Enzimologi Dasar

Surakarta, 07 Februari 2014

Salam I.M.A.J.I.N.A.S.I!!! tidak ada enzim, tidak ada kehidupan. Begini, Enzim, DNA, karbohidrat, fosfolipid dan semua molekul sel yang kaya energy potensial. Di dalam sel, Apa yang mencegah molekul ini secara spontan dipecah menjadi lebih sederhana, molekul rendah energy? karena adanya bukit energy yang harus dilewati sebelum reaksi kimia dapat terjadi. Energi harus diserap untuk diubah atau pelemahan ikatan dalam molekul reaktan sehingga menjadikannya mudah dipecah dan ikatan baru dapat terbentuk. Bukit energy ini merupakan kumpulan energy, yang disebut energy aktivasi (EA). Reaktan ni harus diserap untuk menjadi aktif dan memulai reaksi kimia.

Skema 1 bagian kiri, mengambarkan konsep EA dengan analogi bola yang menglinding . Dengan dorongan, bola dapat menglinding. Bola yang menglinding ini seperti molekul reaktan pada reaksi kimia. Menglinding menuju sisi lainya menjadi sepeti molekul produk. Bukit yang harus dilewati seperti EA pada reaksi kimia. Perhatikan bahwa jumlah molekul bola sebelah kiri lebih banyak daripada yang kanan. Karena bagian kiri terletak pada posisi paling tinggi, maka bola-bola tersebut memiliki energi potensial lebih banyak dari pada bagian kanan. Walaupun bola berada pada posisi rendah (energy rendah), masih membtuhkan energy ekstra untuk bisa melewati bukit (EA).

analogi bukit energi
Skema 1. Analogi bukit energi dan peran enzim

Dorongan bola beragam, tergantung banyak sedikitnya energy yang diperoleh. Seberapa tinggi dan seringnya dorongan bola melewati bukit tersebut. Pada kondisi tertentu dorongan bola bisa sangat tinggi melewati bukit dan menghasilkan produk. Namun, prosesnya membutuhkan waktu yang sangat lama untuk bola reaktan signifikan mencapai bagian kanan (produk).

Kejadian diatas menjadi dilemma, tatkala sebagain besar reaksi esensial metabolism harus terjadi secepat dan setepat-tepatnya untuk keberlangsungan sel. Bagaimana reaksi spesifik dapat terjadi ketika sel sangat memerlukannya dengan melewati bukit energy? Satu cara untuk mempercepat reaksi adalah dengan penambahan panas (dorongan tinggi dengan pemanasan). Tetapi memanaskan sel akan mempercepat semua reaksi bukan reaksi yang spesifik. Selain itu terlalu banyak panas dapat menyebabkan denaturasi protein dan membunuh sel.

Solusinya terletak pada kemampuan khusus enzim. Enzim merupakan molekul protein yang fungsinya sebagai katalis biologi dengan meningkatkan laju reaksi tanpa merubah enzim menjadi molekul yang berbeda. Enzim tidak memberikan energi pada reakasi selular, namun mempercepat reaksi dengan merendahkan bukit EA. Tanpa enzim, reaksi metabolic akan terjadi sangat pelan untuk menjaga kehidupan.

Pada skema 1 bagian kanan, mensimbolkan 2 reaksi kimia yang sama dengan skema bagian kiri, namun disini dikatalisis oleh enzim. Pengaruh enzim tersebut adalah menurunkan bukit energi sehingga menyebabkan bola dengan sedikit energy dorongan dapat menyebrang. Hasilnya, dengan waktu tertentu lebih banyak bola yang menyebrang menjadi produk daripada tanpa enzim sama sekali.

Pada skema 2, menunjukkan grafik pengaruh enzim pada reaksi yang dikatalisis. Kurva biru mewakili perjalanan reaksi tanpa enzim. Bukit EA lebih tinggi daripada reaksi yang dilakukan dengan enzim (kurva merah). Perhatikan bahwa perubahan jaring pada energy dari awal sampai akhir, analog dengan perbedaan tinggi dua ruang pada model bola menglinding, sama dengan kedua kurva. Katalis reaksi metabolism dalam sel dengan enzim adalah isensial bagi sel.

pengaruh enzim terhadap EA
Skema 2. Pengaruh enzim terhadap Energi Aktivasi (EA)

Sebagai molekul protein, enzim berbentuk 3 dimensi yang unik dan bentuk tersebut dapat menentukan reaksi kimia yang enzim katalis. Reaktan spesifik dimana enzim bekerja disebut substrat enzim. Substrat masuk kedalam daerah enzim yang disebut sisi aktif. Sisi aktif bercirikan kantung atau lekukkan yang terdapat pada permukaan enzim. Enzim itu spesifik karena sisi aktif hanya cocok pada satu jenis molekul subtract. Jadi, banyak macam enzim untuk mengkatalisis semua reaksi dalam sel.

Saat subtract terikat dengan enzim, sisi aktif berubah bentuk sedikit sehingga mendekap substrat dengat kuat seperti berjabat tangan. Teori Induced fit mengencangkan ikatan substrat atau menempatkan gugus kimia sisi aktif pada posisi untuk mengkatalisis reaksi. Pada reaksi dapat melibatkan dua atau lebih reaktan. Tempat aktif mengikat substrat pada orientasi yang tepat untuk terjadinya reaksi.

Pada skema 3, mengilustrasikan siklus katalisis enzim. Enzim sukrase dimana mengkatalisis hidrolisis sukrosa (gula meja) menjadi glukosa dan fruktosa (sebagian enzim memiliki akhiran nama –ase dan banyak dinamai berdasarkan nama subtract). 1. Sukrase memulai dengan sisi aktif yang kosong. 2. Sukrosa memasuki sisi aktif, menempel melalui ikatan yang lemah. Melalui mekanisme Induced fit mengubah molekul sukrosa. 3. Ikatan yang lemah itu bereaksi dengan air, dan substrat dikonversi (hidrolisis) menjadi glukosa dan fruktosa. 4. Enzim melepaskan produk dan kembali kebentuk semula. Sisi aktif sekarang tersedia untuk molekul subtract lainnya, dan memulai siklus baru lagi. Enzim tunggal dapat bereaksi dengan ribuan atau jutaan molekul substrat per detik.

Siklus katalitik enzim
Skema 3. The catalytic cycle of an enzyme

Sama halnya dengan semua protein, struktur enzim dan bentuk sangat ensensial terhadap fungsinya. Bentuk enzim dipengaruhi oleh perubahan lingkungan. Untuk setiap enzim, kondisi yang tempat dapat menjadikannya paling efektif. Suhu sendiri dapat mempengaruhi gerakan molekul dan suhu optimal enzim menghasilkan laju tinggi kontak antara molekul reaktan dan sisi aktif enzim. Suhu terlalu tinggi dapat mendenaturasi enzim, mengubah bentuk spesifik 3 dimensinya dan menghancurkan fungsinya. Sebagian besar enzim manusia bekerja baik pada suhu 35-40 oC mendekati suhu normal tubuh. Beberapa bakteri yang hidup pada mata air panas, walaupun mengandung enzim yang optimal pada suhu 70 oC atau yang lebih tinggi.

Konsentrasi garam dan pH juga dapat mempengaruhi aktivitas enzim. Beberapa enzim dapat toleran terhadap larutan garam ekstrim karena ion garam bereaksi dengan beberapa iktan kimia yang menjaga struktur protein. Sama halnya dengan ketika kelebihan ion hydrogen yang ada pada pH rendah. pH optimal untuk sebagian besar enzim itu mendekati normal dengan kisaran 6-8. Keluar dari kisaran tersebut, aksi enzim dan kimia normal untuk fungsi sel akan terganggu. Pada beberapa lokasi didanau yang terkena hujan asam dimana menyebabkan lingkungan perairan menjadi asam sehingga organisme akuatik akan terpengaruhi.

Kebanyakan enzim tidak akan berfungsi tanapa bantuan molekul nonprotein disebut cofactor. Cofaktor dapat berupa substansi anorganik, seperti ion zink, besi, atau tembaga. Jika kofaktor berupa molekul organic disebut koenzim. Kebanyakan koenzim terdiri dari vitamin atau vitamin sendiri. Contohnya, vitamin B16 merupakan coenzim yang diperlukan enzim untuk mengkonversi satu asam amino ke molekul lainnya.

Senyawa kimia yang memboikot aktivitas enzim disebut inhibitor. Jika inhibitor melekat pada enzim melalui ikatan kovalen maka penghambatan bersifat irreversible/ tidak dapat balik. Toksin dan racun merupakan inhibitor irreversible. Penghambatan dapat reversible ketika ikatan lemah, seperti ikatan hydrogen, pada pelekatan inhibitor dan enzim.

Terdapat dua tipe inhibitor enzim. Pertama, inhibitor kompetitif yang mirip dengan subtract normal enzim dan bersaing dengan substrat untuk mendapatkan sisi akti pada enzim. Seperti ditunjukkan pada skema 4, menunjukkan kompetitif inhibitor mengurangi produktivitas enzim melalui pemboikotan subtract untuk memasuki sisi aktif. Tipe penghambatan ini dapat dicegah dengan penambahan konsentrasi molekul substrat sehingga membuat sisi aktif enzim terpenuhi semua.

Inhibitor enzim
Skema 4. Bagaimana inhibitor enzim memboikot ikatan subtrat dengan enzim

Kedua, inhibitor kompetitif , tidak memasuki sisi aktif, namun terikat pada enzim ditempat lainnya sehingga perekatan ini mengubah bentuk enzim. Perubahan ini mengakibatkan sisi aktif tidak lagi cocok dengan substrat.

Inhibitor tidak selalu merugikan, faktanya, penghambatan enzim merupakan mekanisme penting untuk pengaturan metabolism sel. Kebanyakan reaksi kimia pada sel terorganisasi dalam jalur metabolism dimana molekul spesifik dirubah melalui tahapan dan setiap tahap dikatalisis oleh enzim untuk menghasilkan produk tertentu. Jika sel memproduksi banyak produk secara berlebihan, produk ini akan menjadi inhibitor pada salah satu enzim pada jalur tersebut. Penghambatan yang singkat, sperti reaksi metabolism yang diboikot produk disebut pengahabatan negative (feedback) dan merupakan salah satu mekanisme penting dalam meregulasi metabolism.

Walaupun ATP dapat menghasilkan penghambatan negative, ketika suplai ATP sel lebih dari kebutuhan, maka ATP dapat secara nonkompetitif menghambat enzim yang mengkatalis tahap tertentu pada proses sintesis ATP

Manusia telah mengembangkan dan menggunkan inhibitor enzim baik sebagai agen konstruksi ataupun destruksi, seperti pestisida dan obat-obatan. Dapat juga sebagai racun yang mematikan bagi dunia. Ketika inhibitor enzim, terutama yang irreversible, dapat mencegah enzim untuk katalisis dimana sangat krusial bagi reaksi metabolism (keracunan organisme).

Sianida merupakan racun yang menghambat enzim yang terlibat dalam produksi ATP selama respirasi selular. Gas saraf seperti sarin, dimana pernah dilepaskan oleh teroris di Tokyo pada tahun 1995, merupakan molekul kecil yang berikatan secara kovalen dengan asam amino pada sisi aktif enzim asetilkolinesterase. Enzim ini sangat vital untuk transmisi impuls saraf dan penghambatan ini mengakibatkan paralisis fungsi vital dan kematian.

Pestisida seperti malation dan parathion toksik bagi serangga karena secara irreversible menghambat enzim asetilkolinesterase. Agen ini dapat pula toksik terhadap hewan lainnya, termasuk manusia (tergantung dosis yang diberikan).

Banyak antibiotic bekerja dengan cara penghambatan enzim. Pada kasus berikut, enzim sangat isensial untuk bertahan hidup terhadap penyakit yang disebabkan bakteri. Pinicilin menghambat enzim bakteri yang berfungsi membentuk dinding sel. Karena manusia tidak memilki enzim ini, maka tidak ada efek bagi tubuh.

Ibuprofen dan aspirin bekerja sebagai inhibitor enzim yang menyebabkan mekanisme nyeri. Inhibitor protease merupakan obat HIV yang menargetkan pada enzim kunci viral. Dan banyak obat kanker merupakan inhibitor enzim yang memicu pembelahan sel. Aksi anti-enzim toksin, pestisida, dan obat memberikan gambaran pentingnya enzim pada kehidupan sel…Wahju S. Hidayat/ EnTech Indonesia

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: