Enzim: Mekanisme Kerja

Enzim adalah polimer yang mengkatalisis reaksi kimia yang memungkinkan berlangsungnya kehidupan. Keberadaanya merupakan hal esensial untuk menguraikan nutiren menjadi energi  dan bahan dasar kimiawi. Kekurangan jumlah atau aktivitas katalitik enzim kunci dapat terjadi akibat mutasi genetik atau infeksi virus/bakteri  patogen.

Enzim Merupakan Katalis yang Efektif dan Spesifik

Enzim yang mengatalisis perubahan satu atau lebih senyawa (substrat) menjadi satu atau lebih senyawa yang lain (produk)meningktakan laju reaksi 10⁶ kali dibandingkans dengan tidak dikatalisis. Enzim tidak berubah secara permanen atau dikonsumsi sebagai konsekuensi dari keikutsertaanya dalam reaksi yang bersangkutan.

Selain sangat efisien, enzim juga sangat selektif. Enzim bersifat spesifik baik bagi  tipe reaksi yang dikatalisis maaupun substrat atau substrat-substrat yang berhubungan erat. Enzim juga merupakan katalis stereospesifik dan biasanya mengatalisis reaksi dari hanya satu stereoisomer suatu senyawa. Karena berikatan dengan substrat melalui sedikitnya tiga titik perlekatan, enzim bahkan dapat mengubah substrat nonchiral menjadi produk chiral. Spesifisitas enzim sangat tinggi memberi sel hidup kemampuan untuk bersamaan melaksanakan dan secara independen mengontrol beragam proses kimiawi.

Enzim diklasifikasikan berdasarkan tipe reaksi

Nama-nama yang  paling sering digunakan untuk kebanyakan enzim menjelaskan tipe reaksiyang dikatalisis, diikuti oleh akhiran –ase.contohnya, dehidrogenase mengeluarkan atom-atom hidrogen, protease menghidrolisis protein, dan isomerase mengatalisis tata-ulang dalam konfigurasi. Pemodifikasi dapat terletak didepan atau dibelakang nama enzim untuk menjelaskan substrat enzim (xantin oksidase), sumber enzim (ribonuklease pankreas), pengaturannya (lipase peka hormon), atau suatu gambaran dari mekanisme kerjanya (protease sistein).

Untuk menghilangkan ambiguitas, international Union of Biochemist (IUB) menciptakan suatu sistem terpadu tatanama enzim yaitu setiap enzim memiliki nama dan kode khusus yang menunjukkan tipe reaksi yang dikatalisis dan substrat yang terlibat. Enzim dikelompokkan ke dalam enam kelas:

1.       Oksidoreduktase (mengatalisis oksidasi dan reduksi)

2.       Transferase (mengatalisis pemindahan gugus seperti gugus glikosil, metil atau fosforil)

3.       Hidrolase (mengatalisis pemutusan hidrolitik C-C, C-O, C-N dan ikatan lain)

4.       Liase, mengatalisis pemutusan C-C, C-O, C-N, dan ikatan lain dengan eliminasi atom yang mengahasilkan ikatan rangkap.

5.       Isomerase (mengatalisis prubahan geometrik atau struktural di dalam suatu molekul)

6.       Ligase (mengatalisis penyatuan dua molekul yang  dikaitkan dengan hidrolisis ATP)

Gugus Prostetik, Kofaktor, dan Koenzim Berperan Penting dalam Katalisis

Banyak enzim mengandung berbagai molekul nonprotein kecil dan ion logam yang ikut serta secara langsung dalam katalisis atau pengikatan sibstrat. Molekul/ion ini, yang disebut gugus prostetik, kofaktor, dan  koenzim, yang memperluas ragam kemampuan katalisis melebihi yyang dimungkinkan oleh gugus fungsional di rantai samping aminoasil peptida.

Gugus prostetik dibedakan berdasrkan integrasinya yang kuat dan stabil kedalam struktur protein melalui gaya-gaya kovalen atau nonkovalen. Contohnya adalah piridoksal fosfat, flavin mononukleotida (FMN), flavin adenin dinukleotida (FAD), tiamin pirofosfat, biotin, dan ion logam Co, Cu, Mg, Mn dan Zn. Logam adalah gugus prostetik yang paling sering dijumpai. Sekitar sepertiga dari semua enzim mengandung ion-ion logam yang terikat erat  dan dissebut metaloenzim. Ion-ion logam yangikut serta dalam reaksi redoks umumnya berikatan dengan gugus prostetik, misalnya heme atau kelompok besi-sulfur. Logam juga mempermudah pengikatan  dengan orientasi substrat, pembentukan ikatan kovalen dengan  zat-zat antara reaksi atau berinteraksi dengan substrat untuk menyebabkan lebih elektrofilik(kekurangan elektron) atau nukelofilik (kaya elektron).

Kofaktor berikatan secara reversibel dengan enzim atau substrat

Kofaktor memiliki fungsi serupa denhann gugus prostetik tetapi berikatan secara transien dan mudah terlepas dengan enzim atau substrat, misalnya ATP. Tidak sperti gugus prostetik yangterikat secara stabil, kofaktor harus terdapat dalam medium di sekitar enzim agar katalisis dapat terjadi. Enzim yang memerlukan kofaktor ion logam disebut enzim yang diaktifkan oleh logam (metal-activated enzymes) untuk membedakannya dari metaloenzim dengan ion logam berfungsi sebagai gugus prostetik.

Koenzim berfungsi sebagai spenagngkut atau bahan pemindah gugus yang dapat didaur ulang dan memindahkan banyak substrat dari tempat pembentukannya ke tempat pemakaiannya. Ikatan dengan koenzim juga menstabilkan substrat, sperti atom hidrogen atau ion hidrida yang tidak stabil dalam lingkungan cair sel. Gugus kimia lain yang tidak diangkut oleh koenzim adalah gugus metil(folat), gugus asil (koenzim A), dan oligosakarida (dolikol).

Banyak koenzim, kofaktor, dan gugus prostetik adalah turunan Vitamin B

Vaitamin B llarut air merupakan komponen penting berbagai koenzim. Selain vitamin B, beberapa koenzim mengandung gugus adenin, ribosa, dan fosforil AMP atau ADP. Nikotamid adalah komponen koenzim redoks FMN dan FAD. Asam pantotenat adalah komponen  dari koenzim A pengangkut gugus asli. Sebagai pirofosfatnya, tiamin ikut serta dalam dekarboksilasi asam α-keto dan koenzim asam folat dan kobamidberfungsi dalam metabolisme satu karbon.

Katalisis Terjadi Di Bagian Aktif

Spesifisitas substrat yang ekstrim dan efisiensi katalitik enzim yang tinggi mencerminkan adanya lingkungan yang dirancang sedemikian cermat hanya untuk satu reaksi tertentu. Lingkungan ini yang disebut bagian/ tempat aktif(active site), umumnya berbentuk celah atau kantung. Bagian aktif pada enzim multimerik sering terletak pada pertemuan antara subunit-subunit dan merekrut residu-residu dari lebih satu monomer. Bagian aktif tiga dimensi ini melindungi substrat dari pelarut dan mempermudah katalisis. Substrat mengikat bagian aktif di regio yang bersifat komplementer dengan bagian substrat yang tidak mengalami perubahan kimiawi sewaktu reaksi berlangsung. Pengikatna ini secara simultan menyatukan bagian-bagian substrat  yang akan mengalami perubahan dengan gugus-gugus fungsional residu peptidil aminoasil. Bagian aktif juga mengikat dan mengarahkan kofaktor atau gugus prostetik. Banyak residu aminoasil yang diperoleh dari berbagai macam rantai polipeptida ikut serta menentukan karakter tiga dimensi dan ukuran yang besar pada bagian aktif.

Enzim Menggunakan Banyak Mekanisme untuk Mempermudah Katalisis

Enzim menggunakan berbagai kombinasi dari empat mekanisme umum untuk mempercepat laju reaksi kimia.

Katalisis karena kedekatan

Agar dapat bereaksi, molekul-molekul harus berada dalam jarak yang cukup dekat untuk membentuk ikatan satu sama lain. Semakin tinggi konsentrasinya, akan semakin sering molekul-molekul itu bertemu satu sama lain dan semakin besar laju reaksinya. Ketika mengikat molekul substrat dibagian aktifnya, enzim menciptakan suatu regio dengan konsentrasi substrat lokal yang tinggi. Lingkungan ini juga secara spasial mmengatur arah molekul-molekul substrat sehingga diperoleh posisi ideal untuk berinteraksi. Hal tersebut menyebabkan laju reaksi meningkat sedikitnya seribu kali lipat.

Katalisis Asam basa

Gugus-gugus fungsional yang dapat terionisasi pada rantai samping aminoasil dan pada gugus prostetik berperan dalam katalisis dengan berfungsi sebagai asam atau basa. Katalisis asam-basa dapat bersifat spesifik atau umum. Spesifik dalamhal ini diartikan hanya proton (H₃0⁺) atau ion OH^-. Pada katalisis asam spesifik atau basa spesifik, laju reaksi peka terhadap perubahan dalam konsentrasi proton, tetapi tidak bergantung pada konsentrasi asam lain(donor proton) atau basa (akseptor proton) yang  terdapat di dalam larutan atau diabagian aktif. Reaksi yang lajunya responsif terhadap semua asamatau basa yang ada dikatakan dapat mengalami katalisis bsa umum atau asam umum.

Katalisis dengan paksaan

Enzim yang mengatalisis reaksi lisis yang menyebabkan putusnya ikatan kovalen biasanya mengikat substratnya dalam suatu konformasi yang agak sedikit kurang menguntungkan bagi ikatan yang akan putus tersebut. Konformasi yang terjadi akan meregankan atau mendistorsi  ikatan sasaran, melemahkannya, atau menyebabkannya lebih rentann terputus.

Katalisis Kovalen

Proses katalisis kovalen melibatkan pembentukan suatu ikatan kovalen antara enzim dan satu lebih substrat. Enzim yang telah mengalami modifikasi terebut kemudian menjadi suatu reaktan. Katalisis kovalen memasukkan suatu jenis reaksi baru dengan energi aktivasiyang lebih rendah dan karena itu lebih cepat daripada dalam larutan homogen. Namun, modifikasi kimiawi pada enzim  bersifat transien. Setelah reaksi selesai, enzim kembali kekeadaannya sebelum termodifikasi. Jadi mperan enzim tersebut tetap katalitik. Katalisis kovalen sering terjadi pada enzim-enzim yang mengatalisis reaksi pemindahan gugus. Residu di enzim yang ikut serta dalam katalisis kovalen umumnya adalahsuatu sistein atau serin dan kadang-kadang histidin. Katalisis kovalen sering mengikuti suatu mekanisme dengan substrat pertama yang terikat dan produknya dibebaskan sebelum substrat keduanya terikat.

Substrat Menginduksi Perubahan Konformasi pada Enzim

Emil Fischer mengibaratkan ikatan sangat spesifik antara enzim dan substratnya sebagaiu kunci dan anak kuncinya. Meskipun perumpamaan ini dapat menjelaskan spesifisitas yang sangat tinggi pada interaksi enzim-substrat, namun kesan bahwa bagianb enzimbrsifat kaku tidak sesuai dengan perubahan-perubahan dinamik yang menyertai katalisis. Kekurangan ini diatasi oleh Daniel Koshland yang mengajukan model induce fit, yang menyatakan bahwa ketika mendekati dan berikatan dengan enzim, substrat mengiduksi perubahan konformasi pada enzim yaitu perubahan yang analog dengan memasukkan tangan (substrat) ke dalam sarung tangan (enzim). Akibat wajarnya  adalah bahwa enzim memicu perubahan timbal balik pada substrat dengan memanfaatkan energi ikatan untuk memfasilitasi transformasi substrat menjadi produk. Model induced fit ini telah dibuktikan oleh studi-studi biofisik pergerakan enzim sewaktu mengikat substrat.

Residu Katalitik Bersifat “Highly Conserved”

Anggota-anggota dari suatu famili enzim, misalnya protease aspartat atau serin menggunakan mekanisme serupa untuk mengatalisis suatu reaksi tetapi bekerja pada substrat yang berbeda.  Famili-famili enzim tampaknya berasal dari proses duplikasi gen yang menciptakan salinan kedua dari gen yang  menyandi enzim tertentu. Protein yang disandi oleh kedua gen kemudian dapat mengalami evolusi secara mandiri untuk mengenal substrat yang berbeda dan membentuk, contohnya, kimotripsin, yang memecah ikatan peptida di sisi terminal karboksil asam-asam amino hidrofob besar; dan tripsin yang memutuskan ikatan peptida di sisi terminal karboksil asam-asam amino basa. Kesamaan asal mula enzim dapat diperkirakan dari adanya asam amino spesifik diposisi yang sama di setiap anggota famili enzim. Residu-residu ini disebut sebagai conserved residues( residu yang tidak mengalami perubahan evolusi). Protein—protein yang memiliki banyak residu jenis ini dianggap bersifat homolog satu sama lain. Residu- residu yang ikut serta secara langsung dalam katalisis termasuk dalam residu dengan derajat konservasi tinggi.

Isozim adalah bentuk enzim berbeda yang mengatalisis reaksi yang sama

Organisme tingkat tinggi sering mengeluarkan beberapa versi yang secara fisik berbeda dari suatu enzim, dan masing-masing mengatalisis reaksi yang sama. Sperti anggota famili enzim lainnya, katalis-katalis protein atau isoenzim ini berasal dari duplikasi gen. isoenzim dapat memperlihatkan perbedaan ringan dalam sifat seperti sensitivitas terhadap faktor regulatorik tertentu atau afinitas substrat (misalnya heksokinase dan glukokinase) yang mengadaptasikan isoenzim kejaringan atau lingkungan tertentu. Sebagian isoenzim juga dapat meningkatkan kelangsungan hidup dengan menyediakan salinan cadangan suatu enzim esensial.

Aktivitas  Katalitik Enzim lainnya Mempermudah Deteksinya

Jumlah enzim yang relatif sedikit di dalam sel mempersulit penentuan keberadaan dan konsentrasi enzim tersebut. Namun kemampuan untuk secara cepat mengubah ribuan molekul suatu substrat tertentu menjadi produk memudahkan masing-masing enzim untuk mengungkapkan keberadaannya. Pada kondisi yang sesuai, laju reaksi katalitik yang dipantau setara dengan jumlah enzim yang ada, yang memungkinkan untuk di ukur enzimnya.

Enzimologi Molekul Tunggal

Terbatasnya sensitivitas konsentrasi enzim tradisional mengharuskan digunakannya sekelompok besar, atau ansambel, molekul enzim untuk menghasilkan produk dalam jumlah yang dapat diukur. Oleh sebab itu, data yang diperoleh mencerminkan kemampuan katalitik rata-rata masing-masing molekul. Kemajuan-kamjuan terkini dalam bidang nanoteknologi memungkinkan kita mengamati, biasanya dengan miroskop fluoresen, katalisis oleh masing-masing enzim dan molekul substrat.

Enzyme-Linked Immunnoassay (ELISA)

Sensitivitas pengukuran enzim dapat digunakan untuk mendeteksi protein yang tidak memilki aktivitas katalitik. Enzyme linked immunoassay (ELISA) menggunakan antibodi yang secara kovalen terhubung ke suatu enzim reporter misalnya alkali fosfatase atau peroksidase horseradish (sejenis tanaman lobak) yang produk-produknya mudah dideteksi, umumnya melalui penyerapan sinar atau dengan fluorosensi. Serum atau sampel biologis lain yang akan diperiksa diletakkan didalam lempeng mikrotiter plastik dann tidak dapat bergerak. Semua permukaan penyerap dinding sumur yang tersisa kemudian diblok dengan menambahkan protein nonantigen, misalnya albumin serum sapi. Kemudian ditambahkan suatu larutan antibodi yang diiikat secara kovalen ke suatu enzim reporter. Antibodi melekat pada antigen yang telah diimobilisasi sehingga ikut terimobilisasi. Kelebihan molekulm antibodi kemudian dihilangkan dengan pembilasan. Keberadaan dan jumlah antibodi yang terikat kemudian ditentukan dengan menambahkan substrat untuk enzim reporter tersebut.

Analisis enzim tertentu membantu diagnosis

Dari ribuan enzim yang berbeda di tubuh manusia, enzim-enzim yang fungsinya tidak tergantikan bagi vitalitas sel akan terdapat diseluruh tubuh. Enzim lain atau isozim diekspreikan hanya disel tertentu pada periode tertentu perkembangan, atau sebagain respon terhadap perubahan fisiologis atau patologis tertentu. Analisis tentang keberadaan dan dan distribusi enzim dan isoenzim dengan ekspresi yang biasanya spesifik untuk jaringan, waktu, atau laingkungan sering membantu penegakan diagnosis.

Enzim plasma nonfungsional membantu menentukan diagnosis dan prognosis

Enzim dan proenzim tertentu serta substratnya terdapat setiap saat dalam darah orang normal dan menjalankan fungsifisiologis dalam darah. Plasma juga mengandung banyak enzim lain yang fungsi fisiologisnya dalam darah tidak diketahui. Enzim plasma yang tampaknya nonfungsional ini berasal dari kerusakan normal rutin eritrosit, leukosit dan sel lain. Kerusakan atau nekrosis jaringan akibat cedera atau penyakit umumnya disertai peningkatan kadar beberapa enzim plasma nonfungsional.

Ringkasan

·         Enzim adalah katalis yag sangat efektif dan spesifik

·         Gugus prostetikk organik dan anorganik, kkofaktor, dan koenzim berperan penting dalam katalisis. Koenzim yangn banyak di antaranya berupa turunan dari vitamin B, berfuingsi sebagai pengangkut.

·         Mekanisme katalitik yang digunakan oleh enzim mencakup introduksi strain, aproksimasi reaktan, katalisis asam basa, dan katalisis kovalen.

·         Pada semua kelas pada enzim tertentu, residu amino asil yangikut serta dalam katalisis sangat terkonservasi

·         Substrat dan enzim saling memicu perubahan konformasi yang mempermudah pengenalan dan katalisis substrat.

·         Aktivitas katalitik enzim mengungkapkan keberadaanya,mempermudah deteksinya, dan menjadi dasar berbagai pemeriksaan ELISA.

·         Pengukuran enzim plasma membantu diagnosis dan prognosis.

·         Endonuklease restriksi mempermudah diagnosis penyakit genetik dengan mengungkapkan restriction fragment length polymorphism