Model komputer enzim purina nukleosida fosforilase (PNPase)
Diagram energi potensial reaksi kimia organik yang menunjukkan efek katalis
pada suatu reaksi eksotermik hipotetis X + Y = Z.
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 aktivasi lebih 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 pati menjadi glukosa.
Kerja enzim dipengaruhi oleh beberapa
faktor, terutama adalah substrat, suhu, keasaman, kofaktor dan inhibitor. Tiap enzim memerlukan suhu danpH (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. Inhibitoradalah molekul yang
menurunkan aktivitas enzim, sedangkan aktivator adalah yang meningkatkan aktivitas enzim. Banyak obat dan racunadalah inihibitor enzim.
Etimologi dan Sejarah
Eduard Buchner
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 ludahtelah 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 1878, ahli fisiologi Jerman Wilhelm Kühne (1837–1900) pertama kali menggunakan istilah "enzyme",
yang berasal dari bahasa Yunani ενζυμονyang berarti "dalam
bahan pengembang" (ragi), untuk menjelaskan proses ini. Kata "enzyme"
kemudian digunakan untuk merujuk pada zat mati sepertipepsin, dan kata ferment digunakan untuk merujuk
pada aktivitas kimiawi yang dihasilkan oleh organisme hidup.
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 Willstätter berargumen 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 adalah laktase, 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 sebagai nomor 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/ (Bahasa Inggris).
Struktur dan mekanisme
Lihat pula: Katalisis enzim
Diagram pita yang menunjukkan karbonat anhidrase II. Bola abu-abu adalah
kofaktor seng yang berada pada tapak aktif.
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.[11] Terdapat pula sejumlah
kecil katalis RNA, dengan yang paling umum merupakan ribosom; Jenis enzim ini
dirujuk sebagai RNA-enzim ataupun ribozim. Aktivitas enzim ditentukan oleh struktur tiga
dimensinya (struktur kuaterner).[12] 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 mengikat kofaktor 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, dankemoselektivitas 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
Diagram yang
menggambarkan hipotesis 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. Orientasirantai 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 mengikat tapak 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 & 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.[38] 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
Model pengisian ruang
koenzim NADH
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
Tahapan-tahapan energi pada reaksi kimia. Substrat memerlukan energi yang banyak
untuk mencapai keadaan transisi, yang akan kemudian berubah menjadi
produk. Enzim menstabilisasi keadaan transisi, menurunkan energi yang
diperlukan untuk menjadi produk.
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.
(dalam jaringan tubuh;
konsentrasi CO2 yang tinggi)
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
Mekanisme reaksi enzimatik untuk sebuah subtrat tunggal. Enzim (E) mengikat
substrat (S) dan menghasilkan produk (P).
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. Setelah Peter Lauritz Sørensen menentukan skala pH logaritmik dan memperkenalkan konsep penyanggaan (buffering)
pada tahun 1909, kimiawan Jerman Leonor 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.
Kurva kejenuhan suatu reaksi enzim yang menunjukkan relasi antara
konsentrasi substrat (S) dengan kelajuan (v).
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 olehkonstanta 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 kelajuan semua 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
Inhibitor kompetitif mengikat enzim secara reversibel, menghalangi
pengikatan substrat. Di lain pihak, pengikatn substrat juga menghalangi
pengikatan inhibitor. Substrat dan inhibitor berkompetisi satu sama lainnya.
Jenis-jenis inihibisi. Klasifikasi ini diperkenalkan oleh W.W. Cleland
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.
Koenzim asam folat (kiri) dan obat anti kanker metotreksat (kanan) memiliki
struktur yang sangat mirip. Oleh sebab itu, metotreksat adalah inhibitor
kompetitif bagi enzim yang menggunukan folat.
Inhibitor ireversibel bereaksi dengan
enzim dan membentuk aduk dengan protein. Inaktivasi ini 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 miosin menghidrolisis 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, sepertilusiferase yang menghasilkan cahaya pada kunang-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 disebutinduksi dan inhibisi enzim. Sebagai contohnya, bakteri dapat menjadi resistan 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 dalam metabolisme 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 dipankreas. 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
Fenilalanina hidroksilase. Sumber:PDB 1KW0
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 degradasifenilalanina 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 seperti xeroderma 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.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar