VI. KONSEP DASAR ENZIM DR. EDY MEIYANTO MSI APT Tujuan Instruksional Khusus (TIK) Mahasiswa setelah mengikuti kuliah bagian ini mampu menyebut sifat dan jenis-jenis enzim serta menjelaskan konsep dasar kinetika enzim PENDAHULUAN Setiap sel hidup dalam organisme memerlukan tenaga (energi) untuk kelangsungan hidupnya. Tenaga tersebut diperoleh dari serangkaian reaksi pembongkaran (katabolisme) bahan-bahan manakan (nutrisi) yang utamanya adalah glukosa (sumber energi utama hasil konversi energi matahari menjadi energi kimia melalui proses fotosintesis). Energi tersebut selanjutnya digunakan untuk melakukan seluruh proses-proses fisiologi dan biokimia di dalam sel dan system tubuh melalui berbagai reaksi. Seluruh proses dan reaksi tersebut dilakukan dalam kondisi terjaga, dan memerlukan katalisator yang disebut Enzim. PENGERTIAN ENZIM Enzim adalah zat yang dihasilkan oleh organisme hidup yang melakukan fungsi sebagai kalisator pada reaksi-reaksi biokimia. Hampir semua enzim yang dikenali hingga saat ini berupa protein, dan sedikit yang berupa RNA yang disebut Ribozim. Sebagai protein, enzim berukuran sangat besar disbanding dengan molekul pada reaksi yang dikatalisis. Ukuran enzim berkisar 12-1000 KD. Enzim dapat berupa untai polipeptida saja/ protein tunggal atau berupa protein yang mengikat unsur atau gugus tertentu. Enzim yang berupa protein saja dinamakan apoenzim sedang enzim yang merupakan gabungan antara protein dengan unsure atau gugus non protein disebut holoenzim. Bagian enzim yang berupa unsure dnamakan ko factor sedang yang berupa senyawa organic disebut ko enzim. Bagian enzim non protein tersebut berperan penting dalam reaksi katalisis dan disebut sebagai gugus prostetik. Ko-enzim pada umumnya berupa senyawa kelopmpok vitamin larut dalam air. 43
Tabel 1. Contoh beberapa enzim yang memiliki ko-faktor No Jenis ko factor Contoh enzim 1 Fe2+ Oksidase sitokrom, katalase, Peroksidase 2 Cu2+ Oksidase sitokrom 3 Zn2+ Polimerase DNA, Anhidrase karbonik, Dehidrogenase 4 Mg2+ Heksokinase, 6-Fosfatase glukosa 5 Mn2+ Arginase 6 K+ Kinase piruvat 7 Ni2+ Urease 8 Se Peroksidase glutation Tabel 2. Contoh beberapa enzim yang mengandung ko-enzim No Jenis ko enzim Senyawa yang dipindahkan 1 Tiamin pirofosfat aldehida 2 Flavin adenin dinukleotida (FAD) Atom hidrogen 3 Nikotinamida adenin dinukleotida (NAD) Ion hidrida (H-) 4 Koenzim A Gugus asil 5 Piridoksal fosfat Gugus amino 6 Koenzim B12 Gugus alkil 7 Biotin CO2 8 tetrahidrofolat Gugus satu karbon TATA NAMA DAN KLASIFIKASI International Union of Biochemistry (IUB) pada tahun 1955 merekomendasikan tatacara pemberian nama enzim: 1. Nama sistematik: sesuai dengan reaksi yang dikatalisis; misalnya: fosfotransferase ATP: glukosa, yaitu enzim yang mengkatalisis reaksi pemindahan gugus fosfat dari ATP me glukosa. 2. Kode numeric: penamaan dengan nomor kode klasifikasi enzim. Misalnya: 2.7.1.1 menjelaskan bahwa enzim contoh no 1 tersebut termasuk kelas 2 44
(transferase), subklas fosfotransferase (7), sub-sub klas gugus hidroksil sebagai penerima (1) dan sub-sub-sub klas glukosa sebagai penerima (1). 3. Nama yang direkomendasi:nama yang memudahkan untuk menyebut dan mengingat karena sering digunakan sehari-hari. Misalnya: Amilase 4. Nama singkatan: nama yang disingkat dari nama aslinya yang panjang. Misalnya: GST singkatan dari Glutation-S transferase 5. Nama umum atau nama trivial: nama yang sering disebut. Misalnya heksokinase, amilase, tripsin, pepsin. Kinase adalah nama umum untuk enzim yang melakukan transfer gugus fosfat (fosforilasi), dan heksokinase adalah nama umum untuk enzim contoh no 1. Sesuai dengan jenis reaksi yang dikatalisis, enzim dikelompokkan ke dalam 6 kelas (Tabel 3). Tabel 3. Klasifikasi enzim menurut IUB, berdasarkan reaksi yang dikatalisis No Kelas Enzim Reaksi yang dikatalisis 1 Oksidoreduktase Pemindahan electron (oksidasi-reduksi) 2 Transferase Pemindahan gugus fungsional 3 Hidrolase Reaksi hidrolisis (penambahan H2O) 4 Liase Pemindahan gugus ke ikatan ganda atau sebaliknya 5 Isomerase Pemindahan gugus dalam stu molekul menghasilkan isomer 6 Ligase Pembentukan ikatan C-C, C-S, C-O, dan C-N oleh reaksi kondensasi. Sistem penamaan secara lengapnya dapat dilihat di URL: http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/ atau: http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/enzymes/index.html 45
BAGAIMANA ENZIM BEKERJA Enzim dapat meningkatkan kecepatan reaksi kimia spesifik secara nyata. Enzim bekerja dengan menurunkan energi aktivasi suatu reaksi. Gambar VI-1. Ilustrasi sebuah reaksi untuk mendapatkan produk dengan ne energi yang lebih rendah. Reaksi dimulai dengan interaksi reaktan yang memerlukan energi untuk aktivasinya hingga mencapai level untuk reaksi menuju produk dengan melepas energi sehingga memiliki level energi yang lebih rendah dari semula. Enzim bekerja dengan mengikat reaktan (substrat) yang menyebabkan berada pada posisi (orientasi) yang diinginkan dengan energi yang lebih rendah dari energi aktivasinya. Pada akhir reaksi, enzim akan kembali seperti semula. enzyme + A + B C + D + enzyme 46
Gambar IV-2. Peran enzim dalam mempercepat reaksi kimia. Deangan adanya enzim maka energi aktivasi untuk reaksi A+B dapat diturunkan sehingga pembentukan produk C+D akan berjalan lebih cepat. Enzim memiliki sifat: 1. Dapat menurunkan energi aktivasi dari reaksi 2. Meningkatkan kecepatan reaksi 3. Tidak habis atau berubah selama reaksi berlangsung 4. Menunjukkan spesifitas, kompetisi dan saturasi Teori katalitik enzim 1. Teori Lock and Key Teori yang mendasarkan pada kesesuaian bentuk antara enzim dan substrat sehingga memungkinkan untuk berikatan secara spesifik sebagaimana antara gembok dan kunci. Dalam hal ini substrat terikat pada posisi tertentu pada enzim dengan tepat sesuai (binding site) bentuknya dan kemudian melakukan reaksi disitu hingga terbentuk produk. 47
2. Teori penyesuaian (Induced fit theory) Teori yang mendasarkan bahwa struktur enzim pada binding site nya adalah lentur dan secara spesifik mampu menyesuaikan dengan struktur substrat yang tepat. Sekali substrat terikat pada binding site enzim rekasi akan dapat berjalan. Dengan teori ini dapat dijelaskan bahwa reaksi enzimatik umumnya berjalan reversible. Gambar VI-3. Teori katalitik enzim. Teori Lock and Key merupakan teori lama yang tidak dapat menjelaskan adanya sifat reversible reaksi enzimatis. Teori induced fit merupakan teori yang banyak dianut hingga saat ini. Adanya ko-faktor dank o enzim dapat mempermudah pengikatan substrat dengan enzim. Gambar VI-4. Peran ko-faktor dalam reaksi enzimatis 48
Pengaruh temperatur dan PH pada kerja enzim Enzim adalah protein yang secara alami memiliki struktur tiga dimensi yang dibentuk oleh berbagai jenis ikatan (utamanya hydrogen, hidrofobik, dan van der walls). Integritas Bentuk tiga dimesi (bentuk konformasi) enzim sangat penting dalam melakukan aktivitas katalitiknya sehingga menentukan fungsi spesifiknya. Konformasi enzim tersebut bertahan pada temeratur dan ph tertentu. Adanya perubahan temperatur dan ph dapat mengusik ikatan-ikatan intramolekul enzim sehingga dapat merubah bentuk konformasinya. Dengan perubahan tersebut akan menyebabkan perubahan sifat katalitiknya/aktivitasnya. Gambar VI-5. Perubahan konformasi enzim karena pengaruh temperatur dan ph. Perubahan temperatur dan ph akan menyebabkan pemutusan ikatan-ikatan intramolekuler enzim sehingga akan merubah bentuk tigadimensinya. 49
Perubahan sedikit saja temperatur ataupun ph akan mampu merubah aktivitas enzim. Sekali level kritik terlampaui hingga perubahan konformasi tidak dapat dikembalikan lagi (irreversible) maka aktivitas enzim akan hilang selamanya. Gambar VI-6. Pengaruh temperatur dan ph pada aktivitas enzim. Pada umumnya enzim memiliki aktivitas optimum pada temperatur 30-40 oc dan ph 6,5-7,4. Pada temperatur rendah (<20 oc) aktivitas enzim sangat rendah karena tidak cukup energi utnuk melakukan raksi, sementara pada temperatur tinggi enzim mengalami denaturasi (perubahan konformasi) sehingga menjadi tidak aktif. Pengaruh konsentrasi substrat atau enzim pada kecepatan reaksi Reaksi enzimatik dipengaruhi oleh konsentrasi substrat dan enzim. Kecepatan rekasi enzimatik berbanding langsung dengan konsentrasi enzim. Semakin tinggi konsentrasi enzim, kecepatan reaksi semakin tinggi. Konsentrasi substrat hanya berpengaruh pada peningkatan kecepata reaksi di awal sajan pada konsentrasi enzim yang konstatn, yait pada konsentrasi substrat yang rendah. Semakin tinggi konsentrasi substrat kecepatan reaksi akan semakin tinggi hingga pada batas tertentu dan mencapai maksimum. 50
Gambar VI-7. Pengaruh konsentrasi enzim dan substrat pada kecepatan rekasi enzimatik. Gambar VI-8. Peningkatan ketersediaan enzim akan meningkatkan kecepatan reaksi. Apabila reaksi terjadi dengan penambahan substrat yang berlebihan akan menyebankan penjenuhan enzim sehingga reaksi berjalan konstan. Dengan penambahan konsentrasi enzim akan tingkat kejuhannya akan naik sehingga akan meningkatkan kecepatan reaksinya. 51
Regulasi aktivitas Enzim Aktivitas enzim dapat diatur dengan berbagai cara: 1. Kontrol ekspresi gen (akan diterangkan pada kuliah Biologi molecular, semester 3) 2. Modifikasi struktur dengan cara pemotongan. Sebagian enzim berada dalam bentuk inaktif dan diaktivasi dengan cara pemotongan (cleavage). Misalnya Kemotripsin, pepsinogen, angiotensinogen. 3. Modifikasi ikatan kovalen. Banyak enzim yang tingkat aktifitasnya ditentukan dengan penambahan gugus tertentu, misalnya gugus fosfat melalui proses fosforilasi. Sebagian enzim tersebut akan meninkat aktivitasnya dan sebagian lai akan menurun. 4. Sequestrasi. Banyak juga enzim yang tingkat aktivitasnya juga ditentkan oleh ikatannya dengan protein lain (sequestrasi). 5. Regulasi allosterik. Beberapa enzim aktivitasnya ditentukan oleh pengikatannya dengan senyawa kecil pada bagian lain dari tempat aktifnya. Senyawa yang terikat tersebut akan merubah konformasi enzim sehingga menentukan tingkat aktivitasnya. Gambar VI-9. Aktivasi Kemotripsin dengan cara pemotongan 52