MEKANISME DAN REGULASI ENZIM

Juniartha Semara Putra

MEKANISME DAN REGULASI ENZIM

Enzim adalah biomolekul berupa protein yang berfungsi sebagai katalis (senyawa yang mempercepat proses reaksi tanpa habis bereaksi) dalam suatu reaksi kimia organik. Molekul awal yang disebut substrat akan dipercepat perubahannya menjadi molekul lain yang disebut produk. Jenis produk yang akan dihasilkan bergantung pada suatu kondisi/zat, yang disebut promoter. Semua proses biologis sel memerlukan enzim agar dapat berlangsung dengan cukup cepat dalam suatu arah lintasan metabolisme yang ditentukan oleh hormon sebagai promoter.

Koenzim adalah kofaktor berupa molekul organik kecil yang mentranspor gugus kimia atau elektron dari satu enzim ke enzim lainnya. Contoh koenzim mencakup NADH, NADPH dan adenosina trifosfat. Gugus kimiawi yang dibawa mencakup ion hidrida (H–) yang dibawa oleh NAD atau NADP+, gugus asetil yang dibawa oleh koenzim A, formil, metenil, ataupun gugus metil yang dibawa oleh asam folat, dan gugus metil yang dibawa oleh S-adenosilmetionina. Beberapa koenzim seperti riboflavin, tiamina, dan asam folat adalah vitamin. Oleh karena koenzim secara kimiawi berubah oleh aksi enzim, adalah dapat dikatakan koenzim merupakan substrat yang khusus, ataupun substrat sekunder. Sebagai contoh, sekitar 700 enzim diketahui menggunakan koenzim NADH. Regenerasi serta pemeliharaan konsentrasi koenzim terjadi dalam sel. Contohnya, NADPH diregenerasi melalui lintasan pentosa fosfat, dan S-adenosilmetionina melalui metionina adenosiltransferase.

FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KERJA ENZIM

Ada empat faktor yang mempengaruhi kerja enzim yaitu temperatur, PH, konsentrasi dan inhibitor.

Temperatur

Karena enzim tersusun dari protein maka enzim sangat peka terhadap temperatur. Temperatur yang terlalu tinggi dapat menyebabkan denaturasi protein. Temperatur terlalu rendah dapat menghambat reaksi. Pada umumnya, temperatur optimum enzim adalah 30 – 40 0C. Kebanyakan enzim tidak menunjukkan reaksi jika suhu turun sampai sekitar 00C, namun enzim tidak rusak. Jika suhu normal kembali, maka enzim akan aktif kembali. Enzim tahan pada suhu rendah, namun dapat rusak di atas suhu 500C.

Perubahan PH

Enzim juga sangat terpengaruh oleh pH. Perubahan pH dapat mempengaruhi perubahan pH dapat mempengaruhi perubahan asam amino kunci pada sisi aktif enzim sehingga menghalangi sisi aktif bergabung dengan subtratnya. pH optimum yang diperlukan berbeda – beda, tergantung pada jenis enzimnya.
Konsentrasi Enzim dan Substrat
Agar reaksi berjalan optimum, maka perbandingan jumlah antara enzim dan substrat harus sesuai. Jika enzim terlalu sedikit dan substrat terlalu banyak, reaksi akan berjalan lambat dan bahkan ada substrat yang terkatalisasi. Semakain banyak enzim, reaksi akan semakin cepat.

Inhibitor Enzim

Seringkali kerja enzim dihambat oleh suatu zat yang disebut Inhibitor. Jika inhibitor ditambahkan ke dalam campuran enzim dan substrat, kecepatan reaksi akan turun. Cara kerja inhibitor ini adalah berikatan dengan enzim dan membentuk kompleks enzim – inhibitor yang masih mampu atau tidak mampu berikatan dengan substrat.Ada dua jenis inhibitor yaitu inhibitor kompetitif dan inhibitor nonkompetitif

Ø Inhibitor kompetitif

Pada penghambatan ini, zat – zat penghambatan mempunyai stuktur yang mirip dengan substrat. Dengan demikian baik substrat maupun zat penghambat berkompetisi atau bersaing untuk bergabung dengan sisi aktiv enzim. Jika zat penghambat lebih dulu berikatan dengan sisi aktif enzim, maka substrat tidak dapat lagi berikatan dengan sisi aktif enzim.

Ø Inhibitor Nonkompetitif

Pada penghambatan ini, substrat sudah tidak dapat berikatan dengan kompleks enzim – inhibitor, karena sisi aktif enzim berubah.

1.     Mekanisme Kerja Enzim

Enzim bekerja dengan cara bereaksi dengan molekul substrat untuk menghasilkan senyawa intermediat melalui suatu reaksi kimia organik yang membutuhkan energi aktivasi lebih rendah, sehingga percepatan reaksi kimia terjadi karena reaksi kimia dengan energi aktivasi lebih tinggi membutuhkan waktu lebih lama. Sebagai contoh:
X + C → XC (1)
Y + XC → XYC (2)
XYC → CZ (3)
CZ → C + Z (4)
Untuk dapat bekerja terhadap suatu zat atau substrat harus ada hubungan atau kontak antara enzim dengan substrat . Enzim merupakan ukuran yang lebih besar daripada substrat, oleh karena itu tidak semua bagian enzim berhubungan dengan substrat. Tempat atau bagian enzim mengadakan hubungan dengan substrat disebut sisi aktif (active side). Hubungan hanya dapat terjadi bila bagian aktif mempunyai ruang yang tepat menampung substrat . Apabila substrat mempunyai bentuk lain, tidak dapat ditampung pada bagian aktif enzim. Hubungan atau kontak antara enzim dengan substrat menyebabkan terjadi kompleks enzim-substrat. Komplek ini merupakan komplek yang aktif dan bersifat sementara dan akan terurai lagi apabila reaksi yang diinginkan terjadi .
Enzim dapat bekerja dengan beberapa cara, yang kesemuaannya menurunkan ΔG‡:

ü Menurunkan energi aktivasi dengan menciptakan suatu lingkungan yang mana keadaan transisi terstabilisasi (contohnya mengubah bentuk substrat menjadi konformasi keadaan transisi ketika ia terikat dengan enzim.)

ü Menurunkan energi keadaan transisi tanpa mengubah bentuk substrat dengan menciptakan lingkungan yang memiliki distribusi muatan yang berlawanan dengan keadaan transisi.

ü Menyediakan lintasan reaksi alternatif. Contohnya bereaksi dengan substrat sementara waktu untuk membentuk kompleks Enzim-Substrat antara.

ü Menurunkan perubahan entropi reaksi dengan menggiring substrat bersama pada orientasi yang tepat untuk bereaksi. Menariknya, efek entropi ini melibatkan destabilisasi keadaan dasar, dan kontribusinya terhadap katalis relatif kecil.

Prinsip umum

Pembicaraan tentang mekanisme yang digunakan untuk mempercepat kecepatan reaksi melalui 3 contoh yang akan diberikan : katalis asam dan basa pada umumnya, katalis oleh ion-ion logam, dan katalis oleh enzim yang mengandung piridoksal fosfat.

    Katalisis asam-basa umum

Reaksi yang kecepatanya berubah-ubah akibat perubahan konsentrasi ion hidrogen atau konsentrasi ion hidronium dalam larutan, tetapi tidak tergantung pada konsentrasi asam atau basa lainya yang terdapat dalam larutan, dikatakan dapat mengalami katalisis asam spesifik atau katalisis basa spesifik. Reaksi yang kecepatanya tergantung pada semua asam dan basa yang terdapat dalam larutan dikatakan dapat menglami katalisis asam umum (general acid) atau katalisis basa umum (general base). Mutarotasi glukosa adalah salah satu rekasi yang tunduk pada katalisis asam-basa umum.

    Peranan ion logam

Ion logam melaksanakan peranan katalisi dan struktural yang penting pada protein. Sebenarnya, lebih dari seperempat dari semua enzim yang dikenal mengandung ion logam yang berikatan erat atau memerlukan ion logam untuk beraktivitasnya. Fungsi ion logam ini diselidiki dengan cara fisika, lebih-lebihdengan kristalografi sinar-X, nuclearmagnetic (ESR). Keterangan ini digabungkan dengan pengetahuan pembentukan dan kerusakan kompleks logam dan reaksi dalam lingkaran koordinasi ion logam untuk memberi pengertian tentang peranan ion logam pada reksi yang dikatalisi oleh enzim.

    Peranan ion logam pada katalisisIon logam dapat berpartisipasi dalam salah satu dari 4 mekanisme yang dipakai enzim untuk mempercepat kecepatan reaksi kimia : katalisis asam-asam umum,katalisis kovalen, Mendekatkan pereaksi, dan Mengadakan tekanan pada enzim atau substrat. Ion logam, seperti proton, adalah asam Lewis atau elektrotil dan oleh karena itu dapat menerima bagian alam pasangan elektron yang membentuk ikatan sigma. Ion logam juga dapat dianggap “super acids” karena mereka terdapat pada larutan yang netral, sering mempunyai muatan posotif yang lebih besar dari pada satu, dan dapat membentuk ikatan pi. Selain (dan tidak sperti proton) itu, logam dapat berperan sebagai cetakan 3-dimensi untuk orientasi dan ikatan gugus basa yang terdapat pada enzim atau substrat. Ion logam juga dapat menerima elektron melalui ikatan sigma atau pi untuk mengaktifkan elektrofil atau nukleofil (katalis asam-basa umum). Denagan memberikan elektron, logam dapat mengaktifkan nukleofil atau berperan sebagai nukleofil itu sendiri. Lingkaran koordinasi logam dapat mempersatukan enzim dan substrat (pendekatan) atau membentuk distorasi yang menghasilakan chelate pada enzim atau substrat (tekanan0. suatu ion logam uga dapat “menyelubungi’ nukleofil dan karena itu mencegah reaksi sampingan yang sebaliknya mungkin timbul. Akhirnya, pengaturan stereokimia dicapai oleh kemampuan lingkaran koordinasi logam untuk beerperan sebagai cetakan 3-dimensi untuk mengikat gugus-gugus reaktif pada orientsi sterik yang sfesisik.

Mekanisme Aksi Enzim

Pada gambar diatas didapat bahwa jika substrat bereaksi untuk menghasilkan produk, suatu hambatan energy (energi barrier) harus lebih dahulu diatasi. Hambatan ini disebut sebagai “ energy aktifasi”. Peningkatan suhu menyebabkan bertambahnya jumlah molekul dengan tingkat energy yang labih tinggi dari energy aktifasi yang dibutuhkan sehingga labih banyak molekul yang bereaksi, sedangkan enzim berperan menurunkan tingkat energy aktifasi yang dibutuhkan dengan demikian akan menyebabkan lebih banyak molekul yang dapat bereaksi.
Konsep kompleks enzim substrat pertama dikemukakan oleh Emil Fisher, seorang ahli kimia organic pada sekitar tahun 1884. Bagian enzim terdapat menyatu dengan substrat disebut dengan sisi aktif (active side). Pada sisi aktif enzim ini substrat di rombak menjadi produk. Jika sisi aktif ini kaku dan spesifik untuk substarat tertentu reaksi balik tidak akan dapat terjadi karena struktur molekul senyawa produk sudah berbeda dengan senyawa asalnya tidak “ dikenali “ oleh enzim.
Berbeda dengan konsep sisi aktif yang kaku dari Fisher, Daniel E. Kosland mengemukakan konsep bahwa sisi aktif enzim dapat disesuaikan dengan struktur substrata tau produk setelah molekul-molekul tersebut mendekati sisi aktif enzim. Dengan demikian penggabungan antara enzim dengan substrat menjadi lebih pas. Konsep ini sering dikenal sebagai hipotesis “dirangsang agar pas” (induced fit hypothesis).
Tahapan-tahapan energi pada reaksi kimia. Substrat memerlukan energi yang banyak untuk mencapai keadaan transisi, yang akan kemudian berubah menjadi produk. Enzim menstabilisasi keadaan transisi, menurunkan energi yang diperlukan untuk menjadi produk.Sebagai katalis, enzim tidak mengubah posisi kesetimbangan reaksi kimia. Biasanya reaksi akan berjalan ke arah yang sama dengan reaksi tanpa katalis. Perbedaannya adalah, reaksi enzimatik berjalan lebih cepat. Namun, tanpa keberadaan enzim, reaksi samping yang memungkinkan dapat terjadi dan menghasilkan produk yang berbeda.lebih lanjut, enzim dapat menggabungkan dua atau lebih reaksi, sehingga reaksi yang difavoritkan secara termodinamik dapat digunakan untuk mendorong reaksi yang tidak difavoritkan secara termodinamik. Sebagai contoh, hidrolsis ATP sering kali menggunakan reaksi kimia lainnya untuk mendorong reaksi.Enzim mengatalisasi reaksi maju dan balik secara seimbang. Enzim tidak mengubah kesetimbangan reaksi itu sendiri, namun hanya mempercepat reaksi saja. Sebagai contoh, karbonat anhidrase mengatalisasi reaksinya ke dua arah bergantung pada konsentrasi reaktan.
Ikatan antara enzim dan substrat dapat berupa ikatan kovalen , ionik, hydrogen, atau Van der Waals. Ikatan kovalen dan ionik sangat penting dikaitkan dengan energy aktifasi untuk suatu reaksi, tetapi banyaknya ikatan hidrogen dan van der waals mempengaruhi orientasi struktural dari kompleks enzim substrat. Walaupun ikatan kovalen yang kuat terbentuk , umumnya ikatan ini diputuskan dengan sangat cepat untuk menghasilkan produk.

Keseluruhan proses Katalisis Enzim
Interaksi ikatan harus;

a.     Cukup kuat untuk menahan substrat cukup lama selama reaksi berlangsung.

b.     Cukup lemah untuk membuat produk lepas dari enzim

Model sisi aktif enzim

Ø Model Lock and key

Diperkenalkan oleh Emil Fisher th 1890. Model ini mengasumsikan bahwa hanya substrat dengan bentuk yg cocok dapat berpasangan dengan enzim.

Ø Model Induced –fit

Diajukan oleh Daniel Koshland th 1958. Model ini mengasumsikan perubahan yang kontinu pada struktur sisi aktif enzim, ketika substrat terikat.

Ø Pengikatan Substrat (Induced Fit)

Sisi aktif hampir sesuai dengan bentuk substrat . Pengikatan (binding) mengubah bentuk enzim (induced fit). Binding akan menahan ikatan kimia dalam substrat. Binding melibatkan ikatan kimia intermolekuler antara gugus fungsional substrat dengan gugus fungsional pada sisi aktif. Ikatan kimia pada model ini adalah Ionik, H-bonding, van der waals

Contoh:Pengikatan Substrat (Induced Fit)
Ikatan Kimia

Ø Inhibitor Kompetitif (reversibel)

Inhibitor adalah senyawa yang dapat menghambat kerja enzim. Inhibitor memiliki struktur yang mirip dengan substrat. Inhibitor terikat secara reversibel pada sisi aktif. Tidak ada reaksi yang terjadi pada inhibitor. Inhibisi bergantung pada kekuatan ikatan inhibitor dan konsentrasinya. Substrate di blok dari sisi aktifnya. Konsentrasi substrat yang meningkat, dapat menahan inhibisi.

Ø Inhibitor Nonkompetitif (reversible)

Struktur inhibitor tidak sama/tdk mirip dengan substrat. Inhibitor terikat secara reversibel pada sisi alosterik. Terbentuk ikatan intermolekuler. Induced fit merubah bentuk enzim. Sisi aktif terdistorsi sehingga tidak dikenali oleh substrat. Konsentrasi substrat yang meningkat tidak dapat menahan inhibisi

Ø Enzim alosterik

Enzim alosterik disebut juga enzim pengatur Enzim dengan sisi alosterik sering muncul pada awal jalur biosintesis biomolekul. Enzim di atur oleh produk akhir dari jalur biosintesis. Produk akhir terikat pada sisi alosterik dan menginaktifkan enzim. Inhibitor dapat memiliki struktur yang mirip dengan produk akhir.

Ø Inhibitor Kompetitif (irreversibel)

Inhibitor memiliki struktur yang mirip dengan substrat. Inhibitor terikat secara ireversibel pada sisi aktif. Terbentuk ikatan kovalen antara inhibitor dan enzim. Substrat di blok dari sisi aktifnya. Konsentrasi substrat yang meningkat, tidak dapat menahan inhibisi.

2.     Regulasi Enzim

Seperti halnya katalisator, enzim dapat mempercepat reaksi kimia dengan menurunkan energi aktivasi. Enzim tersebut akan bergabung sementara dengan reaktan sehingga mencapai keadaan transisi dengan energi aktivasi yang lebih rendah daripada energi aktivasi yang diperlukan untuk mencapai keadaan transisi tanpa bantuan katalisator atau enzim.

    Enzim bekerja dengan regulasi tertentu.

Kinetika reaksi yang cepat, itulah kelebihan dari enzim. Namun kecepatan ini juga harus dikoordinasikan sedemikian rupa agar enzim yang bersangkutan tidak berada di jalan yang salah. Terdapat lima jenis pengaturan enzim yaitu:
Induksi-RepresiMekanisme ini merupakan regulasi yang ditujukan pada pangkalnya, yaitu pada tingkat DNA. Seperti yang sudah ditinjau sebelumnya bahwa enzim merupakan protein yang disintesis berdasarkan kode genetik yang terdapat pada DNA. Regulasi pada DNA ini pada akhirnya akan meregulasi sintesis enzim yang bersangkutan. Apabila sintesis enzim di-represi, maka artinya sedikit kerja. Sebaliknya apabila diinduksi, maka sintesis enzim akan dipercepat sehingga enzim akan banyak tersedia

    Regulasi Alosterik

Regulasi ini dilakukan oleh suatu senyawa kimia lain yang bukan merupakan substrat bagi enzim. Senyawa kimia ini, yang diistilahkan sebagai 'aktivator/inhibitor alosterik' dapat merubah bentukan 3-dimensi enzim sedemikian rupa sehingga enzim tersebut pada akhirnya akan bekerja lebih cepat atau lebih lambat. Perumusan kerja untuk model enzim alosterik dibuat oleh Monod, Wyman, dan Changeux. Model untuk kerja enzim yang seperti itu selanjutnya dikenal sebagai 'cooperativity' atau juga model MWC.

    Fosforilasi Enzim

Disini kita akan melihat enzim mengkatalisis enzim, tepatnya dalam reaksi fosforilasi atau mengikatkan gugus fosfat pada suatu enzim. Sebagian besar enzim di dalam tubuh kita kerjanya sangat terpengaruh dengan apa yang disebut sebagai kesetimbangan substrat-produk. Enzim memang dapat mempercepat reaksi perubahan substrat menjadi produk, namun tidak kuasa untuk mengubah proporsi alamiah dari keberadaan substrat-produk. Inilah kesetimbangan, suatu nilai tetap proporsi campuran substrat dengan produk. Seringkali ketika suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim sudah akan mencapai nilai kesetimbangan reaksinya, maka produk tersebut akan menghambat kerja enzim persis seperti regulasi alosterik. Regulasi seperti ini memang perlu ada, namun pada kondisi-kondisi tertentu hal ini perlu dihindari sehingga tercipta mekanisme seperti ini. Terdapat satu enzim khusus yang tugasnya memfosforilasi enzim regulator tersebut. Ketika enzim regulator tersebut terfosforilasi, maka enzim tersebut tidak akan dapat dihambat secara alosterik lagi. Tentu saja keadaan enzim yang terfosforilasi ini ada jangka waktunya dan juga terdapat enzim yang bertugas untuk mencopot gugus fosfat dari enzim regulator apabila sudah tidak diperlukan lagi.