosa) ataupun pada jenis reaksi yang dikatalisasi (contoh: DNA polimerase yang menghasilkan polimer DNA).
Penemuan bahwa enzim dapat bekerja diluar sel hidup
mendorong penelitian pada sifat-sifat biokimia enzim tersebut. Banyak peneliti awal
menemukan bahwa aktivitas enzim diasosiasikan dengan protein, namun beberapa
ilmuwan seperti Richard
Willstätterberargumen bahwa proten hanyalah bertindak sebagai
pembawa enzim dan protein sendiri tidak dapat melakukan katalisis. Namun, pada
tahun 1926, James B. Sumner berhasil mengkristalisasi enzim urease dan menunjukkan bahwa ia merupakan protein murni.
Kesimpulannya adalah bahwa protein murni dapat berupa enzim dan hal ini secara
tuntas dibuktikan oleh Northrop dan Stanley yang meneliti enzim pencernaan pepsin (1930), tripsin,
dan kimotripsin. Ketiga ilmuwan ini meraih penghargaan Nobel tahun 1946 pada
bidang kimia.
Penemuan bahwa enzim dapat dikristalisasi pada akhirnya
mengijinkan struktur enzim ditentukan melalui kristalografi sinar-X. Metode ini pertama kali diterapkan pada lisozim, enzim yang ditemukan pada air mata, air ludah, dan
telur putih, yang mencerna lapisan pelindung beberapa bakteri. Struktur enzim
ini dipecahkan oleh sekelompok ilmuwan yang diketuai oleh David Chilton Phillips dan dipublikasikan pada tahun 1965. Struktur lisozim dalam resolusi tinggi ini menandai
dimulainya bidang biologi struktural dan usaha untuk memahami bagaimana enzim bekerja pada
tingkat atom.
Konvensi penamaan
Nama enzim sering kali diturunkan dari nama substrat
ataupun reaksi kimia yang ia kataliskan dengan akhiran -ase. Contohnya adalahlaktase, alkohol
dehidrogenase (mengatalisis
penghilangan hidrogen dari alkohol), dan DNA polimerase.
International Union of Biochemistry and
Molecular Biology telah
mengembangkan suatu tatanama untuk enzim, yang disebut sebagainomor EC; tiap-tiap enzim memiliki empat digit nomor urut sesuai
dengan ketentuan klasifikasi yang berlaku. Nomor pertama untuk klasifikasi
teratas enzim didasarkan pada ketentuan berikut:
•
EC 1 Oksidoreduktase: mengatalisis reaksi oksidasi/reduksi
•
EC 2 Transferase: mentransfer gugus fungsi
•
EC 3 Hidrolase: mengatalisis hidrolisis berbagai ikatan
•
EC 4 Liase: memutuskan berbagai ikatan kimia selain melalui hidrolisis dan oksidasi
•
EC 5 Isomerase: mengatalisis isomerisasi sebuah molekul tunggal
•
EC 6 Ligase: menggabungkan dua molekul dengan ikatan kovalen
Tata nama secara lengkap dapat dilihat di http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/
Struktur dan mekanisme
Enzim
umumnya merupakan protein globular dan
ukurannya berkisar dari hanya 62 asam amino pada monomer 4-oksalokrotonat tautomerase,
sampai dengan lebih dari 2.500 residu pada asam lemak sintase. Terdapat
pula sejumlah kecil katalis RNA, dengan yang paling umum merupakanribosom; Jenis enzim ini
dirujuk sebagai RNA-enzim ataupun ribozim. Aktivitas enzim
ditentukan oleh struktur tiga dimensinya (struktur kuaterner). Walaupun
struktur enzim menentukan fungsinya, prediksi aktivitas enzim baru yang hanya
dilihat dari strukturnya adalah hal yang sangat sulit.
Kebanyakan
enzim berukuran lebih besar daripada substratnya, tetapi hanya sebagian kecil
asam amino enzim (sekitar 3–4 asam amino)
yang secara langsung terlibat dalam katalisis. Daerah yang mengandung
residu katalitik yang akan mengikat substrat dan kemudian menjalani reaksi ini
dikenal sebagai tapak aktif. Enzim juga dapat mengandung
tapak yang mengikatkofaktor yang diperlukan untuk
katalisis. Beberapa enzim juga memiliki tapak ikat untuk molekul kecil, yang
sering kali merupakan produk langsung ataupun tak langsung dari reaksi yang
dikatalisasi. Pengikatan ini dapat meningkatkan ataupun menurunkan aktivitas
enzim. Dengan demikian ia berfungsi sebagai regulasi umpan balik.
Sama
seperti protein-protein lainnya, enzim merupakan rantai asam amino yang melipat. Tiap-tiap urutan asam
amino menghasilkan struktur pelipatan dan sifat-sifat kimiawi yang khas. Rantai
protein tunggal kadang-kadang dapat berkumpul bersama dan membentukkompleks protein.
Kebanyakan enzim dapat mengalami denaturasi (yakni terbuka
dari lipatannya dan menjadi tidak aktif) oleh pemanasan ataupun denaturan
kimiawi. Tergantung pada jenis-jenis enzim, denaturasi dapat bersifat
reversibel maupun ireversibel.
Kespesifikan
Enzim biasanya sangat spesifik terhadap reaksi yang ia
kataliskan maupun terhadap substrat yang terlibat dalam reaksi. Bentuk, muatan dan
katakteristik hidrofilik/hidrofobik enzim dan substrat
bertanggung jawab terhadap kespesifikan ini. Enzim juga dapat menunjukkan
tingkat stereospesifisitas, regioselektivitas, dan kemoselektivitas yang sangat tinggi.
Beberapa enzim yang menunjukkan akurasi dan kespesifikan
tertinggi terlibat dalam pengkopian dan pengekspresian genom. Enzim-enzim ini memiliki mekanisme "sistem
pengecekan ulang". Enzim seperti DNA polimerase mengatalisasi reaksi pada langkah pertama dan mengecek
apakah produk reaksinya benar pada langkah kedua. Proses dwi-langkah ini menurunkan laju kesalahan dengan 1
kesalahan untuk setiap 100 juta reaksi pada polimerase mamalia. Mekanisme yang
sama juga dapat ditemukan pada RNA polimerase, aminoasil tRNA sintetase dan ribosom.
Beberapa enzim yang menghasilkan metabolit
sekunder dikatakan sebagai
"tidak pilih-pilih", yakni bahwa ia dapat bekerja pada berbagai jenis
substrat yang berbeda-beda. Diajukan bahwa kespesifikan substrat yang sangat
luas ini sangat penting terhadap evolusi lintasan biosintetik yang baru.
Model "kunci dan gembok"
Enzim sangatlah spesifik. Pada tahun 1894, Emil
Fischer mengajukan bahwa
hal ini dikarenakan baik enzim dan substrat memiliki bentuk geometri yang
saling memenuhi. Hal ini sering
dirujuk sebagai model "Kunci dan Gembok". Manakala model ini
menjelaskan kespesifikan enzim, ia gagal dalam menjelaskan stabilisasi keadaan
transisi yang dicapai oleh enzim. Model ini telah dibuktikan tidak akurat, dan
model ketepatan induksilah yang sekarang paling banyak diterima.
Model ketepatan induksi
Pada tahun 1958, Daniel Koshland mengajukan modifikasi model kunci dan gembok:
oleh karena enzim memiliki struktur yang fleksibel, tapak aktif secara terus
menerus berubah bentuknya sesuai dengan interaksi antara enzim dan substrat.
Akibatnya, substrat tidak berikatan dengan tapak aktif yang kaku. Orientasi rantai samping asam amino berubah sesuai dengan
substrat dan mengijinkan enzim untuk menjalankan fungsi katalitiknya. Pada
beberapa kasus, misalnya glikosidase, molekul substrat juga berubah sedikit
ketika ia memasuki tapak aktif. Tapak
aktif akan terus berubah bentuknya sampai substrat terikat secara sepenuhnya,
yang mana bentuk akhir dan muatan enzim ditentukan.
Mekanisme
Enzim dapat bekerja dengan beberapa cara, yang
kesemuaannya menurunkan ΔG‡:
•
Menurunkan energi aktivasi dengan menciptakan
suatu lingkungan yang mana keadaan transisi terstabilisasi (contohnya mengubah
bentuk substrat menjadi konformasi keadaan transisi ketika ia terikat dengan
enzim.)
•
Menurunkan energi keadaan
transisi tanpa mengubah bentuk substrat dengan menciptakan lingkungan yang
memiliki distribusi muatan yang berlawanan dengan keadaan transisi.
•
Menyediakan lintasan reaksi
alternatif. Contohnya bereaksi dengan substrat sementara waktu untuk membentuk
kompleks Enzim-Substrat antara.
•
Menurunkan perubahan entropi
reaksi dengan menggiring substrat bersama pada orientasi yang tepat untuk
bereaksi. Menariknya, efek entropi ini melibatkan destabilisasi keadaan dasar, dan kontribusinya terhadap katalis
relatif kecil.
Stabilisasi
keadaan transisi
Pemahaman asal usul penurunan ΔG‡ memerlukan pengetahuan bagaimana enzim dapat menghasilkan
keadaan transisi reaksi yang lebih stabil dibandingkan dengan stabilitas
keadaan transisi reaksi tanpa katalis. Cara yang paling efektif untuk mencapai
stabilisasi yang besar adalah menggunakan efek elektrostatik, terutama pada
lingkungan yang relatif polar yang diorientasikan ke distribusi muatan keadaan
transisi. Lingkungan seperti
ini tidak ada dapat ditemukan pada reaksi tanpa katalis di air.
Dinamika dan fungsi
Dinamika internal enzim berhubungan dengan mekanisme
katalis enzim tersebut. Dinamika internal
enzim adalah pergerakan bahagian struktur enzim, misalnya residu asam amino
tunggal, sekelompok asam amino, ataupun bahwa keseluruhan domain protein. Pergerakan ini terjadi pada skala waktu yang bervariasi, berkisar dari
beberapa femtodetik sampai dengan beberapa detik. Jaringan residu protein di
seluruh struktur enzim dapat berkontribusi terhadap katalisis melalui gerak
dinamik. Gerakan protein
sangat vital, namun apakah vibrasi yang cepat atau lambat maupun pergerakan
konformasi yang besar atau kecil yang lebih penting bergantung pada tipe reaksi
yang terlibat. Namun, walaupun gerak ini sangat penting dalam hal pengikatan
dan pelepasan substrat dan produk, adalah tidak jelas jika gerak ini membantu
mempercepat langkah-langkah reaksi reaksi enzimatik ini. Penyingkapan ini juga memiliki implikasi yang luas dalam
pemahaman efek alosterik dan pengembangan obat baru.
Modulasi alosterik
Enzim alosterik mengubah strukturnya sesuai dengan efektornya. Modulasi ini dapat terjadi secara langsung, di mana
efektor mengikattapak ikat enzim secara
lngsung, ataupun secara tidak langsung, di mana efektor mengikat protein atau subunit protein lain yang berinteraksi dengan enzim alosterik, sehingga
memengaruhi aktivitas katalitiknya.
Kofaktor dan Koenzim
Kofaktor
Beberapa enzim tidak memerlukan komponen tambahan untuk
mencapai aktivitas penuhnya. Namun beberapa memerlukan pula molekul non-protein
yang disebut kofaktor untuk berikatan dengan enzim dan menjadi aktif. Kofaktor dapat berupa zat anorganik(contohnya ion logam) ataupun zat organik (contohnya flavin dan heme). Kofaktor dapat berupa gugus prostetik yang mengikat dengan kuat, ataupun koenzim, yang akan melepaskan diri dari tapak aktif enzim semasa
reaksi.
Enzim yang memerlukan kofaktor namun tidak terdapat
kofaktor yang terikat dengannya disebut sebagai apoenzim ataupun apoprotein. Apoenzim beserta
dengan kofaktornya disebut holoenzim (bentuk aktif).
Kebanyakan kofaktor tidak terikat secara kovalen dengan enzim, tetapi terikat
dengan kuat. Namun, gugus prostetik organik dapat pula terikat secara kovalen (contohnya tiamina pirofosfat pada enzim piruvat
dehidrogenase). Istilah holoenzim juga dapat
digunakan untuk merujuk pada enzim yang mengandung subunit protein berganda,
seperti DNA polimerase. Pada kasus ini, holoenzim adalah kompleks lengkap yang
mengandung seluruh subunit yang diperlukan agar menjadi aktif.
Contoh enzim yang mengandung kofaktor adalah karbonat anhidrase, dengan kofaktor seng terikat sebagai bagian dari tapak aktifnya.
Koenzim
Koenzim
adalah kofaktor berupa molekul organik kecil yang mentranspor gugus kimia atau
elektron dari satu enzim ke enzim lainnya. Contoh koenzim mencakup NADH, NADPH dan adenosina
trifosfat. Gugus kimiawi yang dibawa mencakup ion hidrida (H–)
yang dibawa oleh NAD atau NADP+, gugus asetil yang
dibawa oleh koenzim
A,
formil, metenil, ataupun gugus metil yang dibawa oleh asam folat,
dan gugus metil yang dibawa oleh S-adenosilmetionina.
Beberapa koenzim seperti riboflavin,tiamina, dan asam folat adalah vitamin.
Oleh
karena koenzim secara kimiawi berubah oleh aksi enzim, adalah dapat dikatakan
koenzim merupakan substrat yang khusus, ataupun substrat sekunder. Sebagai
contoh, sekitar 700 enzim diketahui menggunakan koenzim NADH.
Regenerasi
serta pemeliharaan konsentrasi koenzim terjadi dalam sel. Contohnya, NADPH
diregenerasi melalui lintasan pentosa fosfat, dan S-adenosilmetionina
melalui metionina adenosiltransferase.
Termodinamika
Sebagai
katalis, enzim tidak mengubah posisi kesetimbangan reaksi kimia. Biasanya
reaksi akan berjalan ke arah yang sama dengan reaksi tanpa katalis.
Perbedaannya adalah, reaksi enzimatik berjalan lebih cepat. Namun, tanpa
keberadaan enzim, reaksi samping yang memungkinkan dapat terjadi dan
menghasilkan produk yang berbeda.
Lebih
lanjut, enzim dapat menggabungkan dua atau lebih reaksi, sehingga reaksi yang
difavoritkan secara termodinamik dapat digunakan untuk mendorong reaksi yang
tidak difavoritkan secara termodinamik. Sebagai contoh, hidrolsis ATP sering
kali menggunakan reaksi kimia lainnya untuk mendorong reaksi.
Enzim
mengatalisasi reaksi maju dan balik secara seimbang. Enzim tidak mengubah
kesetimbangan reaksi itu sendiri, namun hanya mempercepat reaksi saja. Sebagai
contoh, karbonat anhidrase mengatalisasi
reaksinya ke dua arah bergantung pada konsentrasi reaktan.
Walaupun
demikian, jika kesetimbangan tersebut sangat memfavoritkan satu arah reaksi,
yakni reaksi yang sangat eksergonik, reaksi itu akan menjadi
ireversible. Pada kondisi demikian, enzim akan hanya mengatalisasi reaksi yang
diijinkan secara termodinamik.
Kinetika
Kinetika
enzim menginvestigasi bagaimana enzim mengikat substrat dengan mengubahnya menjadi
produk. Data laju yang digunakan dalam analisis kinetika didapatkan dari asai enzim.
Pada
tahun 1902, Victor Henri mengajukan suatu teori kinetika enzim yang
kuantitatif, namun data eksperimennya tidak berguna karena perhatian pada
konsentrasi ion hidrogen pada saat itu masih belum dititikberatkan. SetelahPeter Lauritz Sørensen menentukan
skala pH logaritmik dan memperkenalkan konsep penyanggaan (buffering)
pada tahun 1909, kimiawan JermanLeonor Michaelis dan
murid bimbingan pascadokotoralnya yang berasal dari Kanada, Maud Leonora Menten,
mengulangi eksperimen Henri dan mengkonfirmasi persamaan Henri. Persamaan ini
kemudian dikenal dengan nama Kinetika Henri-Michaelis-Menten (kadang-kadang
juga hanya disebut kinetika Michaelis-Menten). Hasil kerja mereka kemudian
dikembangkan lebih jauh oleh G. E. Briggs dan J. B. S. Haldane.
Penurunan persamaan kinetika yang diturunkan mereka masih digunakan secara
meluas sampai sekarang .
Salah
satu kontribusi utama Henri pada kinetika enzim adalah memandang reaksi enzim
sebagai dua tahapan. Pada tahap pertama, subtrat terikat ke enzim secara
reversible, membentuk kompleks enzim-substrat. Kompleks ini kadang-kadang
disebut sebagai kompleks Michaelis. Enzim kemudian mengatalisasi reaksi kimia
dan melepaskan produk.
Enzim
dapat mengatalisasi reaksi dengan kelajuan mencapai jutaan reaksi per detik.
Sebagai contoh, tanpa keberadaan enzim, reaksi yang dikatalisasi oleh
enzim orotidina 5'-fosfat
dekarboksilase akan memerlukan waktu 78 juta tahun untuk mengubah 50% substrat
menjadi produk. Namun, apabila enzim tersebut ditambahkan, proses ini hanya
memerlukan waktu 25 milidetik. Laju reaksi bergantung pada kondisi larutan dan
konsentrasi substrat. Kondisi-kondisi yang menyebabkan denaturasi protein
seperti temperatur tinggi, konsentrasi garam yang tinggi, dan nilai pH yang
terlalu tinggi atau terlalu rendah akan menghilangkan aktivitas enzim.
Sedangkan peningkatan konsentrasi substrat cenderung meningkatkan aktivitasnya.
Untuk menentukan kelajuan maksimum suatu reaksi enzimatik, konsentrasi substrat
ditingkatkan sampai laju pembentukan produk yang terpantau menjadi konstan. Hal
ini ditunjukkan oleh kurva kejenuhan di samping. Kejenuhan terjadi karena
seiring dengan meningkatnya konsentrasi substrat, semakin banyak enzim bebas
yang diubah menjadi kompleks substrate-enzim ES. Pada kelajuan yang maksimum (Vmax),
semua tapak aktif enzim akan berikatan dengan substrat, dan jumlah kompleks ES
adalah sama dengan jumlah total enzim yang ada. Namun, Vmax hanyalah
salah satu konstanta kinetika enzim. Jumlah substrat yang diperlukan untuk
mencapai nilai kelajuan reaksi tertentu jugalah penting. Hal ini diekspresikan
oleh konstanta Michaelis-Menten (Km),
yang merupakan konsentrasi substrat yang diperlukan oleh suatu enzim untuk
mencapai setengah kelajuan maksimumnya. Setiap enzim memiliki nilai Km yang
berbeda-beda untuk suatu subtrat, dan ini dapat menunjukkan seberapa kuatnya
pengikatan substrat ke enzim. Konstanta lainnya yang juga berguna adalah kcat,
yang merupakan jumlah molekul substrat yang dapat ditangani oleh satu tapak
aktif per detik.
Efisiensi
suatu enzim diekspresikan oleh kcat/Km.
Ia juga disebut sebagai konstanta kespesifikan dan memasukkan tetapan kelajuansemua
langkah reaksi. Karena konstanta kespesifikan mencermikan kemampuan katalitik
dan afinitas, ia dapat digunakan untuk membandingkan enzim yang satu dengan
enzim yang lain, ataupun enzim yang sama dengan substrat yang berbeda.
Konstanta kespesifikan maksimum teoritis disebut limit difusi dan nilainya
sekitar 108 sampai 109 (M-1 s-1).
Pada titik ini, setiap penumbukkan enzim dengan substratnya akan menyebabkan
katalisis, dan laju pembentukan produk tidak dibatasi oleh laju reaksi,
melainkan oleh laju difusi. Enzim dengan sifat demikian disebut secara
katalitik sempurna ataupun secara kinetika sempurna.
Contoh enzim yang memiliki sifat seperti ini adalah karbonat anhidrase, asetilkolinesterase, katalase, fumarase, β-laktamase,
dan superoksida dismutase.
Kinetika
Michaelis-Menten bergantung pada hukum aksi massa,
yang diturunkan berdasarkan asumsi difusi bebas dan
pertumbukan acak yang didorong secara termodinamik. Namun, banyak proses-proses
biokimia dan selular yang menyimpang dari kondisi ideal ini, disebabkan oleh kesesakan
makromolekuler (macromolecular crowding), perpisahan fase
enzim/substrat/produk, dan pergerakan molekul secara satu atau dua dimensi. Pada situasi
seperti ini, kinetika Michaelis-Menten fraktal dapat diterapkan.
Beberapa
enzim beroperasi dengan kinetika yang lebih cepat daripada laju difusi. Hal ini
tampaknya sangat tidak mungkin. Beberapa mekanisme telah diajukan untuk
menjelaskan fenomena ini. Beberapa protein dipercayai mempercepat katalisis
dengan menarik substratnya dan melakukan pra-orientasi substrat menggunakan
medan listrik dipolar. Model lainnya menggunakan penjelasan penerowongan
kuantum mekanika, walaupun penjelasan ini masih
kontroversial. Penerowongan kuantum untuk proton telah terpantau pada triptamina.
Inhibisi
Laju
reaksi enzim dapat diturunkan menggunakan berbagai jenis inhibitor enzim.
Inhibisi kompetitif
Pada
inihibisi kompetitif, inhibitor dan substrat berkompetisi untuk berikatan
dengan enzim. Seringkali inhibitor kompetitif memiliki struktur yang sangat
mirip dengan substrat asli enzim. Sebagai contoh, metotreksat adalah inihibitor
kompetitif untuk enzim dihidrofolat reduktase.
Kemiripan antara struktur asam folat dengan obat ini ditunjukkan oleh gambar di
samping bawah. Perhatikan bahwa pengikatan inhibitor tidaklah perlu terjadi
pada tapak pengikatan substrat apabila pengikatan inihibitor mengubah
konformasi enzim, sehingga menghalangi pengikatan substrat. Pada inhibisi
kompetitif, kelajuan maksimal reaksi tidak berubah, namun memerlukan
konsentrasi substrat yang lebih tinggi untuk mencapai kelajuan maksimal
tersebut, sehingga meningkatkan Km.
Inhibisi tak kompetitif
Pada
inhibisi tak kompetitif, inhibitor tidak dapat berikatan dengan enzim bebas,
namun hanya dapat dengan komples ES. Kompleks EIS yang terbentuk kemudian
menjadi tidak aktif. Jenis inhibisi ini sangat jarang, namun dapat terjadi pada
enzim-enzim multimerik.
Inhibisi non-kompetitif
Inhibitor
non-kompetitif dapat mengikat enzim pada saat yang sama substrat berikatan
dengan enzim. Baik kompleks EI dan EIS tidak aktif. Karena inhibitor tidak
dapat dilawan dengan peningkatan konsentrasi substrat, Vmax reaksi
berubah. Namun, karena substrat masih dapat mengikat enzim, Km tetaplah
sama.
Inhibisi campuran
Inhibisis
jenis ini mirip dengan inhibisi non-kompetitif, kecuali kompleks EIS memiliki
aktivitas enzimatik residual.
Pada
banyak organisme, inhibitor dapat merupakan bagian dari mekanisme umpan balik.
Jika enzim memproduksi terlalu banyak produk, produk tersebut dapat berperan
sebagai inhibitor bagi enzim tersebut. Hal ini akan menyebabkan produksi produk
melambat atau berhenti. Bentuk umpan balik ini adalah umpan balik negatif.
Enzim memiliki bentuk regulasi seperti ini sering kali multimerik dan mempunyai
tapak ikat alosterik. Kurva substrat/kelajuan enzim ini tidak berbentuk
hiperbola melainkan berbentuk S.
bersifat ireversible. Inhibitor seperti ini
contohnya efloritina, obat yang digunakan untuk
mengobati penyakit yang disebabkan oleh protozoaAfrican trypanosomiasis. Penisilin dan Aspirin juga bekerja
dengan cara yang sama. Senyawa obat ini terikat pada tapak aktif, dan enzim
kemudian mengubah inhibitor menjadi bentuk aktif yang bereaksi secara
ireversibel dengan satu atau lebih residu asam amino.
Kegunaan inhibitor
Oleh
karena inhibitor menghambat fungsi enzim, inhibitor sering digunakan sebagai
obat. Contohnya adalah inhibitor yang digunakan sebagai obat aspirin. Aspirin menginhibisi
enzim COX-1 dan COX-2 yang memproduksi
pembawa pesan peradangan prostaglandin,
sehingga ia dapat menekan peradangan dan rasa sakit. Namun, banyak pula inhibitor
enzim lainnya yang beracun. Sebagai contohnya, sianida yang merupakan
inhibitor enzim ireversibel, akan bergabung dengan tembaga dan besi pada tapak
aktif enzim sitokrom
c oksidase dan memblok pernapasan sel.
Fungsi biologis
Enzim mempunyai berbagai fungsi bioligis dalam tubuh
organisme hidup. Enzim berperan dalam transduksi signal dan regulasi sel, seringkali melalui enzim kinase dan fosfatase. Enzim juga
berperan dalam menghasilkan pergerakan tubuh, dengan miosinmenghidrolisis ATP untuk menghasilkan kontraksi otot. ATPase lainnya dalam membran sel umumnya adalah pompa
ion yang terlibat dalam transpor aktif. Enzim juga terlibat dalam fungs-fungsi yang khas,
seperti lusiferase yang menghasilkan
cahaya padakunang-kunang. Virus juga mengandung enzim yang dapat menyerang sel, misalnya HIV integrase dan transkriptase
balik.
Salah satu fungsi penting enzim adalah pada sistem pencernaan hewan. Enzim seperti amilase dan protease memecah molekul yang besar (seperti pati dan protein) menjadi molekul yang kecil, sehingga dapat diserap oleh
usus. Molekul pati, sebagai contohnya, terlalu besar untuk diserap oleh usus,
namun enzim akan menghidrolisis rantai pati menjadi molekul kecil seperti maltosa, yang akan dihidrolisis lebih jauh menjadi glukosa, sehingga dapat diserap. Enzim-enzim yang berbeda,
mencerna zat-zat makanan yang berbeda pula. Pada hewan
pemamah biak, mikroorganisme dalam perut hewan tersebut
menghasilkan enzim selulase yang dapat mengurai sel dinding selulosa tanaman.
Beberapa enzim dapat bekerja bersama dalam urutan
tertentu, dan menghasilan lintasan
metabolisme. Dalam lintasan metabolisme, satu enzim akan
membawa produk enzim lainnya sebagai substrat. Setelah reaksi katalitik
terjadi, produk kemudian dihantarkan ke enzim lainnya. Kadang-kadang lebih dari
satu enzim dapat mengatalisasi reaksi yang sama secara bersamaan.
Enzim menentukan langkah-langkah apa saja yang terjadi
dalam lintasan metabolisme ini. Tanpa enzim, metabolisme tidak akan berjalan
melalui langkah yang teratur ataupun tidak akan berjalan dengan cukup cepat
untuk memenuhi kebutuhan sel. Dan sebenarnya, lintasan metabolisme seperti glikolisis tidak akan dapat terjadi tanpa enzim. Glukosa, contohnya,
dapat bereaksi secara langsung dengan ATP, dan menjadi terfosforliasi pada karbon-karbonnya
secara acak. Tanpa keberadaan enzim, proses ini berjalan dengan sangat lambat.
Namun, jika heksokinase ditambahkan,
reaksi ini tetap berjalan, namun fosforilasi pada karbon 6 akan terjadi dengan
sangat cepat, sedemikiannya produk glukosa-6-fosfat ditemukan sebagai produk utama. Oleh karena itu, jaringan
lintasan metabolisme dalam tiap-tiap sel bergantung pada kumpulan enzim
fungsional yang terdapat dalam sel tersebut.
Kontrol aktivitas
Terdapat lima cara utama aktivitas enzim dikontrol dalam
sel.
1. Produksi enzim (transkripsi dan translasi gen enzim) dapat ditingkatkan
atau diturunkan bergantung pada respon sel terhadap perubahan lingkungan.
Bentuk regulase gen ini disebut induksi dan inhibisi enzim. Sebagai contohnya, bakteri
dapat menjadiresistan terhadap antibiotik seperti penisilin karena enzim yang disebut beta-laktamase menginduksi hidrolisis
cincin beta-laktam penisilin. Contoh lainnya adalah enzim dalam hati yang disebut sitokrom P450 oksidase yang penting dalammetabolisme obat. Induksi atau inhibisi enzim
ini dapat mengakibatkan interaksi
obat.
2. Enzim dapat dikompartemenkan, dengan lintasan metabolisme yang berbeda-beda
yang terjadi dalam kompartemen sel yang berbeda. Sebagai contoh, asam lemak disintesis oleh sekelompok enzim dalam sitosol, retikulum endoplasma, dan aparat
golgi, dan digunakan oleh sekelompok enzim lainnya
sebagai sumber energi dalam mitokondria melalui β-oksidasi.
3. Enzim dapat diregulasi oleh inhibitor dan aktivator. Contohnya, produk akhir lintasan metabolisme
seringkali merupakan inhibitor enzim pertama yang terlibat dalam lintasan
metabolisme, sehingga ia dapat meregulasi jumlah produk akhir lintasan
metabolisme tersebut. Mekanisme regulasi seperti ini disebut umpan balik
negatif karena jumlah produk akhir diatur oleh konsentrasi produk itu sendiri.
Mekanisme umpan balik negatif dapat secara efektif mengatur laju sintesis zat
antara metabolit tergantung pada kebutuhan sel. Hal ini membantu alokasi bahan
zat dan energi secara ekonomis dan menghindari pembuatan produk akhir yang
berlebihan. Kontrol aksi enzimatik membantu menjaga homeostasis organisme hidup.
4. Enzim dapat diregulasi melalui modifikasi pasca-translasional. Ia dapat meliputi fosforilasi, miristoilasi, dan glikosilasi. Contohnya, sebagai respon terhadap insulin, fosforilasi banyak enzim termasuk glikogen sintase membantu mengontrol sintesis ataupun degradasi glikogen dan mengijinkan sel merespon terhadap perubahan kadar gula dalam darah. Contoh lain
modifikasi pasca-translasional adalah pembelahan rantai polipeptida. Kimotripsin yang merupakan protease pencernaan diproduksi dalam keadaan tidak aktif sebagai kimotripsinogen di pankreas. Ia kemudian ditranspor ke dalam perut di mana ia
diaktivasi. Hal ini menghalangi enzim mencerna pankreas dan jaringan lainnya
sebelum ia memasuki perut. Jenis prekursor tak aktif ini dikenal sebagai zimogen.
5. Beberapa enzim dapat menjadi aktif
ketika berada pada lingkungan yang berbeda. Contohnya, hemaglutinin pada virus influenza menjadi aktif dikarenakan kondisi asam lingkungan. Hal ini terjadi ketika
virus terbawa ke dalam sel inang dan memasuki lisosom.
Keterlibatan dalam penyakit
Oleh
karena kontrol aktivitas enzim yang ketat diperlukan untuk menjaga homeostasis,
malafungsi (mutasi, kelebihan produksi, kekurangan produksi ataupun delesi)
enzim tunggal yang penting dapat menyebabkan penyakit genetik.
Pentingnya enzim ditunjukkan oleh fakta bahwa penyakit-penyakit mematikan dapat
disebabkan oleh hanya mala fungsi satu enzim dari ribuan enzim yang ada dalam
tubuh kita.
Salah
satu contohnya adalah fenilketonuria.
Mutasi asam amino tunggal pada enzim fenilalania hidroksilase yang
mengatalisis langkah pertama degradasi fenilalanina mengakibatkan
penumpukkan fenilalanina dan senyawa terkait. Hal ini dapat menyebabkan keterbelakangan mental jika ia tidak
diobati.
Contoh
lainnya adalah mutasi silsilah nutfah (germline mutation) pada gen yang
mengkode enzim reparasi
DNA. Ia dapat menyebakan sindrom penyakit kanker keturunan sepertixeroderma
pigmentosum. Kerusakan ada enzim ini dapat menyebabkan kanker karena kemampuan
tubuh memperbaiki mutasi pada genom menjadi berkurang. Hal ini menyebabkan
akumulasi mutasi dan mengakibatkan berkembangnya berbagai jenis kanker pada
penderita.
0 komentar:
Post a Comment