Enzim, zat yang bertindak sebagai katalis dalam organisme hidup, mengatur laju reaksi kimia yang terjadi tanpa dirinya diubah dalam prosesnya. Enzim juga memiliki aplikasi industri dan medis yang berharga. Pengambilan anggur, ragi roti, pengikat keju dan pembuatan bir telah dipraktekkan sejak awal, namun tidak sampai abad ke-19 reaksi ini dipahami sebagai hasil aktivitas katalitik enzim.

Sejak itu, enzim telah diasumsikan semakin penting dalam proses industri yang melibatkan reaksi kimia organik. Penggunaan enzim dalam pengobatan termasuk membunuh mikroorganisme penyebab penyakit, mempromosikan penyembuhan luka dan mendiagnosis penyakit tertentu.

Apakah Enzim Itu?

Enzim adalah protein yang berperan sebagai katalis dalam sel hidup. Katalis meningkatkan laju reaksi kimia terjadi tanpa dikonsumsi atau diubah secara permanen. Reaksi kimia adalah proses yang mengubah satu atau lebih zat (dikenal sebagai reagen, reaktan, atau substrat) ke jenis zat lain (produk). Sebagai katalis, enzim dapat memfasilitasi reaksi kimia yang sama berulang-ulang.

Proses biologis yang terjadi di dalam semua organisme hidup adalah reaksi kimia dan sebagian besar diatur oleh enzim. Tanpa enzim, banyak reaksi ini tidak akan terjadi pada tingkat yang jelas. Enzim mengkatalisis semua aspek metabolisme sel. Ini termasuk pencernaan makanan, di mana molekul nutrisi besar (seperti protein, karbohidrat, dan lemak) dipecah menjadi molekul yang lebih kecil; konservasi dan transformasi energi kimia; dan konstruksi makromolekul seluler dari prekursor yang lebih kecil.

Banyak penyakit manusia yang diwariskan, seperti albinisme dan fenilketonuria, diakibatkan oleh kekurangan enzim tertentu.

Struktur dan Fungsi

Seperti semua protein, enzim terdiri dari satu atau lebih rantai panjang asam amino interkoneksi. Setiap enzim memiliki urutan unik asam amino yang menyebabkannya menjadi bentuk yang khas. Urutan asam amino enzim ditentukan oleh gen spesifik di inti sel. Ini memastikan bahwa setiap salinan enzim sama dengan yang lainnya.

Pada permukaan masing-masing enzim adalah celah khusus yang disebut situs aktif, yang menyediakan tempat reagen dapat ‘bertemu’ dan berinteraksi. Sama seperti kunci, situs aktif enzim hanya akan menampung reagen tertentu dan hanya satu jenis reaksi kimia yang dapat dikatalisis oleh enzim tertentu. Misalnya, selama pembuatan hemoglobin (pigmen pembawa oksigen di sel darah merah Anda), satu atom besi harus dimasukkan ke dalam pusat molekul untuk membuatnya berfungsi.

Enzim yang disebut ferrochelatase membawa reagen (zat besi dan molekul kosong) bersama-sama, mengkatalisasi persatuan mereka dan melepaskan molekul yang mengandung zat besi. Inilah satu-satunya reaksi yang dikatalisis oleh ferrochelatase. Perlu diingat bahwa enzim dapat menggabungkan reagen (seperti dalam sintesis hemoglobin), mereka dapat membelah reagen tunggal menjadi beberapa produk, atau mereka dapat mengubah pereaksi tunggal menjadi satu produk yang terlihat berbeda dari pereaksi asli.

Ketika reagen memasuki tempat enzim aktif, enzim mengalami perubahan bentuk sementara yang mendorong interaksi antara reagen. Setelah menyelesaikan reaksi kimia, produk tertentu dilepaskan dari tempat aktif, enzim tersebut melanjutkan konformasi aslinya dan reaksinya dapat dimulai lagi dengan reagen baru. Banyak enzim dimasukkan ke dalam jalur metabolisme.

Jalur metabolisme adalah serangkaian reaksi kimia yang mengubah satu atau lebih pereaksi menjadi produk akhir yang dibutuhkan oleh sel. Enzim dalam jalur metabolisme sama seperti orang yang melewati seember air di sepanjang brigade ember memindahkan pereaksi bersama sampai produk akhir diproduksi. Jalur metabolisme bisa sangat singkat, atau bisa memiliki banyak langkah dan beberapa enzim.

Jalur metabolisme yang mengubah triptofan (asam amino yang ditemukan dalam protein diet) menjadi serotonin (zat kimia yang diperlukan untuk fungsi otak normal) hanya dua langkah panjang. Agar berfungsi, banyak enzim memerlukan bantuan kofaktor atau koenzim. Kofaktor sering berupa ion logam, seperti seng, tembaga, besi, atau magnesium. Magnesium, salah satu kofaktor yang paling umum, mengaktifkan ratusan enzim, termasuk yang memproduksi DNA dan banyak yang membantu memetabolisme karbohidrat.

Banyak koenzim berasal dari vitamin. Sebenarnya, salah satu alasan utama mengapa Anda memerlukan vitamin dalam makanan Anda adalah menyediakan bahan baku untuk koenzim penting. Misalnya, vitamin C diperlukan oleh enzim yang memproduksi kolagen dan membangun kulit yang sehat, koenzim yang berasal dari vitamin B12 diperlukan untuk mensintesis insulasi di sekitar sel saraf Anda dan koenzim berbasis vitamin B6 sangat penting untuk menghasilkan serotonin.

Koenzim dan kofaktor mengikat ke situs enzim yang aktif dan mereka berpartisipasi dalam katalisis, namun umumnya tidak dianggap sebagai reagen, juga tidak menjadi bagian dari produk reaksi. Dalam banyak kasus, kofaktor dan koenzim berfungsi sebagai pembawa perantara elektron, atom spesifik, atau kelompok fungsional yang ditransfer selama reaksi keseluruhan.

Mengapa Kita Membutuhkan Enzim?

Salah satu hukum alam yang tidak berubah adalah energi dibutuhkan untuk memulai reaksi kimia. Lagi pula, jika Anda ingin mengubah sesuatu, Anda harus meletakkan beberapa pekerjaan ke dalamnya. Untuk setiap reaksi kimia, energi aktivasi – jumlah energi tertentu – harus diterapkan pada reagen sebelum reaksi berlangsung. Energi aktivasi seperti sebuah bukit antara reagen dan produknya dan reagennya harus didorong ke atas bukit ini sebelum reaksinya dapat berlanjut.

Di situlah enzim masuk: mereka menurunkan ‘bukit’ energi sehingga reaksi kimia bisa dimulai lebih mudah dan dilanjutkan dalam kondisi yang ‘ramah sel’. Enzim di sepanjang jalur metabolisme juga dapat membagi satu reaksi kimia berenergi tinggi ke dalam banyak tahap, masing-masing hanya memerlukan sebagian kecil dari energi yang dibutuhkan untuk keseluruhan proses.

Akhirnya, enzim dapat mempercepat laju reaksi jutaan kali, yang sangat penting bagi sel yang seringkali membutuhkan produk dalam jumlah besar hanya dalam beberapa detik.

Bagaimana Enzim Bekerja?

Enzim adalah molekul biologis (biasanya protein) yang secara signifikan mempercepat laju hampir semua reaksi kimia yang terjadi di dalam sel. Mereka sangat penting untuk kehidupan dan melayani berbagai fungsi penting di tubuh, seperti membantu pencernaan dan metabolisme.

Beberapa enzim membantu memecah molekul besar menjadi potongan-potongan kecil yang lebih mudah diserap tubuh. Enzim lain membantu mengikat dua molekul bersama untuk menghasilkan molekul baru. Enzim adalah katalis yang sangat selektif, yang berarti bahwa setiap enzim hanya mempercepat reaksi spesifik. Molekul yang bekerja dengan enzim disebut substrat. Substrat mengikat ke daerah pada enzim yang disebut situs aktif.

Ada dua teori yang menjelaskan interaksi enzim-substrat.

Pada model dan kunci, tempat aktif enzim dibentuk secara tepat untuk menampung substrat tertentu. Dalam model induksi-fit, situs aktif dan substrat tidak sesuai atau tidak sempurna. Sebaliknya, keduanya mengubah bentuknya untuk terhubung. Apapun masalahnya, reaksi yang terjadi sangat cepat, lebih dari satu juta kali setelah substrat mengikat ke tempat aktif enzim.

Reaksi kimia menghasilkan produk atau molekul baru yang kemudian memisahkan enzim, yang kemudian mengkatalisis reaksi lainnya. Inilah contohnya: Bila enzim amylase saliva berikatan dengan pati, ia mengkatalisis hidrolisis (pemecahan senyawa karena reaksi dengan air), mengakibatkan maltosa, atau gula malt.

Sifat kimia

Semua enzim pernah dianggap sebagai protein, namun sejak tahun 1980an, kemampuan katalitik asam nukleat tertentu, yang disebut ribozim (atau RNA katalitik), telah ditunjukkan, menyangkal aksioma ini. Karena begitu sedikit yang belum diketahui tentang fungsi enzimatik RNA, diskusi ini akan berfokus terutama pada enzim protein.

Molekul enzim protein besar terdiri dari satu atau lebih rantai asam amino yang disebut rantai polipeptida. Urutan asam amino menentukan karakteristik pola lipatan struktur protein, yang penting untuk spesifisitas enzim. Jika enzim mengalami perubahan, seperti fluktuasi suhu atau pH, struktur protein dapat kehilangan integritas (denatur) dan kemampuan enzimatiknya. Denaturasi terkadang, tapi tidak selalu, reversibel.

Terikat ke beberapa enzim adalah komponen kimia tambahan yang disebut kofaktor, yang merupakan peserta langsung dalam kejadian katalitik dan karenanya diperlukan untuk aktivitas enzimatik. Kofaktor bisa berupa koenzim – molekul organik, seperti vitamin atau ion logam anorganik. Beberapa enzim membutuhkan keduanya. Sebuah kofaktor bisa terikat erat atau longgar ke enzim. Jika terkoneksi erat, kofaktor disebut sebagai kelompok prostetik.

Tata nama

Enzim akan berinteraksi hanya dengan satu jenis zat atau kelompok zat, yang disebut substrat, untuk mengkatalisis jenis reaksi tertentu. Karena spesifisitas ini, enzim sering diberi nama dengan menambahkan akhiran “-ase” ke nama substrat (seperti pada urease, yang mengkatalisis pemecahan urea). Tidak semua enzim diberi nama dengan cara ini dan untuk memudahkan kebingungan seputar tata nama enzim, sistem klasifikasi telah dikembangkan berdasarkan jenis reaksi yang dikatalisis enzim.

Ada enam kategori utama dan reaksinya:

  1. Oksidoreduktase, yang terlibat dalam transfer elektron.
  2. Transferases, yang memindahkan kelompok kimia dari satu zat ke zat lainnya.
  3. Hidrolase, yang membelah substrat dengan pengambilan molekul air (hidrolisis).
  4. Lyase, yang membentuk ikatan rangkap dengan menambahkan atau melepaskan kelompok kimia.
  5. Isomerase, yang memindahkan kelompok dalam suatu molekul untuk membentuk isomer.
  6. Ligases, atau synthetases, yang membentuk beberapa ikatan kimia dengan hancurnya ikatan pirofosfat dalam adenosine triphosphate atau nukleotida yang serupa.

Mekanisme Aksi Enzim

Pada kebanyakan reaksi kimia, ada penghalang energi yang harus diatasi agar reaksi terjadi. Hambatan ini mencegah molekul kompleks seperti protein dan asam nukleat dari merendahkan secara spontan dan karenanya diperlukan untuk pelestarian kehidupan. Bila diperlukan perubahan metabolik dalam sel, pasti molekul-molekul kompleks ini harus dipecah dan penghalang energi ini harus diatasi.

Panas bisa memberi energi tambahan yang dibutuhkan (disebut energi aktivasi), namun kenaikan suhu akan membunuh sel. Alternatifnya adalah menurunkan tingkat energi aktivasi melalui penggunaan katalis. Ini adalah peran yang dimainkan enzim. Mereka bereaksi dengan substrat untuk membentuk kompleks perantara – sebuah “keadaan transisi” – yang memerlukan lebih sedikit energi agar reaksi berlanjut.

Senyawa intermediate yang tidak stabil cepat rusak untuk membentuk produk reaksi dan enzim yang tidak berubah bebas bereaksi dengan molekul substrat lainnya. Hanya daerah enzim tertentu, yang disebut situs aktif, berikatan dengan substrat. Situs aktif adalah alur atau saku yang dibentuk oleh pola lipat protein.

Struktur tiga dimensi ini, bersama dengan sifat kimia dan elektrik dari asam amino dan kofaktor di dalam situs aktif, hanya mengizinkan substrat tertentu untuk mengikat ke situs, sehingga menentukan kekhususan enzim.

Enzim sintesis dan aktivitas juga dipengaruhi oleh kontrol genetik dan distribusi dalam sel. Beberapa enzim tidak diproduksi oleh sel tertentu dan lainnya terbentuk hanya jika diperlukan. Enzim tidak selalu ditemukan secara seragam di dalam sel; seringkali mereka dikelompokkan dalam nukleus, pada membran sel, atau pada struktur subselular.

Tingkat sintesis dan aktivitas enzim lebih dipengaruhi oleh hormon, neurosecretion dan bahan kimia lainnya yang mempengaruhi lingkungan internal sel.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Aktivitas Enzim

Karena enzim tidak dikonsumsi dalam reaksi yang mereka katalisiskan dan dapat digunakan berulang-ulang, hanya sejumlah kecil enzim yang diperlukan untuk mengkatalisis reaksi. Molekul enzim yang khas dapat mengubah 1.000 molekul substrat per detik. Tingkat reaksi enzimatik meningkat dengan meningkatnya konsentrasi substrat, mencapai kecepatan maksimum ketika semua lokasi aktif molekul enzim dilibatkan.

Enzim kemudian dikatakan jenuh, laju reaksi ditentukan oleh kecepatan di mana situs aktif dapat mengubah substrat menjadi produk. Aktivitas enzim bisa dihambat dengan berbagai cara. Hambatan kompetitif terjadi ketika molekul sangat mirip dengan molekul substrat yang mengikat ke tempat aktif dan mencegah pengikatan substrat yang sebenarnya.

Penisilin, misalnya, adalah inhibitor kompetitif yang menghalangi situs aktif enzim yang banyak digunakan bakteri untuk membangun dinding sel mereka. Penghambatan yang tidak kompetitif terjadi ketika penghambat mengikat enzim di lokasi selain tempat aktif. Dalam beberapa kasus penghambatan yang tidak kompetitif, inhibitor dianggap mengikat enzim sedemikian rupa sehingga secara fisik menghalangi lokasi aktif normal.

Dalam kasus lain, pengikatan inhibitor diyakini mengubah bentuk molekul enzim, sehingga merusak bentuk aktifnya dan mencegahnya bereaksi dengan substratnya. Jenis inhibitor nonkompetitif yang terakhir ini disebut inhibisi alosterik; tempat dimana penghambat mengikat enzim disebut situs alosterik. Seringkali, produk akhir dari jalur metabolisme berfungsi sebagai penghambat alosterik pada enzim jalur yang sebelumnya. Penghambatan enzim ini oleh produk jalurnya merupakan bentuk umpan balik negatif.

Kontrol alosterik bisa melibatkan stimulasi aksi enzim sekaligus penghambatan. Molekul aktivator dapat diikat ke situs alosterik dan menginduksi reaksi di lokasi aktif dengan mengubah bentuknya agar sesuai dengan substrat yang tidak dapat menginduksi perubahan dengan sendirinya. Aktivator umum meliputi hormon dan produk reaksi enzimatik sebelumnya. Stimulasi dan penghambatan alosterik memungkinkan produksi energi dan bahan oleh sel saat dibutuhkan dan menghambat produksi saat persediaan cukup.

Peran enzim dalam metabolisme

Beberapa enzim membantu memecah molekul nutrisi besar, seperti protein, lemak dan karbohidrat, menjadi molekul yang lebih kecil. Proses ini terjadi saat pencernaan bahan makanan di perut dan usus binatang. Enzim lain memandu molekul yang lebih kecil dan rusak melalui dinding usus ke dalam aliran darah. Masih ada enzim lain yang mempromosikan pembentukan molekul kompleks dan besar dari yang kecil dan sederhana untuk menghasilkan konstituen seluler.

Enzim juga bertanggung jawab atas berbagai fungsi lainnya, termasuk penyimpanan dan pelepasan energi, jalannya reproduksi, proses respirasi dan penglihatan. Mereka sangat diperlukan untuk hidup. Setiap enzim mampu mempromosikan hanya satu jenis reaksi kimia. Senyawa dimana enzim bertindak disebut substrat. Enzim beroperasi dalam sistem metabolisme yang terorganisir dengan ketat yang disebut jalur.

Fenomena biologis yang tampaknya sederhana – kontraksi otot, misalnya, atau transmisi impuls saraf – sebenarnya melibatkan sejumlah besar langkah kimia di mana satu atau lebih senyawa kimia (substrat) diubah menjadi zat yang disebut produk; produk dari satu langkah dalam jalur metabolisme berfungsi sebagai substrat untuk langkah selanjutnya dalam jalur.

Peran enzim dalam jalur metabolisme dapat digambarkan secara diagram. Senyawa kimia yang ditunjukkan oleh A (lihat diagram di atas) diubah menjadi produk E dalam serangkaian tahap katalis yang dikatalisis, dimana senyawa antara yang ditunjukkan oleh B, C dan D terbentuk berturut-turut. Mereka bertindak sebagai substrat untuk enzim yang ditunjukkan oleh 2, 3, dan 4.

Senyawa A juga dapat dikonversi oleh rangkaian langkah lain, beberapa di antaranya sama dengan yang ada di jalur pembentukan E, pada produk yang ditunjukkan oleh G dan H. Huruf mewakili senyawa kimia; bilangan mewakili enzim yang mengkatalisis reaksi individu. Tingginya relatif mewakili energi termodinamika senyawa (misalnya, senyawa A lebih kaya energi daripada B, B lebih kaya energi daripada C).

Senyawa A, B, dan sebagainya, berubah sangat lambat tanpa katalis tetapi melakukannya dengan cepat dengan adanya katalis 1, 2, 3, dll. Peran regulasi enzim dalam jalur metabolisme dapat diklarifikasi dengan menggunakan analogi sederhana: yaitu di antara senyawa, yang ditunjukkan oleh huruf dalam diagram dan serangkaian reservoir air yang terhubung di lereng. Demikian pula, enzim yang ditunjukkan oleh bilangan tersebut analog dengan katup sistem reservoir.

Katup mengontrol aliran air di reservoir; Artinya, jika hanya katup 1, 2, 3, dan 4 yang terbuka, air dalam A mengalir hanya ke E, tetapi jika katup 1, 2, 5, dan 6 terbuka, air dalam A mengalir ke G. In Dengan cara yang sama, jika enzim 1, 2, 3, dan 4 di jalur metabolisme aktif, produk E terbentuk, dan jika enzim 1, 2, 5 dan 6 aktif, produk G terbentuk.

Aktivitas atau kurang aktivitas enzim dalam jalur tersebut menentukan nasib senyawa A; Yaitu, tetap tidak berubah atau diubah menjadi satu atau lebih produk. Selain itu, jika produk terbentuk, aktivitas enzim 3 dan 4 relatif terhadap enzim 5 dan 6 menentukan kuantitas produk E yang terbentuk dibandingkan dengan produk G.

Baik aliran air maupun aktivitas enzim mematuhi hukum termodinamika. Oleh karena itu, air dalam reservoir F tidak dapat mengalir bebas ke H dengan membuka katup 7, karena air tidak dapat mengalir menanjak. Jika, bagaimanapun, katup 1, 2, 5, dan 7 terbuka, air mengalir dari F ke H, karena energi yang dilestarikan selama aliran air yang menurun melalui katup 1, 2, dan 5 sudah cukup untuk memungkinkannya memaksakan air melalui katup 7.

Dengan cara yang sama, enzim di jalur metabolisme tidak dapat mengubah senyawa F secara langsung ke H kecuali energi tersedia; enzim dapat memanfaatkan energi dari reaksi pelestarian energi untuk mengkatalisis reaksi yang membutuhkan energi. Selama oksidasi karbohidrat yang dikatalisis enzim karbohidrat menjadi karbon dioksida dan air, energi dilestarikan dalam bentuk senyawa kaya energi, adenosin trifosfat (ATP).

Energi di ATP digunakan selama proses konsumsi energi seperti kontraksi protein yang dikatalisis oleh enzim. Karena kebutuhan sel dan organisme bervariasi, tidak hanya aktivitas tapi juga sintesis enzim harus diatur; Misalnya, enzim yang bertanggung jawab untuk aktivitas otot pada otot kaki harus diaktifkan dan terhambat pada waktu yang tepat. Beberapa sel tidak memerlukan enzim tertentu; Sel hati, misalnya, tidak memerlukan enzim otot.

Bakteri tidak memerlukan enzim untuk memetabolisme zat yang tidak ada dalam medium pertumbuhannya. Beberapa enzim, oleh karena itu, tidak terbentuk di sel-sel tertentu, yang lain hanya disintesis bila diperlukan dan masih ada lagi yang ditemukan di semua sel.

Pembentukan dan aktivitas enzim tidak hanya diatur oleh mekanisme genetik tetapi juga oleh sekresi organik (hormon) dari kelenjar endokrin dan oleh impuls saraf. Molekul kecil juga memainkan peran penting. Demikian ulasan mengenai enzim, semoga dapat menambah wawasan anda.