Enzim

A. PENDAHULUAN

Sekarang kita sampai pada protein yang paling menonjol dan amat khusus, yang memiliki aktivitas katalitik. Enzim memiliki tenaga katalitik yang luar biasa, yang biasanya jauh lebih besar dari katalisator sintetik. Spesifisitas enzim amat tinggi terhadap substratnya, enzim mempercepat reaksi kimiawi spesifik tanpa pembentukan produk samping, dan molekul ini berfungsi di dalam larutan encer pada keadaan suhu dan pH normal. Hanya sedikit katalisator non-biologi yang dilengkapi dengan sifat-sifat ini.
Enzim merupakan unit fungsional dari metabolisme sel. Bekerja dengan urut-umtan yang teratur, enzim mengkatalisis ratusan reaksi bertahap yang menguraikan molekul nutrien, reaksi yang menyimpan dan mengubah energi kimiawi, dan yang membuat makro-molekul sel dari prekursor sederhana. Di antara sejumlah enzim yang berpartisipasi di dalam metabolisme, terdapat sekelompok khusus yang dikenal sebagai enzim pengatur, yang dapat mengenali berbagai isyarat metabolik dan mengubah kecepatan katalitiknya sesuai dengan isyarat yang diterima. Melalui aktivitasnya, sistem enzim terkoordinasi dengan baik, menghasilkan suatu hubungan yang harmonis di antara sejumlah aktivitas metabolik yang berbeda, yang diperlukan untuk menunjang kehidupan.
Pada beberapa penyakit, terutama gangguan genetik yang menurun, mungkin terdapat kekurangan atau bahkan kehilangan satu atau lebih enzim pada jaringan. Pada keadaan abnormal lainnya, aktivitas yang berlebihan dari suatu enzim tertentu, kadang-kadang dapat dikontrol oleh obat yang dibuat untuk menghambat aktivitas katalitiknya. Selanjutnya, pengukuran aktivitas enzim tertentu pada plasma darah, sel darah merah, atau contoh jaringan penting bagi diagnosa penyakit. Enzim telah menjadi alat praktis yang penting, bukan hanya dalam dunia kesehatan, tetapi juga dalam industri kimiawi, dalam pengolahan pangan, dan pertanian. Bahkan pada aktivitas sehari-hari, di rumah, enzim memainkan peranannya.
Pada bab ini, kita tidak akan membahas penyusunan katalog dari hampir 2000 jenis enzim yang telah diketahui; sebaliknya, kita akan meneliti sifat-sifat dan kekhususan yang dijumpai pada hampir semua enzim. Pada bab selanjutnya, pada saat kita mengamati lintas metabolisme sel, kita akan menerangkan berbagai jenis enzim dan kerjanya secara lebih terinci, dan memperlihatkan contoh-contoh penggunaan enzim secara praktis.
1. Banyak Sejarah Biokimia yang Merupakan Sejarah Penelitian Enzim
Bahwa beberapa bentuk katalisis terjadi di dalam sistem biologi pertamakali ditemukan pada awal tahun 1800 dari penelitian mengenai pencernaan daging oleh sekresi lambung dan perubahan pati menjadi gula oleh air liur dan berbagai ekstrak tumbuhan. Selanjutnya, sejumlah contoh katalisis biologi yang sekarang diketahui bersifat enzimatik, ditemukan.
Pada tahun 1850, Louis Pasteur menyimpulkan bahwa fermentasi gula menjadi alkohol oleh ragi yang dikatalisis "fermen." Beliau mengemukakan bahwa fermen ini, yang kemudian dinamakan enzim ("di dalam ragi") tidak dapat dipisahkan dari sttuktur sel ragi hidup, suatu pendapat yang bertahan selama bertahun-tahun. Oleh karena itu, merupakan sesuatu penemuan penting di dalam sejarah biokimia, ketika pada tahun 1897(Eduard Buchner berhasil mengekstrak ke dalam larutan, suatu bentuk aktif dari sel ragi, yaitu serangkaian enzim yang mengkatalisis fermentasi gula menjadi alkohol. Penemuan ini membuktikan bahwa enzim yang penting ini, yang mengakatalisis lintas metabolik utama penghasil energi, dapat tetap berfungsi jika dipindahkan dari struktur sel hidup. Penemuan ini juga mendorong ahli biokimia untuk mencoba mengisolasi berbagai jenis enzim dan untuk mengamati sifat-sifat katalitiknya.
Pada awal abad ke dua puluh, Emil Fischer melakukan penelitian sistematik pertama mengenai spesifisitas enzim. Peneliti lain mempelajari kinetika aktivitas enzim dan menyusun teori kerja enzim. Tetapi, barulah pada tahun 1926, enzim dapat diisolasi dalam bentuk kristal untuk pertamakalinya. Enzim ini adalah urease, yang diperoleh dari ekstrak kacang oleh James Sumner di Universitas Cornell. Sumner menemukan bahwa kristal urease terdiri keseluruhannya dari-protein. Oleh karena itu, beliau mengemukakan bahwa semua enzim adalah protein, tetapi; kesimpulannya dengan berapi-api ditentang oleh biokimiawan Jerman Richard? Willstatter, seorang tokoh otoriter, yang menekankan, bahwa enzim adalah senyawa berberat molekul rendah dan bahwa protein yang ditemukan pada kristal urease hanyalah suatu pencemar. Barulah pada tahun 1930, setelah John Northrop dan koleganya mengkristalkan pepsin dan tripsin, dan menemukan keduanya adalah juga protein, sifat protein enzim diterima secara luas. Hal ini dipoiti dengan periode penelitian secara intensif akan enzim-enzim yang mengkatalisis reaksi metabolisme sel. Sekarang, sejumlah 2000 jenis enzim telah diidentifikasi, masing-masing mengkatalisis reaksi kimia yang berbeda.





Gambar 1 :
kristal murni enzim

Ratusan enzim telah diperoleh dalam bentuk kristal murni (Gambar 1). Tetapi bahkan sekarang banyak pertanyaan mengenai enzim yang masih belum tuntas dijawab. Mengapa protein diseleksi untuk menjadi katalisator sel? Mengapa molekul enzim demikian besar dibandingkan dengan struktur substratnya? Bagaimanakah asam amino yang dalam keadaan sendiri-sendiri tidak dapat mempercepat reaksi kimia, tetapi jika digabungkan menurut deret secara spesifik dapat menghasilkan aktivitas katalitik yang demikian ampuh? Bagaimanakah kerja enzim diatur?
2. Enzim Memperlihatkan Semua Sifat-sifat Protein
Semua enzim murni yang telah diamati sampai saat ini adalah protein; dan aktivitas katalitiknya bergantung kepada integritas strukturnya sebagai protein. Sebagai contoh, jika suatu enzim dididihkan dengan asam kuat atau diinkubasi dengan tripsin, yaitu, perlakuan ;.ine memotong rantai polipeptida, aktivitas katalitiknya biasanya akan hancur; hal ini semperlihatkan bahwa struktur kerangka primer protein enzim dibutuhkan untuk aktivitasnya. Selanjutnya, jika kita mengubah berlipatnya rantai protein yang khas dari suatu protein enzim utuh oleh panas, oleh perlakuan pH yang jauh menyimpang dari keadaan normal, atau oleh perlakuan dengan senyawa perusak lainnya, aktivitas katalitik enzim Juga akan lenyap. Jadi, struktur primer, sekunder, dan tertier protein enzim penting bagi aktivitas katalitiknya.
Enzim, seperti protein lain, mempunyai berat molekul yang berkisar dari kira-kira 12.000 sampai lebih dari 1 juta. Oleh karena itu, enzim berukuran amat besar dibandingkan dengan substrat atau gugus fungsional targetnya. Beberapa enzini hanya terdiri dari polipeptida dan tidak mengandung gugus kimiawi selain residu asam ammo, contohnya adalah ribonuklease pankreas. Akan tetapi, enzim lain, memerlukan tambahan komponen kimia bagi aktivitasnya; komponen ini, disebut kofaktor. Kofaktor mungkin suatu molekul anorganik seperti ion Fe2+, Mn2+, atau Zn2+ ,atau mungkin juga suatu molekul organik kompleks yang disebut koenzim. Beberapa enzim membutuhkan baik koenzim maupun satu atau lebih ion logam bagi aktivitasnya. Pada beberapa enzim, koenzim atau ion logam hanya terikat secara lemah atau dalam waktu sementara pada protein, tetapi, pada enzim lain. Senyawa ini terikat kuat, atau terikat secara permanen yang dalam hal ini disebut[gugus prostetik} Enzim yang sirukturnya sempurna dan aktif mengkatalisis, bersama-sama dengan koenzim atau gugus lommnya disebut holoenzim . Koenzim dan ion logam bersifat stabil sewaktu pemanasan, sedangkan bagian protein enzim, yang disebut apoenzim, terdenaturasi oleh pemanasan. Koenzim yang spesifik








B. ISI
1) Enzim Digolongkan Berdasarkan Reaksi yang Dikatalisis
Banyak enzim yang telah dinamakan dengan menambahkan akhiran — ase — kepada nama substratnya. Jadi, urease mengkatalisis hidrolisis urea, dan arginase mengkatalisis hidrolisis arginin. Tetapi, banyak enzim yang telah dinamakan dengan tidak menerangkan substratnya, seperti, pepsin dan tripsin. Juga pada kenyataannya satu enzim yang sama dikenal dengan dua atau lebih nama, atau bahwa dua enzim yang berbeda telah diberikan nama yang sama. Karena itu, dan karena hal-hal lain yang masih kabur.juga dengan terus meningkatnya jumlah enzim yang baru ditemukan, suatu dasar penemuan dan penggolongan enzim secara sistematis telah dikemukakan oleh persetujuan internasional. Sistem ini menempatkan semua enzim ke dalam enam kelas utama, masing-masing dengan subkelas, berdasarkan atas jenis reaksi yang dikatalisa (Tabel 1). Tiap-tiap enzim ditetapkan ke dalam empat tingkat nomor kelas dan diberikan suatu nama sistematik, yang mengidentifikasi reaksi yang dikatalisis. Contohnya adalah penamaan enzim yang mengkatalisis reaksi:
ATP + D-glukosa à ADP +D-glukosa 6-fosfat
Nama sistematik formil enzim ini adalah fosfotransferase ATP: glukosa, yang menunjukkan bahwa enzim ini mengkatalisa pemindahan gugus fosfat dari ATP ke glukosa. Enzim ini ditempatkan ke dalam kelas 2 pada Tabel 1, dan nomor klasifikasinya adalah 2.7.1.1, dengan bilangan pertama (2) menunjukkan nama kelas (transferase), bilangan kedua (7) bagi subkelas (fosfotransferase), dan bilangan ketiga (1) bagi sub-sub kelas (fosfotransferase dengan gugus hidroksil sebagai penerima), dan bilangan keempat (1) bagi D-glukosa sebagai penerima gugus fosfat. Jika nama sistematik suatu enzim ternyata panjang atau rumit, dapat dipergunakan nama biasa; dalam hal ini, nama biasanya adalah heksokinase.






Tabel 1
2) Enzim Meningkatkan Kecepatan Reaksi Kimia dengan Menurunkan Energi Aktivasinya
Enzim adalah katalisator sejati. Molekul ini meningkatkan dengan nyata kecepatan reaksi kimia spesifik yang tanpa enzim akan berlangsung amat lambat. Enzim tidak dapat mengubah titik kesetimbangan reaksi yang dikatalisisnya; enzim juga tidak akan habis dipakai atau diubah secara permanen oleh reaksi-reaksi ini.
Bagaimanakah katalisator, termasuk enzim, meningkatkan kecepatan reaksi kimia?.
Pertama-tama, kita harus mengingat kembali bahwa kandungan energi molekul secara individu di dalam suatu populasi pada suhu tetap amat beragam dan dapat digambarkan oleh suatu kurva berbentuk bel. Beberapa molekul amat kaya akan energi, beberapa mengandung hanya sedikit energi, tetapi kebanyakan molekul memiliki kandungan energi yang mendekati rata-rata. Suatu reaksi kimia seperti A à P terjadi karena bagian molekul A tertentu pada setiap waktu tertentu memiliki lebih banyak energi internal dibandingkan dengan molekul lain di dalam populasi. Energi ini cukup untuk membawanya ke puncak bukit energi (Gambar 2), menuju bentuk reaktif yang disebut tahap transisi. Energi aktivasi suatu reaksi adalah jumlah energi dalam kalori yang diperlukan untuk membawa semua molekul pada 1 mol senyawa pada suhu tertentu menuju tingkat transisi pada puncak batas energi. Pada tahap ini, terdapat peluang yang sama bagi molekul-molekul terse but. Untuk mengalami reaksi, membentuk produk atau untuk kembali menuju pool (kumpulan) molekul A yang tidak reaktif (Gambar 2). Kecepatan setiap reaksi kimia sebanding dengan konsentrasi senyawa pada keadaan transisi. Jadi, kecepatan reaksi kimia akan sangat tinggi jika sebagian besar molekul A berada pada keadaan transisi yang kaya akan energi, tetapi kecepatan ini akan amat rendah, jika hanya sebagian kecil A yang berada pada keadaan transisi.













Gambar 2

Terdapat dua cara umum dalam meningkatkan kecepatan reaksi kimia. Yang satu adalah meningkatkan suhu, yang mempercepat gerak termal molekul, dan karenanya, meningkatkan bagian (fraksi) molekul yang memiliki energi dalam, dengan jumlah yang cukup untuk memasuki keadaan transisi. Biasanya, kecepatan reaksi kimia meningkat sampai kira- kira dua kali dengan kenaikan suhu 10°C.
Cara kedua untuk mempercepat reaksi kimia adalah dengan menambahkan katalisator. Katalisator ini mempercepat reaksi kimia dengan menurunkan batas penghalang energi.
Molekul ini, ditunjukkan oleh C, bergabung dengan pereaksi A secara sementara, menghasilkan senyawa atau komplek baru CA, yang memiliki energi aktivasi yang lebih rendah dalam keadaan transisi dibandmgkan dengan keadaan transisi A pada reaksi yang tidak dikatalisa (Gambar 2), Kompleks katalisator-pereaksi CA, lalu bereaksi membentuk produk P dengan membebaskan katalisator bebas, lalu dapat bergabung dengan molekul A yang tain dan mengulangi siklus ini. Dengan cara demikian katalisator menurunkan energi aktivasi reaksi-reaksi kimia, dan meningkatkan fraksi molekul di dalam suatu populasi molekul tertentu, untuk lebih cepat bereaksi per satuan waktu, dibandingkan dengan keadaan tanpa katalisator. Banyak bukti yang memperlihatkan bahwa enzim, seperti katalisator lain, juga bergabung dengan substratnya selama siklus katalitiknya.
3) Konsentrasi Substrat Mempengaruhi Dengan Nyata Kecepatan Reaksi Yang Dikatalisis Oleh Enzim
Marilah kita mengamati pengaruh berbagai konsentrasi substrat terhadap kecepatan reaksi awal jika konsentrasi enzim dijaga konstan (Gambar 3). Pada konsentrasi substrat yang amat rendah, kecepatan reaksi pun amat rendah, tetapi, kecepatan ini akan meningkat dengan meningkatnya konsentrasi substrat. Jika kita menguji pengaruh konsentrasi substrat yang terus meningkat seriap saat kita mengukur kecepatan awal reaksi yang dikatalisis ini, kita akan menemukan bahwa kecepatan mi meningkat dengan nilai yang semakin kecil. Pada akhirnya, akan tercapai titik batas, dan setelah titik ini dilampaui, kecepatan reaksi hanya akan meningkat sedemikian kecil dengan bertambahnya konsentrasi substrat (Gambar 3). Bagaimana pun tingginya konsentrasi substrat setelah titik ini tercapai, kecepatan reaksi akan mendekati, tetapi, tidak akan pernah mencapai garis maksimum, Pada batas ini, yang disebut kecepatan maksimum (Maks), enzim menjadi jenuh oleh substratnya, dan tidak dapat berfungsi lebih cepat.
Pengaruh kejenuhan ini diperlihatkan oleh hampir semua enzim. Hal inilah yang membawa Victor Henri pada tahun 1903, kepada kesimpulan, bahwa enzim bergabung dengan molekul substrat, untuk membentuk suatu kompleks enzim substrat sebagai tahap yang hams dilalui dalam katalisis oleh enzim. Pemikiran ini diperluas menjadi suatu teori umum kerja enzim, terutama oleh Leonor Michaelis dan Maud Menten pada tahun 1913. Mereka mengemukakan bahwa enzim E pertama-tama bergabung dengan substratnya S daiam reaksi dapat balik, membentuk kompleks enzim-substrat ES. Reaksi ini berlangsung relatif cepat
E + S Û ES
Kompleks ES lalu terurai dalam reaksi dapat balik kedua, yang lebih lambat, menghasilkan produk reaksi P dan enzim bebas E
ES Û P + E
Karena reaksi kedua merupakan tahap yang membatasi kecepatan, kecepatan keseluruhan reaksi enzimatik harus seimbang dengan konsentrasi komplek enzim-substrat ES. Pada setiap saat di dalam reaksi enzimatik, enzim terdapat dalam dua bentuk, bentuk bebas atau tak-terikat dan bentuk yang sudah terikat ES. Kecepatan reaksi katalitik ini jelaslah menjadi maksimum jika semua enzim terdapat sebagai kompleks ES dan konsentrasi enzim bebas E menjadi sangat kecil. Keadaan ini akan tercapai pada konsentrasi substrat tinggi, karena menurut hukum aksi massa, kesetimbangan reaksi pertama akan digeser ke kanan jika kita meningkatkan konsentrasi S
E + S Û ES
Jika kita meningkatkan S sampai ke batas yang cukup tinggi, dapat dikatakan semua enzim bebas E tentulah akan terubah menjadi bentuk ES. Pada reaksi yang kedua dalam siklus katalitik ini, kompleks ES terus-menerus, dan dengan cepat terurai, menghasilkan produk P dan enzim bebas E. Tetapi, jika konsentrasi S cukup tinggi, enzim bebas E segera akan berikatan dengan molekul S yang lain. Pada keadaan ini, tercapai suatu keadaan imbang, dengan enzim yang senantiasa jenuh oleh substratnya dan tercapai kecepatan maksimum.





Gambar 3
Pengaruh konsentrasi substrat terhadap kecepatan awal reaksi enzimatik. Vmaks harus diduga dengan pemetaan serupa ini. Karena kecepatan awal akan mendekati, tetapi tidak akan pernah sama dengan Vmaks. Kosentrasi substrat pada saat dicapai setengah kecepatan maksimum adalah km, yaitu konstanta Michaelis-Menten


4) Banyak Enzim Mengkatalisa Reaksi Dengan Dua Substrat
Kita telah melihat bagaimana konsentrasi substrat mempengaruhi kecepatan reaksi enzim sederhana hanya dengan satu molekul substrat, pada reaksi dengan bentuk A à P. Tetapi, di dalam banyak reaksi enzematik pada metabolisme,sebenarnya terdapat dua (dan kadang-kadang bahkan tiga) molekul substrat yang berbeda, yang berikatan dengan enzim dan berpartisipasi di dalam reaksi. Sebagai contoh, di dalam reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase, ATP dan glukosa merupakan molekul substrat, dan ADP dan glukosa 6-fosfat merupakan produk:
ATP + glukosa à ADP + glukosa 6-fosfat
Kecepatan reaksi bisubstrat tersebut dapat juga dianalisa dengan pendekatan Michaelis- Menten. Seperti telah kita lihat, heksokinase memiliki KM yang khas bagi tiap-tiap subtratnya.
Reaksi enzimatik dengan dua substrat, biasanya melibatkan pemindahan suatu atom atau gugus fungsional dari satu substrat ke substrat yang lain. Reaksi tersebut berlangsung dalam dua jenis lintas yang berbeda (Gambar 4). Pada golongan pertama yang disebut reaksi berganti-tunggal, kedua substrat A dan B terikat pada enzim E dalam urutan yang khusus atau secara acak, untuk membentuk suatu kompleks EAB, yang lalu bereaksi membentuk produk C + D. Pada golongan lain, reaksi bisubstrat, yang disebut reaksi berganti ganda atau reaksi ping-pong, hanya satu di antara dua substrat yang terikat pada sisi katalitik pada setiap saat. Pengikatan substrat pertama diikuti oleh pemindahan gugus fungsionalnya kepada molekul enzim. Hanya setelah produk substrat pertama dilepaskan, baru- lah substrat kedua berikatan dengan enzim, dan menerima gugus fungsional.





Gambar 4
Gambaran skematik kedua golongan reaksi bisubstrat. (a) Reaksi berganti tunggal. Pada beberapa reaksi berganti tunggal, substrat A dan B dapat bergabung dengan enzim pada salah satu urutan. Pada mekanisime yang lain terdapat susunan khusus di mana A dan B terikat. (b) Reaksi berganti ganda (ping-pong). Substrat pertama AX memberikan gugus X kepada enzim. Lalu. A harus dilepaskan sebelum substrat B, yang merupakan penerima X, terikat.
5) Enzim Memiliki pH Optimum
Enzim memiliki pH optimum yang khas, yaitu pH yang menyebabkan aktivitas maksimal (Gambar 5 dan Tabel 2). Profil aktivitas pH enzim menggambarkan pH pada saat gugus pemberi atau penerima proton yang penting pada sisi katalitik enzim berada dalam tingkat ionisasi yang diinginkan. pH optimum enzim tidak perlu sama dengan pH lingkungan normalnya, dengan pH yang mungkin sedikit berada di atas atau di bawah pH optimum. Aktivitas katalitik enzim di dalam sel mungkin diatur sebagian oleh perubahan pada pH medium lingkungan.
Gambar 5
Profil aktivitas pH dari dua enzim. Kurva tersebut disusun dari pengukuran kecepatan awal jika reaksi dilakukan di dalam buffer dengan berbagai pH. (a) Profil akiivitas pH dari pepsin yang meng hidrolisa ikatan peptida tertentu pada protein selama pencernaan di dalam lambung pH cairan lambung berada di antara 1 dan 2. (b) Profil aktivitas pH 6-fosfafase glukosa. pada sel hati, yang menyebabkan pelepasan glukosa ke dalam darah. pH normal sitosol sel hati kira-kira 7,2.
6) Enzim Dapat Diuji Secara Kuantitatif
Jumlah enzim di dalam larutan atau ekstrak jaringan tertentu dapat diuji secara kuantitatif dalam hal pengaruh katalitik yang dihasilkannya. Untuk tujuan ini, kita perlu mengetahui (1) persamaan keseluruhan reaksi yang dikatalisa, (2) suatu prosedur analitik untuk menentukan menghilangnya substrat atau, munculnya produk reaksi, (3) apakah enzim memerlukan kofaktor seperti ion logam atau koenzim, (4) ketergantungan aktivitas enzim kepada konsentrasi substrat, yaitu KM bagi substrat, (5) pH optimum, dan (6) daerah suhu yang membiarkan enzim dalam keadaan stabil dan memiliki aktivitas tinggi. Biasanya, enzim diuji pada pH optimum, pada suhu yang mudah dipergunakan, biasanya dalam kisaran 25 sampai 38°C, dan dengan konsentrasi substrat yang mendekati jenuh. Pada keadaan ini, kecepatan reaksi awal biasanya sebanding dengan konsentrasi enzim, sedikitnya pada kisaran konsentrasi enzim tertentu.
Dengan persetujuan internasional, 1,0 unit aktivitas enzim didefinisikan sebagai jumlah yang menyebabkan pengubahan 1,0 mikromol substrat per menit pada 250C pada keadaan pengukuran optimal. Aktivitas spesifik adalah Jumlah unit enzim permiligram protein. Aktivitas spesifik adalah suatu ukuran kemurnian enzim, nilainya me ningkat selama pemurnian suatu enzim dan menjadi maksimum dan tetap (konstan) jika enzim sudah berada pada keadaan murni.
Bilangan putaran suatu enzim adalah Jumlah molekul substrat yang terubah per satuan waktu oleh satu molekul enzim (atau oleh satu sisi katalitik), jika konsentrasi enzim sendiri merupakan faktor pembatas kecepatan reaksi, Enzim anhidrase karbonat adalah enzim penting yang ditemukan pada konsentrasi tinggi di dalam sel darah merah. Enzim ini merupakan salah satu enzim yang paling aktif, dengan bilangan putaran 36.000.000 per menit per molekul enzim. Anhidrase karbonat mengkatalisa hidrasi dapat balik karbon dioksida terlarut, untuk membentuk asam karbonat yang tanpa adanya enzim berjalan dengan kecepatan lambat
CO2+ H2O Û H2CO3
Hidrasi CO2 di dalam sel darah merah merupakan tahap penting di dalam transport CO2 dari jaringan tempat molekul ini terbentuk, menuju paru-paru, tempat pembebasan dan pengeluarannya.
7) Enzim Memperlihatkan Spesifisitas Terhadap Substrat
Beberapa enzim memiliki spesifisitas yang hampir absolut bagi substrat tertentu, dan tidak akan bekerja bahkan, terhadap molekul yang amat serupa, Contoh yang baik adalah enzim aspartase, yang ditemukan di dalam banyak tumbuhan dan bakteri. Aspartase mengkatalisa penambahan amonia kepada ikatan ganda asam fumarat membentuk L-aspartat secara dapat balik (Gambar 6). Akan tetapi, aspartase tidak menyebabkan terjadinya penambahan amonia terhadap asam tidak jenuh lainnya. Aspartase juga memiliki sifat optik yang kaku dan spesifisitas geometrik. enzim ini tidak akan bekerja terhadap D-aspartat, dan tidak akan menambahkan amonia kepada maleat, yaitu, isomer geometrik sis dari fumarat.
Pada kelompok ekstrim lain, dijumpai enzim-enzim dengan spesifisitas yang relatif luas, dan bekerja pada berbagai senyawa yang memiliki ciri struktural yang sama. Sebagai contoh, khimotripsin mengkatalisa hidrolisis berbagai peptida atau polipeptida, tetapi hanya memotong ikatan peptida dengan gugus karbonil yang berasal dari fenilalanin, tirosin, atau triptofan. Contoh yang agak berbeda adalah fosfatase usus yang mengkatalisa hidrolisis berbagai ester asam fosfat yang berbeda, tetapi pada kecepatan yang agak bervariasi. Penelitian mengenai spesifisitas substrat enzim telah membawa kita kepada konsep hubungan "gembok dan kunci" yang saling berpasangan, di antara molekul substrat dan suatu daerah spesifik pada permukaan molekul enzim, yaitu pada sisi aktif atau ssii kataliknya, tempat enzim berikatan dengan substrat pada saat terjadi reaksi katalitik.
Penelitian terhadap spesifisitas enzim menunjukkan bahwa molekul substrat harus memiliki dua ciri struktural yang jelas: (1) ikatan kimiawi spesifik yang dapat diserang oleh enzim dan (2) biasanya beberapa gugus fungsional lainnya, yaitu gugus pengikat, yang berikatan dengan enzim dan mengarahkan molekul substrat dengan tepat pada sisi aktif sehingga ikatan yang rapuh tapi tepat terletak pada posisi yang berhubungan dengan gugus katalitik enzim. Spesifisitas substrat bagi khimotripsin, yang biasanya mengnidrolisa ikatan peptida tersebut pada protein dan peptida sederhana, dengan gugus karbonil yang berasal dari asarn amino yang memiliki cincin aromatik, yaitu residu tirosin, triptofan, dan fenilalanin. Akan tetapi, uji terhadap lusinan kemungkinan molekul substrat sintetik yang berbeda-beda telah memperlihatkan bahwa khimotripsin dapat juga menguraikan amida sederhana selain ikatan ester. Tambahan pula, gugus aromatik R dari tirosin, triptofan, dan fenilalanin yang bersifat spesifik bagi khimotripsin yang menguraikan polipeptida ini, nampaknya berperan hanya sebagai gugus hidrofobik pengikat. Bukti untuk hal ini adalah bahwa khimotripsin juga akan menerima substrat peptida sintetik, dengan gugus hidrofobik alkil yang relatif besar yang menggantikan cincin arornatik asam amino alamiah. Penelitian spesifisitas substrat fersebut, bersama-sama dengan penelitian penghambatan enzim, menyebabkan kita dapat memetakan sisi aktif enzim.


Gambar 6
Reaksi aspartase dan spesifisitas substratnya. Aspartase secara absolut bersifat spesifik bagi fumarat pada reaksi yang mengarah ke muka dan bagi L-asparfat pada reaksi kebalikannya. Enzim ini tidak bekerja terhadap maleat, yaitu bentuk isomer sisi dari fumarat, atau D-aspartat.



Gambar 7
Spesifitas substrat khimotripsin. Walaupun khimotripsin secara biologi berfungsi sebagai suatu peptidase, enzim ini juga dapat menghidrolisa amida dan eter, selain beberapa senywa sintetik non-biologi yang memiliki ikatan rapuh yang cocok dengan enzim, dan suatu gugus hidrofobik pengarah.
8) Enzim Dapat Dihambat Oleh Senyawa Kimiawi Spesifik
Hampir semua enzim dapat diracuni atau dihambat oleh senyawa kimiawi tertentu. Dari penelitian mengenai senyawa penghambat enziin, telah dipsroleh informasi yang berguna mengenai spesifisitas substrat enzim, sifat-sifat alamiah gugus fungsional pada sisi aktif, dan mekanisme aktivitas katalitik. Senyawa penghambat enzim juga amat berguna dalam menjelaskan lintas metabolik di dalam sel. Lebih lanjut, beberapa obat yang bermanfaat di dalam dunia kedokteran nampaknya berfungsi karena senyawa ini dapat menghambat enzim-enzim tertentu yang mengganggu kerja sel.
Terdapat dua jenis utarna penghambat enzim: yaitu yang bekerja secara tidak dapat balik (irreversible) dan dapat balik (reversible). Penghambat tak dapat balik adalah golongan yang bereaksi dengan, atau merusakkan suatu gugus fungsional pada molekul enzim yang penting bagi aktivitas katalitiknya. Suatu contoh dari penghambat tak dapat balik adalah senyawa diisoprofilfluorofosfat (DFP), yang menghambat enzim asetilkolinesterase, yang penting di dalam transmisi impuls syaraf. Asetilkolinesterase mengkatalisa hidrolisis asetilkolin, suatu senyawa neurotransmiter yang berfungsi di dalam bagian tertentu sistem syaraf. Asetilkolin dibebankan oleh sel syaraf yang telah menerima rangsangan menuju sinaps, atau sambungan dengan sel syaraf yang lain. Sekali asetilkolin telah dikeluarkan ke dalam sinaps, molekul ini berikatan dengan sisi penerima (reseptor) pada sel syaraf selanjutnya, menyebabkan sel tersebut untuk menggandakan impuls syaraf. Akan tetapi, sebelum impuls kedua dapat dipancarkan melalui sinaps, asetilkolin yang dikeluarkan setelah impuls pertama harus diludrolisa oleh asetilkolinesterase pada sambungan sel syaraf. Produk aktivitas ini, adalah asetat dan kolin, dan tidak memiliki aktivitas transmiter. Penghambat DEP tak dapat balik amat reaktif dan bereaksi dengan gugus hidroksil dari residu serin esensial pada sisi aktif asetilkolinesterase, untuk membentuk turunan yang tidak aktif mengkatalisa, Sekali turunan ini telah terbentuk, molekul enzim tidak lagi dapat berfungsi. Hewan yang menerima DFP, yang merupakan salah satu gas syaraf yang pertama kali ditemukan, menjadi lemah, tidak dapat lagi melaksanakan fungsi bagian-bagian tertentu, karena impuls syaraf tidak lagi dapat ditransmisikan secara normal, Tetapi, terdapat manfaat lain dari DFP. Senyawa itu menyebabkan berkembang nya malation dan insektisida lain yang relatif tidak beracun bagi manusia dan hewan. Malation menjadi tidak aktif dengan sendirinya, dan diuraikan oleh hewan tinggi, menjadi produk yang dianggap tidak membahayakan hewan tersebut, tetapi, senyawa ini diubah oleh enzim-enzim pada insekta, menjadi penghambat aktif asetilkolinesterase insekta tersebut.
DFP telah ditemukan menghambat semua jenis enzim, banyak diantaranya yang mampu mengkatalisa hidrolisis ikatan peptida atau ester, Golongan ini tidak hanya mencakup asetilkolinesterase, tetapi juga tripsin, khimotripsin, elastase, fosfoglukomutase, dan kokoonase, suatu enzim yang dihasilkan oleh larva ulat sutra untuk menghidrolisa serat- serat sutra kepompong, dan menyebabkan larva dapat dibebaskan. Semua enzim yang dihambat oleh DFP memiliki residu serin essnsial pada sisi aktifnya, yang berpartisipasi dalam aktivitas katalitik.
Senyawa penghambat tak dapat balik lainnya dari beberapa enzim adalah iodoasetamida, yang dapat bereaksi dengan gugus sulfhidril (—SH) dari residu sistem esensial atau dengan gugus imidazol dari residu histidin esensial. Dengan bantuan penghambat gugus hidroksil serin tersebut, gugus tiol sistein dan gugus imidazol histidin telah diidentifikasi sebagai gugus yang berpartisipasi di dalam aktivitas katalitik berbagai golongan enzim.

9) Terdapat Dua jenis Penghambat Dapat Balik: Kompetitif dan Nonkompetitif
Penghambat enzim dapat balik juga telah memberikan banyak informasi penting mengenai struktur sisi aktif berbagai enzim. Suatu penghambat kompetitif berlomba dengan substrat untuk berikatan dengan sisi aktif enzim tetapi, sekali terikat tidak dapat diubah oleh enzim tersebut. Ciri penghambat kompetitif adalah penghambatan ini dapat dibalikkan atau diatasi hanya dengan meningkatkan konsentrasi Substrat. Sebagai contoh, Jika suatu enzim 50% dihambat pada konsentrasi tertentu dari substrat dan penghambat kompetitif, kita dapat mengurangi persen penghambat dengan meningkatkan konsentrasi substrat.
Penghambat kompetitif biasanya menyerupai substrat normal pada struktur tiga dimensinya. Karena persamaan ini, penghambat kompetitif "menipu" enzim untuk berikatan dengannya. Sebenarnya, penghambatan kompetitif dapat dianalisa secara kuantitatif oleh teori Michaelis-Menten. Penghambat kompetitif I hanya berikatan secara dapat balik dengan enzim, membentuk suatu kompleks EI
E + 1 Û El
Akan tetapi, penghambat I tidak dapat dikatalisa oleh enzim untuk menghasilkan produk reaksi yang baru.
Contoh klasik jenis ini adalah penghambatan kompetitif dehidrogenase suksinat oleh anion malonat (Gambar 8). Dehidrogenase suksinat adalah anggota golongan enzim yang mengkatalisa siklus asam sitrat, lintas akhir metabolik bagi degradasi oksidatif karbohidrat dan lemak di dalam mitokhondria. Enzim ini mengkatalisa pembebasan dua atom hidrogen dari suksinat, satu dan masing-masing dari kedua gugus metilen (-CH2-). Dehidrogenase suksinat dihambat oleh malonat, yang menyerupai suksinat karena sama-sama memiliki dua gugus karboksil yang mengion pada pH 7.0, tetapi hanya berbeda dalam tiga atom karbonnya. Akan tetapi, malonat tidak terdehidrogenasi oleh dehidrogenasi suksinat; malonat hanya menempati sisi aktif enzim dan menguncinya sehingga tidak dapat bekerja pada substrat normalnya. Sifat dapat balik penghambatan oleh malonat diperlihatkan oleh kenyataan bahwa peningkatan konsentrasi suksinat akan menurunkan tingkat penghambatan oleh konsentrasi malonat tertentu.















Gambar 8
Reaksi dehidrogenase suksinat dan penghambatan kompetitifnya. Perhatikan bahwa penghambat kompetitif menyerupai fuksinat dengan memiliki dua gugus bermuatan negatif yang berjarak tepat, dan karenanya dapat menempati sisi aktif.

Senyawa lain dengan jarak yang sesuai di antara dua gugus anion dapat bekerja sebagai penghambat kompetitif dehidrogenase suksinat, di antaranya terdapat oksaloasetat, suatu senyawa amara. dalam siklus asam sitrat (Gambar 8). Dari hubungan struktural ini, telah disimpulkan bahwa sisi katalitik dehidrogenase suksinat dilengkapi dengan dua gugus bermuatan positif yang berjarak tertentu dari masing-masing, yang dapat menarik dua gugus karboksilat bermuatan negatif dari anion suksinat. Sisi katalitik dehidrogenase suksinat, oleh karenanya memperlihatkan sifat komplementer terhadap struktur substratnya (Gambar 8).
Penghambatan kompetitif paling mudah dikenal di dalam percobaan-percobaan dengan menentukan pengaruh konsentrasi penghambat terhadap hubungan di antara konsentrasi substrat dan kecepatan awal. Transformasi kebalikan ganda dari persamaan Michaelis- Menten amat bermanfaat dalam menentukan apakah penghambatan enzim yang dapat balik itu bersifat kompetitif atau nonkompetitif . Pemetaan kebalikan-ganda juga menghasilkan tetapan disoasi KI kompleks enzim penghambat. Bagi reaksi disosiasi
EI Û E + I
tetapan disosiasi adalah

KI =

10) Penghambatan Nonkompetitif Juga Bersifat Dapat Balik Tetapi Bukan Oleh Substrat
Pada penghambatan nonkompetitif, penghambat berikatan pada sisi enzim selain sisi tempat substrat berikatan, mengubah konformasi molekul enzim, sehingga mengakibatkan inaktifasi dapat balik sisi katalitik. Penghambat nonkompetitif berikatan secara dapat balik pada kedua molekul enzim bebas dan kompleks ES, membentuk kompleks El dan ESI yang tidak aktif:
E + I Û El
ES + I Û ESI
Penghambatan enzim secaia nonkompetitif dibedakan dari penghambatan kompetitif oleh pemetaan kebalikan ganda terhadap data kecepatan reaksi.
Penghambat nonkompetitif yang paling penting adalah senyawa antara metabolik yang terdapat di alam, yang dapat berikatan secara dapat balik dengan sisi spesifik pada enzim pengatur tertentu, dan karenanya, mengubah aktivitas sisi katalitknya. Contohnya adalah penghambatan dehidratase L-treonin oleh L-isoleusin.
11) Beberapa Faktor Yang Mendukung Efisiensi Katalitik Enzim
Enzim meningkatkan kecepatan reaksi yang dikatalisa oleh faktor setinggi 108 sampai 1020 kali. Sebagai contoh, pada pH 8 dan suhu 20°C, urease mempercepat kecepatan hidrolisis urea sampai 1014 kali. Bagaimanakah enzim menimbulkan tenaga katalitik yang demikian besar, yang dimungkinkan pada keadaan suhu dan pH yang demikian "biasa"?
Nampaknya, terdapat empat faktor utama (Tabel 3) yang mempercepat kecepatan reaksi kimiawi yang dikataiisa oleh enzim.
Letak dan Orientasi. Enzim mungkin berikatan dengan molekul substrat, dengan cara sedemikian rupa sehingga ikatan yang akan dikatalisa bukan hanya terletak berdekatan dengan gugus katalitik, tetapi juga mengarah dengan tepat pada gugus tersebut, jadi, meningkatkan dengan nyata kemungkinan masuknya kompleks ES ke tingkat transisi .





Orientasi tak menguntungkan, Letak menguntungkan,
letak tak menguntungkan orientasi tak menguntungkan

Letak menguntungkan,
Orientasi menguntungkan


Gambar 9
Gambaran skematik faktor-faktor letak dan orientasi di dalam interaksi molekul substrat S dengan suatu gugus katalitik pada sisi aktif enzim E.

Tegangan dan Perubahan: Dorongan Pengubahan yang Tepat. Pengikatan substrat mungkin mendorong perubahan konformasi pada molekul enzim, yang menimbulkan tegangan pada struktur sisi aktif dan juga mengubah substrat yang terikat, sehingga membantu membawa kompleks ES menuju keadaan transisi. Perubahan ini disebut dorongan pengubahan secara tepat, pada enzim oleh substrat. Perubahan dalam struktur tertier atau kuartener pada molekul enzim yang relatif besar, karenanya, dapat menimbulkan pengaruh mekanik pada substrat. Konsep ini dapat menerangkan mengapa enzim merupakan protein, dan karenanya, jauh lebih besar dari kebanyakan molekul substrat.
Katalisator Umum Asain-Basa. Sisi aktif enzim dapat memberikan gugus R residu asam
amino spesifik yang merupakan pemberi atau penerima proton yang baik Gugus umum asam atau basa tersebut merupakan katalisator kuat bagi berbagai reaksi organik di dalam sistem cair.
Katalisator Kovalen. Beberapa enzim bereaksi dengan substratnya, membentuk kompleks enzim-substrat yang berikatan kovalen dan sangat tidak stabil. Kompleks ini mengalami reaksi selanjutnya membentuk produk dengan segera dan lebih cepat, dibandingkan dengan reaksi yang tidak dikatalisa.
Walaupun keempat faktor ini (Tabel 3) dipandang memberikan dukungan pada tingkat yang berbeda-beda terhadap kecepatan reaksi enzim yang berbeda-beda, kita masih belum memperoleh pengetahuan yang tepat mengenai bagaimanakah mekanisme suatu enzim dalam memberikan percepatan reaksi secara khas.

12) Analisis Sinar-X Telah Membuka Ciri-Ciri Struktural Yang Penting Pada Enzim
Banyak informasi penting mengenai struktur dan mekanisme katalitik enzim telah dihasilkan dari analisis difraksi sinar-x. Banyak kristal enzim telah diamati oleh metoda ini, yang telah melengkapi informasi yang diperoleh dari penelitian kimiawi enzim. Beberapa kemajuan penting dalam pengetahuan kita mengenai enzim yang telah dimungkinkan oleh analisis sinar-x diperlihatkan pada beberapa halaman berikut ini, yang memperlihatkan serangkaian struktur enzim.
Pertama, analisis sinar-x membuka struktur sekunder, tertier, dan kuartener berbagai molekul enzim, menyebabkan kita dapat membandingkan struktur-struktur ini dengan struktur protein globular nonkatalitik. Dari perbandingan tersebut, bukannya tidak mungkin untuk mengidentifikasi setiap konformasi tiga dimensi khusus pada rantai polipeptida yang bersifat khas bagi semua enzim dan berbeda dari struktur protein nonkatalitik. Anggota golongan enzim tertentu seperti golongan yang mengkatalisa pemindahan gugus fosfat dari ATP menuju molekul penerima fosfat, dapat saja memiliki ciri struktural yang sama.
Kedua, analisis sinar-x telah memungkinkan identifikasi sisi katalitik atau sisi aktif berbagai jenis enzim. Seringkali, sisi aktif terdiri dari kantung atau lekukan pada molekul enzim, tempat molekul substrat menempatkan dirinya secara komplementer. Sisi aktif beberapa enzim dilapisi dengan simpul bolak-balik rantai peptida pada konfonnasi b dan pada enzim lain, sisi aktif berbentuk kantung yang dilapisi oleh residu asam amino dengan gugus polar bermuatan. Pada beberapa kasus, telah ditemukan bahwa kita mungkin menentukan struktur kompleks enzim-substrat dengan metoda sinar-x. Contohnya adalah enzim lisozim, yang memotong ikatan tertentu pada kerangka polisakarida bakteri.
Gabungan metoda sinar-x dan metoda kimiawi telah membuka gambaran keseluruhan sisi aktif khimotripsin, yang terdiri dari tiga rantai polipeptida, yang dihubungkan oleh jembatan sistin. Metoda kimia telah memperlihatkan bahwa jika khimotripsin diinaktifkan oleh diisoproflifluorofosfat, terbentuk suatu turunan kovalen dari residu serin pada posisi 195 dari rantai polipeptida, sehingga kita telah mengidentifikasi residu ini sebagai bagian dari sisi katalitik aktif. Pengujian kimiawi lain memperlihatkan bahwa residu histidin pada posisi 57 dan suatu residu asam aspartat pada posisi 102 juga terlibat di dalam katalisis oleh enzim ini. Walaupun letak residu ini terpisah jauh pada kerangka polipeptida dan yang satu terletak pada rantai yang berbeda dari yang lain, analisis sinar-x memperlihatkan residu. Residu ini terietak amat dekat pada struktur tiga dimensi berlipat pada molekul khimotripsin asli. Informasi struktural yang tepat ini, bersama-sama dengan uji kimiawi enzim telah memungkinkan kita untuk mengajukan mekanisme bagi kerja katalitik khimotripsin, dan untuk meniadakan mekanisme lain yang tidak sesuai dengan struktur sisi aktifnya. Walaupun kita belum mengetahui secara terperinci, bagaimana khimotripsin bekerja, kita lebih dekat lagi untuk mengetahui kerja enzim ini dibandingkan dengan enzim lain manapun.
Namun demikian, terdapat aspek lain dari kerja enzim yang telah diungkapkan oleh pengujian sinar-x, yaitu, terjadinya perubahan konformasi molekul enzim pada saat molekul ini mengikat dan bekerja pada substratnya. Contoh yang menonjol diberikan oleh heksokinase, yang mengkatalisa fosforilasi D-glukosa oleh ATP. Pengikatan molekul glukosa yang relatifkecil pada sisi aktif heksokinase mengakibatkan kedua subunit rantai polipeptidanya bergerak bersama-sama seperti geraham suatu perangkap, membungkus molekul glukosa dan membuatnya siap bereaksi dengan molekul ATP. Mungkin penempatan yang sesuai pada enzim ini menegangkan molekul glukosa, membawanya lebih siap menuju keadaan transisi.

13) Sistem Enzim Memiliki Enzim Pengatur atau Pemacu
Di dalam metabolisme sel, sekumpulan enzim bekerja bersama-sama dalam rangkaian atau sistem yang berurutan, untuk menjalankan proses metabolik tertentu seperti penggubahan glukosa menjadi asam laktat di dalam otot kerangka atau sintesis asam amino dari prekursor yang lebih sederhana. Di dalam sistem enzim seperti itu, produk reaksi enzim pertama menjadi substrat bagi enzim selanjutnya, dan seterusnya (Gambar 10). Sistem multi enzim dapat memiliki sampai 15 atau lebih enzim yang bekerja pada urutan spesifik.
Di dalam tiap sistem enzim, terdapat sekurang-kurangnya satu enzim, ''pemacu" yang menentukan kecepatan keseluruhan urutan reaksi, karena enzim ini mengkatalisa tahap yang paling lambat, atau tahap penentu kecepatan. Enzim pemacu seperti ini bukan hanya memiliki fungsi katalitik, tetapi juga mampu meningkatkan atau menurunkan aktivitas katalitik sebagai respons lerhadap isyarat tertentu. Melalui kerja enzim pemacu tersebut, kecepatan masing-masing urutan metabolik diatur secara tetap, pada setiap menit, untuk mengubah, menyesuaikan din, dengan kebutuhan sel akan energi dan molekul unit pembangun yang diperlukan dalam pertumbuhan dan perbaikan sel. Di dalam kebanyakan sistem multienzim, enzim pertama pada urutan, Reaksi tersebut merupakan enzim pemacu atau pengatur. Enzim-enzim lain di dalam urutan reaksi yang biasanya terdapat dalam jumlah yang memungkinkan aktivitas katalitik yang berlebihan, hanya mengikuti enzim pengatur ini; enzim-enzim tersebut dapat melangsungkan reaksinya banya dengan kecepatan yang sesuai dengan kecepatan penyediaan substrat dari tahap sebelumnya.
Enzim tersebut, yang aktivitasnya diatur melalui berbagai jenis isyarat molekular, disebut enzim regulatori (atau enzim pengatur). Terdapat dua golongan utama enzim pengatur: enzim alosterik atau pengatur bukan kovalen, dan enzim pengatur kovalen.
14) Enzim Alosterik Diatur Oleh Pengikatan Nonkovalen Molekul Pengatur
Pada beberapa sistem multienzim, enzim pertama atau enzim pengatur memiliki sifat yang menonjol. Enzim ini dihambat oleh produk akhir sistem multienzim. Bilangan produk akhir urutan metabolik tersebut meningkat di atas konsentrasi imbang-normalnya, yang menunjukkan bahwa senyawa ini sedang diproduksi dalam jumlah yang melebihi kebutuhan sel, produk akhir urutan ini bekerja sebagai suatu penghambat spesifik terhadap enzim pertama atau pengatur di dalam urutan ini. Keseluruhan sistem enzim, oleh karenanya, melambatkan kecepatan reaksi sehmgga produksi senyawa produk akhir tersebut menjadi seimbang dengan kebutuhan sel. Jenis pengaturan ini disebut penghambatan balik.
Gambar 10 :
Penggambaran skematik sistem multienzim yang mengubah A menjadi P melalui empat tahap reaksi berurutan yang dikatalisa oleh enzim

Contoh klasik dari penghambatan balik alosterik seperti ini; salah satu yang pertama kali ditemukan, adalah sistem enam bakteri yang mengkatalisa pengubahan L-treonin menjadi L-isoleusin. Pada urutan lima enzim ini, yang pertama yaitu dehidratase treonin dihambat oleh isoleusin, produk enzim terakhir dari rangkaian ini. Isoleusin bersifat spesifik sebagai penghambat. Tidak ada senyawa antara lain pada rangkaian reaksi ini yang bersifat menghambat terhadap dehidratase treonin, demikian pula tidak ada enzim lain di dalam rangkaian ini yang dihambat oleh isoleusin. Penghambatan balik adalah satu di antara berbagai jenis pengaturan alosterik.
Penghambatan dehidratase treonin oleh isoleusin bersifat dapat balik, jika konsentrasi isoleusin menurun, kecepatan aktivitas reaksi dehidratase treonin meningkat. Jadi, aktivitas dehidratase treonin bereaksi dengan sangat cepat dan bersifat dapat balik terhadap fluktuasi konsentrasi isoleusin di dalam sel. Walaupun isoleusin merupakan penghambat enzim yang amat spesifik, isoleusin tidak berikatan dengan sisi substrat. Sebaliknya, molekul ini berikatan dengan sisi spesifik lain pada molekul enzim, yaitu sisi pengatur. Pengikatan isoleusin pada sisi pengatur dehidratase treonin mi bersifat nonkovalen dan karenanya, segera dapat diatasi. Dehidratase treonin merupakan anggota yang khas dari go!ongan enzim alosterik, yaitu enzim-enzim pengatur yang berfungsi melalui pengikatan nonkovalen dan dapat balik suatu molekul pengatur. Istilah alosterik diturunkan dari bahasa Yunani "allo" yang berarti yang lain, dan "stereos" yang berarti ruang atau sisi. Enzim alosterik adalah enzim yang memiliki sisi lain selain sisi katalitik.
Sifat-sifat enzim alosterik berbeda nyata dari enzim-enzim bukan pengatur (biasa) yang didiskusikan sebelumnya pada bab ini. Pertama, seperti semua enzim, enzim alosterik memiliki sisi katalitik yang berikatan dengan substrat dan mengubahnya, tetapi enzim ini juga memiliki satu atau lebih sisi pengatur atau alosterik untuk mengikat metabolit pengatur, yang disebut modulator (pengatur) atau efektor (gambar 11). Sama seperti sisi katalitik enzim yang bersifat spesifik bagi substiarnya, sisi alosterik bersifat spesifik bagi modulator (pengatur)-nya. Kedua, molekul enzim alosterik umumnya lebih besar dan lebih kompleks dibandingkan dengan molekul enzim biasa. Kebanyakan enzim-enzim alosterik memiliki dua atau lebih rantai atau subunit polipeptida. Ketiga, enzim alosterik biasanya memperlihatkan penyimpangan yang nyata dari tingkah laku klasik Michaelis-Menten. Hal ini salah satu ciri yang pertama-tama membedakannya dari enzim-enzim biasa.
15) Enzim Alosterik Dapat Dihambat atau Dipercepat oleh Modulator
Bilamana sisi alosterik diisi oleh modulator negatif atau penghambat spesifik, yang terjadi, Jika konsentrasi senyawa ini meningkat di dalam sel, enzim mengalami perubahan menjadi bentuk yang kurang aktif atau bentuk tidak aktif; dengan kata lain, molekul ini "dimatikan." Bilamana modulator penghambat terlepas dari sisi alosterik, yang terjadi jika konsentrasi modulator di dalam sel menurun, enzim kembali ke bentuk aktif atau bentuk "hidup."
Tetapi, terdapat juga enzim alosterik yang diaktifkan oleh molekul modulator (pengatur)-nya. Dalam hal ini, modulator perangsang atau positif bukan merupakan produk akhir rangkaian enzim, tetapi beberapa metabolit lain yang berperan sebagai isyarat molekular terhadap enzim untuk mempercepat dirinya (Gambar 12). Seringkali modulator peng alosterik dalam hal ini, disebut homotropik (karena substrat dan modulatomya identik), dan memiliki dua atau lebih sisi pengikatan bagi substriat. Sisi pengikatan ini seringkali memainkan dua peranan; bekerja sebagai sisi katalitik dan juga sisi pengaturan. Jenis enzim alosterik ini bereaksi terhadap keadaan terjadinya akumulasi substrat dalam jumlah berlebih, yang harus diubah dengan reaksi selanjutnya. Jadi, kita memiliki dua jenis enzim alosterik; golongan yang dihambat oleh modulatomya, biasanya oleh molekul bukan substrat (golongan ini disebut enzim heterotropik), dan golongan enzim yang dirangsang oleh modulatornya yang seringkali merupakan substratnya sendiri. Dalam banyak hal, mekanisme aktif-tidaknya enzim alosterik menyerupai mekanisme aktif-tidaknya hemoglobin oleh difosfogliserat.

Gambar 11 :
Model skematik interaksi subunit pada enzim alosterik.

Pada banyak ensim alosterik, sisi pengikatan substrat dan sisi pengikatan molekul pengatur terletak pada subunit yang berbeda, subunit katalitik (C) dan subunit pengatur (R) berturut-turut. Pengikatan molekul pengatur (modulator) positif M oleh sisi spesifik pada subunit pengatur dikomunikasikan kepada subunit katalitik melalui suatu pembahan konformasi, menjadikan subunit katalitik aktif dan mampu mengikat substrat S dengan afinitas tinggi. Pada penguraian modulator M dari subunit pengatur, enzim kembali menjadi bentuk nonaktif atau kurang aktif.


Gambar 12 :
Penentuan pengaturan alosterik yang bersifat menghambat atau mempercepat.

Beberapa enzim alosterik memiliki dua atau lebih modulator yang dapat berpengaruh secara berlawanan, sehingga satu atau lebih modulator enzim ini bersifat pengaktif, dan satu atau lebih bersifat penghambat. Pada enzim yang lebih kompleks ini, masing-masing modulator memiliki sisi alosterik spesifiknya, yang jika terisi, mengisyaratkan enzim untuk mempercepat kerja katalitiknya atau memperlambat reaksi.
16) Enzim Alosterik Menyimpang dari Tingkahlaku Michaelis-Menten

Enzim alosterik memperlihatkan hubungan di antara konsentrasi substrat dan kecepatan reaksi yang berbeda dari tingkahlaku klasik Michaelis-Menten dalam berbagai hal, tergantung pada apakah enzim memiliki modulator penghambat atau pengaktif. Enzim alosterik memperlihatkan "kejenuhan" dengan substrat, jika substrat ditambahkan pada konsentrasi cukup tinggi, tetapi bilamana kecepatan awal beberapa enzim alosterik dipetakan terhadap konsentrasi substrat (Gambar 13), terjadi kurva kejenuhan yang berbentuk sigmoid, dan bukan kurva kejenuhan substrat hiperbolik yang telah kita kenal, seperti diperlihatkan oleh enzim biasa. Walaupun kita dapat menemukan suatu titik pada kurva kejenuhan sigmoid pada enzim alosterik, yang memperlihatkan setengah kecepatan reaksi maksimum, kita tidak dapat menggunakannya sebagai penentu KM, karena enzim ini tidak mengikuti hubungan hiperbolik Michaelis-Menten. Sebaliknya, lambang [S]0.5 atau K0.5 dipergunakan untuk menunjukkan konsentrasi substrat yang memberikan kecepatan setengah makaimum enzim alosterik. . .
Kurva kejenuhan hiperbolik bagi enzim biasa yang diperlihatkan sebelumnya pada Gambar 3, amat mirip dengan kurva pengikatan oksigen yang ditunjukkan oleh mioglobin. Sebaliknya, kurva kejenuhan enzim alosterik pada Gambar 13a bersifat sigmoid, menyerupai kurva pengikatan oksigen hemoglobin. Memang, mioglobin dan hemoglobin dapat dipandang sebagai model yang bennanfaat bagi interpretasi tingkahlaku enzim biasa dan enzim alosterik. Mioglobin hanya memiliki satu sisi pengikatan bagi ligannya (oksigen), satu rantai polipeptida, dan protein ini memberikan kurva kejenuhan oksigen yang berbentuk hiperbola. Serupa dengan itu, banyak enzim "nonregulatory" (biasa) juga hanya memiliki satu sisi pengikatan bagi substratnya, satu rantai polipeptida dan memberikan kurva kejenuhan substrat berbentuk hiperbolik.
Hemoglobin, Sebaliknya, memiliki empat sisi pengikatan, satu pada tiap-tiap subunitnya, dan keempat subunit ini bekerja secara kooperatif. Ingatlah bahwa jika satu sisi pengikatan hemoglobin dilisi oleh molekul oksigen, daya gabung sisi pengikatan oksigen sisanya meningkat, menyebabkan kurva kejenuhan oksigen meningkat dengan tajam, setelah oksigen pertama diikat, dan menyebabkan kurva ini berbentuk sigmoid. Serupa dengan hal itu, enzim alosterik homotropik memiliki banyak sisi pengikatan bagi substratnya, dan bekerja secara kooperatif, sehingga pengikatan satu molekul substrat meningkatkan dengan nyata pengikatan molekul substrat selanjutnya. Diskusi di atas rnenjelaskan peningkatan sigmoid dan bukan hiperbolik pada kecepatan aktivitas enzim oleh peningkatan konsentrasi substrat.
Dengan enzim heterotropik, yang modulatornya merupakan beberapa metabolit selain substratnya sendiri, sulit untuk membuat suatu generalisasi mengenai bentuk kurva kejenuhan substrat, yang berhubungan apakah modulator dengan tersebut positif (mengaktifkan) atau negatif (menghambat). Jika modulator bersifat mengaktifkan, senyawa ini dapat menyebabkan kurva kejenuhan substrat menjadi lebih menyerupai hiperbolik, dengan penurunan pada K0.5, tetapi Vmaks tidak berubah, jadi, menyebabkan peningkatan kecepatan pada konsentrasi substrat tetap (Gambar 13b). Enzim alosterik lain bereaksi terhadap modulator pengaktif dengan meningkatkan Vmaks ,dan sedikit perubahan pada K0.5 (Gambar 13c). Jika modulator bersifat negatif atau menghambat, kurva kejenuhan substrat dapat menjadi lebih sigmoid,dengan peningkatan dalam K0.5 (Gambar 13b). Oleh karena itu, enzim alosterik memperlihatkan reaksi yang berbeda-beda dalam kurva aktivitas substratnya, karena, beberapa memiliki modulator penghambat, beberapa memiliki modulator pengaktif, dan beberapa memiliki keduanya.

Gambar 13
Kurva aktivifas substrat bagi contoh enzim alosterik. (a) Kurva sigmoid yang ditunjukkan oleh suatu enzim homotropik, dengan substrat yang juga berperan sebagai modulator positif [pengaktif]. K0.5 adalah konsentrasi substrat yang memberikan setengah kecepatan maksimum. Perhatikan bahwa peningkatan yang relatif kecil pada konsentrasi substrat pada bagian yang curam dari kurva dapat menyebabkan peningkatan, tinggi pada kecepatan reaksi. Perhatikan juga persamaannya dengan kurva kejenuhan oksigen hemoglobin, (b) Pengamh modulator positif (+) atau pengaktif, modulator negatif (—) atau penghambat, dan tanpa modulator (0) terhadap enzim alosterik dengan K0.5 enzim yang diubah tanpa perubahan pada Vmaks, (c) jenis pengaturan yang lebih sedikit dijumpai, dengan Vmaks yang diubah, dan K0.5 yang hampir-hampir tetap. Ini adalah contoh-contoh berbagai reaksi yang kadang-kadang kompleks yang diberikan oleh enzim alosterik terhadap modulatornya.


17) Enzim Alosterik Memperlihatkan Komunikasi di antara Subunit
Enzim alosterik dan hemoglobin mempunyai persamaan lain. Pertama, seperti hemoglobin, enzim alosterik umumnya memiliki banyak subunit rantai polipeptida; memang, beberapa enzim alosterik dapat mempunyai enam, delapan, atau selusin atau lebih subunit. Kedua, pada enzim alosterik, nampaknya teqadi komunikasi di antara sisi pengikatan bagi modulator dan sisi katalitik bagi substrat, serupa dengan komunikasi yang terjadi jika satu molekul oksigen terikat pada satu subunit hemoglobin, dan mengisyaratkan subunit lain untuk meningkatkan daya gabung terhadap oksigen. Ketiga, enzim alosterik niengalami perubahan konformasi pada pengikatan molekul modulator dan karenanya, mengalami pergeseran di antara keadaan yang relatif tidak aktif dan keadaan yang relatif aktif (Gambar 11). Di sini, kembali kita menemukan persamaan dengan pembahan konformasi dan sifat-sifat pergeseran pada hemoglobin.
Beberapa enzim alosterik amat kompleks stnikturnya, dan mengandung banyak rantai polipeptida. Contoh yang penting adalah tramkarbamoilase aspartat yang memiliki 12 rantai polipeptida yang terorganisasi menjadi subunit katalitik dan subunit pengatur (regulatori).

18) Banyak Enzim Terdapat dalam Berbagai Bentuk
Banyak enzim terdapat dalam lebih dari satu bentuk molekuler di dalam spesies yang sama pada jaringan yang sama, atau. bahkan di dalam sel yang sama. Pada kasus seperti ini bentuk enzim yang berbeda mengkatalisa reaksi yang sama, tetapi, karena enzim-enzim tersebut berbeda dalam sifat-sifat kinetiknya dan dalam komposisi atau sekuen asam amino, enzim dapat dibedakan dan dipisahkan oleh prosedur yang sesuai. Bentuk enzim yang bervariasi tersebut disebut jsoenzim atau isozim. Salah satu enzim yang pertama ditemukan memiliki berbagal bentuk adalah dehidrogenase laktat, yang mengkatalisa reaksi oksidasi- reduksi dapat balik
Laktat + NAD+ Û piruvat + NADH + H+
dengan laktat yang kehilangan dua atom hidrogen, dan karenanya teroksidasi menjadi piruvat. Dehidrogenase laktat terdapat pada jaringan hewan sebagai lima isozim yang berbeda dan dapat dipisahkan oleh elektroforesis. Semua isozim dehidrogenase laktat mengandung empat rantai polipeptida, masing-masing dengan berat molekul 33.500, tetapi kelima isozim mengandung berbagai nisbah dari kedua jenis polipeptida yang berbeda dalam komposisi dan deret. Rantai A (juga ditunjukkan oleh M bagi otot) dan rantai B (juga ditunjukkan oleh H bagi jantung), disandi oleh dua gen yang berbeda, Pada otot kerangka, isozim dehidrogenase laktat yang utama mengandu-ng empat rantai A, dan pada jantung, isozim utamanya mengandung empat rantai B. Isozim dehidrogenase laktat pada jaringan lain merupakan campuran kelima kemungkinan bentuk isozim yang dapat dilambangkan sebagai A4, A3B, A2B2, AB3, dan B4. Isozim dehidrogenase laktat yang berbeda, Vmaks berbeda pula dalam aktivitas maksimumnya dan dalam tetapan Michaelis-Menten KM bagi substrat, terutama bagi piruvat. Sifat-sifat isozim LDH A4 cendemng mengkatalisa reduksi cepat konsentrasi amat rendah piruvat menjadi laktat pada otot kerangka, sedangkan isozim B4 cenderung mengkatalisa oksidasi cepat laktat menjadi piruvat pada jantung. Isozim dehidrogenase laktat lainnya memiliki sifat-sifat kinetik antara.
Banyak jenis-jenis enzim yang berpartisipasi di dalam metabolisme sel telah ditemukan terdapat dalam berbagai bentuk isozim. Semua bentuk isozim enzim tertentu mengkatalisa reaksi yang sama, tetapi berbeda dalam sifat-sifat kinetik dan dapat berbeda juga dalam responnya terhadap modulator alostenk. Distribusi berbagai bentuk isozim setiap ensim mencerminkan sedikitnya empat faktor:
1. Pola metabolik yang berbeda di dalam organ yang berbeda, Sebagai contoh, isozim LDH pada otot jantung dan otot kerangka mencerminkan perbedaan metabolik pada organ-organ ini.
2. Lokasi dan peranan metabolik yang berbeda dari suatu enzim di dalam satu jenis sel. Sebagai contoh, enzim dehidrogenase malat terdapat dalam berbagai bentuk pada mitokhondria dan sitosol, tempat enzim menjalankan peranan yang agak berbeda.
3. Diferensiasi dan perkembangan jaringan dewasa dari bentuk embrionik atau bayi. Sebagai contoh, hati anak bayi memiliki distribusi isozim dehidrogenase laktat yang khas yang berubah bilamana organ mengalami proses diferensiasi menjadi bentuk dewasanya. Suatu penemuan menarik adalah bahwa beberapa enzim pada pemecahan glukosa pada sel-sel kanker ganas terdapat dalam bentuk isozim Janin (bayi).
4. Penyesuaian yang tepat terhadap kecepatan metabolik melalui respon yang berbeda dari bentuk-bentuk isozim terhadap modulator alosterik. Beberapa enzim pengatur terdapat dalam bentuk isozim yang berbeda dalam responnya terhadap modulator.
19) Enzim Dapat Mengalami Kerusakan Katalitik Karena Mutasi Genetik
Banyak penyakit genetik manusia yang diketahui melibatkan kerusakan atau inaktifasi. Salah satu enzim atau lebih, dalam fungsi kataiitik atau pengaturannya. Pada penyakit serupa ini, molekul enzim yang mengalami kerusakan mungkm mengandung satu atau lebih asam amino yang salah pada rantai polipeptidanya, sebagai akibat dari mutasi pada DNA penyandingnya. Aktivitas katalitik suatu enzim tergantung pada bukan hanya adanya residu asam amino spesifik pada sisi katalitik dan sisi pengaturannya (sisi regulator), tetapi juga tergantung pada keseluruhan konformasi tiga dimensi enzim. Pengganti satu residu asam amino pada beberapa posisi kritis pada rantai polipeptida, karenanya, dapat mengubah atau merusak aktivitas katalitik enzim, seperti penggantian satu residu asam amino, menyebabkan hemoglobin sel sabit tidak berfungsi dengan baik. Jika enzim yang telah terubah secara genetis ini merupakan anggota sistem enzim yang mengkatalisa suatu lintas metabolik utama, akibatnya dapat menjadi serius atau bahkan gangguan yang fatal di dalam metabolisme.
Beberapa di antara penyakit genetik manusia yang utama yang berkaitan dengan penyimpangan pada salah satu enzim atau lainnya diberikan pada Tabel 4. Banyak usaha yang dilakukan untuk mencegah akibat-akibat yang tidak diingmkan dari kerusahan genetik pada enzim. Salah satu pendekatan yang sedang diteliti adalah pemasukan bentuk enzim yang normal dan aktif ke dalam tubuh, yang diimobilisasi pada kapsul berfilter yang dimasukkan ke dalam pembuluh darah. Dengan cara ini, diharapkan bahwa metabolit yang terakumulasi di dalam badan sebagai akibat dari kerusakan genetik dapat diubah menjadi produk normalnya pada saat darah mengalir melalui kapsul yang mengandung enzim normal-aktif ini.

Pengubahan genetik pada enzim tidak selalu membahayakan. Seringkali, peristiwa ini menghasilkan keragaman pada sifat-sifat sekunder. Suatu organisme, seperti perubahan pada warna mata atau rambut secaia khas (Gambar 14). Kadang-kadang, pengubahan genetik pada suatu enzim dapat membuatnya lebih efisien, memberikan organisms ini beberapa kelebihan di dalam daya tahan hidupnya.




Gambar 14
Pola warna yang khas pada kucing Siam, diakibatkan oleh pengubahan genetik enzim yang terlibat di dalam sintesis pigmen rambut hitam, Karena kerusakan ini, enzim hanya aktif pada hagian tubuh yang lebih dingin (sejuk).


















C. KESIMPULAN
1) Enzim adalah protein yang mengkatalisa reaksi kimiawi spesffik. Enzim mengikat molekul substrat membentuk kompLek enzim-substrat yang bersifat sementara, yang terurai membentuk enzim bebas dan produknya.
2) Bilamana konsentrasi substrat S meningkat, aktivitas katalitik konsentrasi enzim E tertentu akan meningkat mengikuti pola hiperbolik mendekati kecepatan maksimum Vmaks nya yang khas.
3) Konsentrasi substrat yang mencapai setengah Vmaks adalah tetapan Michaelis-Menten KM, yang bersifat khas bagi masing-masing enzim yang bekerja pada substrat tertentu.
4) Tiap-tiap enzim juga meniiliki pH optimum, selain spesifisitas yang khas bagi substratnya. Enzim dapat telinaktifasi oleh modifikasi tidak dapat balik terhadap beberapa gugus fungsional yang penting bagi aktivitas katalitiknya.
5) Enzim dapat juga dihambat secara dapat balik, oleh senyawa yang bersifat kompetitif atau non-kompetitif. Penghambat kompetitif, yang strukturnya biasa menyerupai substrat, bersaing dengan substrat secara dapat balik untuk berikatan dengan sisi aktif, tetapi, penghambat ini tidak terubah oleh enzim.
6) Penghambat nonkompetitif mengikat beberapa sisi lain baik pada enzim bebas, dan kompleks enzim- substrat; kerja penghambat ini tidak dapat diatasi oleh substrat
7) Enzim menyebabkan berlangsungnya reaksi kimia dengan mengarahkan substrat berdekatan dengan sisi katalitik, dengan meinberikan gugus pemberi dan penerinia proton yang bersifat katalitik, dengan membuat senyawa kovalen tidak stabil dengan substrat, atau dengan menimbulkan tegangan atau lenturan pada substrat
8) Di samping aktivitas katalitiknya, beberapa enzim memiliki aktivjtas pengatur dan berperan sebagai pemacu atau pengatur kecepatan reaksi metabolisme. Beberapa enzim pengatur, yang dinamakan enzim alosterik, diatur kecepatannya oleh pengikatan dapat balik nonkovalen molekul modulator atau pengatur spesifik pada sisi alosterik atau sisi pengaturan.
9) Beberapa enzim terdapat dalam bentuk ganda, yaag disebut isozim, yang niempunyai sifat-sifat kinetika yang berbeda
10) Pada banyak penyakit genetik manusia, satu atau lebih enzim mengalami kerusakan fungsi sebagai akibat mutasi yang menurun.
.
.




Acuan
Beberapa Buku Acuan
barman. t.; Enzyme Handbook, vol. 1 Springer-Verlag, New York, 1969. Ringkasan yang
berhaiga mengenai sifat-sifat utama enzim-enzim yang telah. diketahui pada saat itu,
yang digolongkan berdasaikan tata cara inteTnasional.
Enzyme Nomenclature, Academic, New York, 1979. Rekomendasi dari K-omisi Inter-
nasional mengenai Enziin. '' ...
fersht.a.: Enzyme Structure and Mechanism. Freeman, San Fransisco,'1977. Suatu
psngenalan yang jelas, dan tertulis dengan riligkas.
friedmann. herbert (ed,)'. Benchmark Papers in Biochemistry, vol. 1, Enzymes, Hutc-
liinson Ross, Stroudsbuig, Pa., 1981. Suatu kumpulan makalah klasik dalam kimiawi
enzim dengan komentar historis oleh penyunting. Sangat menarik. ._
mewsholme. e. a.., dan c. start-, Regulation in Metabolism, Wey, New York, 1973.
Bab 1 dan 2 mengulas sifat-sifat enzim pengatui.
segel. i.h.: Enzyme Kinetics: Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady
State Enzyme Systems, Wuey, New York, 1975. Pembahasan lanjut.
Beberapa Artiket.,.
andersqn. c. m.. f. h. zucker, dan t. a. steitz-, "Space-Filling Models of Kinase Clefts
and Confoimational Changes," Science, 204: 373-380 (1979). Struktur heksokmase
dan enzini lain yang menggunakan ATP.
dische.z.-. "The Discovery of Feedback Inhibition," Trends Biochem. Sci., 1:269(1976).
"Enzymes: One Hundred Years," FEBS Lett. Suppl., vol. 62 (1976). Serangkaian niakalah
menarik yang disampaikan pada perayaan ke seratus penaniaan kata "enzim."
koshland.d. e..jr.. dan k,e, neet: "The Catalytic and Regulatory Properties of Ea-
zymes," Annu. Rev. Biochem.. 37: 359-410(1968).
monod, j.. j.-p. changeux. dan f, jacob: "AUosteric Pioteins and Cellulai Contiol
Systems," J. Mol. Biol.. 6: 306-329 (1963). Makalah klasik yang meraperkenalkan
konsep pengaturan alosterik-
mosbach.k.: "Enzymes Bound to Artificial Matrixes," Sci. Am., 224: 26-33, March
(1971). Di samping menyamai mekamsme keria beberapa enzim di dalam set, enzim-
enzim yang terikat pada matriks dipergunakan sebagai biokatalisator pada industn
dan menawarkan suatu al.at medis baru.
philups.d.c.: "The Three-Dimensional Structure of an Enzyme Molecule," Sci. Am:
215: 78-90, Nopember (1966) (omslah 1055). Suatu artikel istimewa mengena:
struktui tiga ditnensi dan raekanisme katalitik hsorim.
1)