X. ENZIM

1. STRUKTUR DAN FUNGSI ENZIM

Enzim merupakan unit fungsional pada metabolisme sel. Enzim bekerja tahap demi tahap

secara berurutan, mengkatalisis ratusan reaksi-antara pada metabolisme di dalam sel, di mana

pada proses tersebut molekul nutrisi didegradasi, energi kimia yang dihasilkan ditangkap dan

ditransformasi, dan makromolekul penyusun sel disintesa dari prekursornya yang lebih

sederhana. Di antara enzim-enzim tersebut, terdapat satu golongan khusus yang disebut enzim

regulator atau enzim pengendali (regulatory enzymes), yang peka terhadap berbagai isyarat

metabolik dan mengubah kecepatan katalitiknya sesuai dengan isyarat yang ada. System

enzim bekerja secara terkoordinasi untuk menghasilkan keadaan harmonis antara berbagai

aktivitas metabolisme yang sangat penting untuk memelihara kelangsungan hidup sel. Kita

tidak mungkin, dan tidak akan mencoba mengkatalogkan seluruh enzim yang telah diketahui

keberadaannya, yang jumlahnya melebihi 2000 macam, tetapi kita akan meninjau secara

umum sifat dan ciri-ciri yang dimiliki oleh kebanyakan enzim.

a. Komposisi Enzim

Tinjauan lebih mendalam mengenai komposisi enzim, beberapa diantaranya hanya

mengandung rantai polipeptida, tanpa gugus lain selain residu asam amino, contohnya enzim

pancreas ribonuklease. Namun demikian, beberapa enzim memerlukan komponen kimia lain

dalam melakukan aktivitasnya. Komponen lain tersebut disebut kofaktor. Sebagai kofaktor,

dapat berupa zat anorganik seperti ion-ion logam Fe2+ , Mn2+ , atau Zn2+ (lihat Tabel 3.2).

Beberapa enzim memerlukan koenzim dan ion logam sekaligus. Dalam beberapa enzim,

koenzim dan ion logam ada yang terikat secara lemah dengan molekul enzimnya, tetapi ada

pula yang terikat secara kuat dan permanen bersama molekul enzim, dalam hal ini disebut

gugus prostetik (prostetic group). Susunan lengkap enzim dan koenzim atau ion logam, yang

aktif secara katalitik, disebut holoenzim. Bagian koenzim atau ion logamnya relative stabil

terhadap pemanasan, sedangkan bagian protein yang disebut apoenzim, dapat mengalami

denaturasi oleh pemanasan. Koenzim mempunyai peran sebagai pembawa antara kofaktor

dengan gugus fungsi tertentu sebagaimana dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel : Kofaktor anorganik dengan enzimnya

Kofaktor Enzim

Fe2+ atau Fe3+

Sitokrom oksidase

Katalase

Peroksidase

Cu2+ Sitokrom oksidase

Zn2+

DNA polimerisasi

Karbonik anhidrase

Alkohol dehidrogenase

Mg2+

Heksokinase

Glukosa-6-fosfatase

Piruvat kinase

Mn2+ Arginase

K+ Piruvat kinase

Ni2+ Urease

Mo Nitrat reduktase

Se Glutation peroksidase

Tabel: Koenzim dengan gugus fungsi yang ditanganinya

Koenzim Gugus yang ditransfer

Tiamin pirofosfat Aldehid

Flavin adenine dinukleotida (FAD) atom Hidrogen

Nikotinamid adenine dinukleotida

(NAD) ion hidrida (H+)

Koenzim A gugus asli

Pirodoksal fosfat gugus amino

5-deoksiadenosilkobalamin (B12) atom H dan gugus alkil

Biotin CO2

Tetrahidrofolat gugus dengan satu atom C

b. Interaksi Enzim-Substrat

Pada proses katalisis, diperlukan interaksi antara katalis dengan substrat, demikian pula proses

yang terjadi dengan enzim. Ada dua model hipotetis yang diajukan mengenai bagaimana

enzim berikatan dengan substrat saat melakukan katalisis, yaitu model “lock-and-key” dan

model “induced-fit”.

Model “lock-and-key” (Gambar) yang menggambarkan bahwa enzim dan substrat, seperti

kunci gembok dan anaknya, hanya anak kunci yang cocok yang bisa masuk ke dalam gembok,

demikian pula halnya hanya substrat yang sesuai yang dapat dikatalisis oleh enzim tertentu

dalam reksinya. Model ini mengisyaratkan bahwa struktur enzim bersifat kaku sehingga hanya

substrat dengan struktur tertentu yang dapat masuk ke dalam enzim sesuai dengan struktur

enzim tersebut.

Model kedua, dikenal dengan nama model “induced-fit”, menggambarkan bahwa enzim akan

mengalami sedikit perubahan struktur konformasi jika berikatan dengan substrat. Model ini

beranggapan bahwa struktur enzim tidak kaku, tetapi memiliki bagian berupa ruang yang

mudah mengalami konformasi jika substrat masuk ke dalamnya.

Interaksi enzim dan substrat sebagaimana telah diuraikan di atas, membawa pada kesimpulan

bahwa enzim bergabung dengan substratnya membentuk kompleks enzim substrat merupakan

tahap yang penting, yang dilalui oleh semua reaksi katalisis enzimatik. Gagasan ini membawa

Michaelis dan Menten (1933) pada teori umum mengenai aksi enzim, yang menyusun postulat

bahwa enzim berikatan dengan substrat sebagai tahap pertama reaksi, membentuk kompleks

enzim-substrat (ES), sebagai reaksi dapat balik

E + S ES

Selanjutnya, kompleks ES tersebut terurai menghasilkan produk dan enzim diperoleh kembali

:

ES P + E

Selama reaksi berlangsung, enzim terdapat dalam dua bentuk, bentuk bebas E dan bentuk

terikat sebagai kompleks ES. Karena reaksi pembentukan P merupakan tahap penentu, maka

kecepatan reaksi enzim ditentukan oleh konsentrasi kompleks ES.

2. PENAMAAN DAN KLASIFIKASI ENZIM

Tata nama enzim diatur menurut “ Comission on Enzymes of the International Union of

Biochemistry “. Enzim tunggal biasanya menggunakan akhiran –ase, misalnya suksinat

dehidrogenase. Untuk penamaan suatu kompleks yang terdiri dari beberapa enzim berdasarkan

reaksi keseluruhan yang dikatalisis oleh enzim digunakan kata sistem, misalnya sistem suksinat

oksidase, yang mengkatalisis oksidasi asam suksinat oleh oksigen dalam beberapa langkah dan

beberapa individu enzim. Klasifikasi enzim berlaku hanya bagi enzim-enzim tunggal dan bukan

sistem enzim.

Tabel: kelas-kelas utama enzim

No Kelas Kelas Reaksi Katalitik

1 Oksidoreduktase Reaksi transfer electron (pemindahan electron atau

atom hydrogen)

2 Transferase Transfer gugusan fungsional (gugsan fungsional

mencakup fosfat, amino, metal, dsb)

3 Hidrolase Reaksi hidrolisis (penambahan molekul air untuk

memecahkan ikatan kimiawi)

4 Liase Penambahan ikatan ganda pada molekul dan juga

pengusiran non-hidrolitik gugusan-gugusan kimiawi

5 Isomerase Reaksi isomerisasi (pengubhan suatu senyawa menjadi

isomer, misalnya suatu senyawa yang memiliki atom-

atom yang sama tetapi berbeda struktur molekulnya)

6 Ligase

Pembentukan ikatan disertai pemecahan ATP

(adenosine trifosfat)

Setiap enzim mempunyai nama dan kode klasifikasinya sebanyak 4 digit, yang menggambarkan

reaksi yang dikatalisisnya. Sebagai contoh, ATP : glukosa fosfotransferase menunjukan reaksi

transfer gugus fosfat dari ATP kepada glukosa.

Merupakan kelas kedua dalam klasifikasi enzim pada tabel, sedangkan nomor klasifikasinya

adalah 2.7.1.1; angka-angka tersebut merupakan kode sebagai berikut

Digit ke 1 : kelas (transferase)

Digit ke 2 : sub kelas (fosfotransferase)

Digit ke 3 : sub sub-kelas (fosfotransferase dengan gugus hidroksil sebagai penerima)

Digit ke 4 : senyawa merupakan substratnya berdasarkan sub-sub kelas. (D-glukosa

sebagai senyawa penerima gugus fosfat yang ditransfer).

Pada umumnya nama sistematik suatu enzim relatif panjag, sehingga dikenal juga nama trivial

dari enzim tersebut. Untuk ATP’; glukosa fosfotransferase di atas, nama trivialnya adalah

heksokinase, hekso untuk glukosa (6 atom C) dan kinase untuk reaksi yang menggunakan ATP

sebagai sumber gugus fosfat.

3. SIFAT DAN MEKANISME PENGIKATAN ENZIM

a. Sifat Enzim

1) Merupakan protein

2) Merupakan biokatalisator.

3) Mempercepat reaksi kimia dengan jalan menurunkan energy aktivasi yaitu energy

awal yang diperlukan untuk memulai reaksi kimia.

4) Enzim bekerja spesifik artinya untuk mengubah atau mereaksikan suatu zat tertentu

memerlukan zat tertentu pula.

5) Bekerja sangat cepat

6) Tidak ikut bereaksi (tidak mengalami perubahan).

7) Tidak mengubah keseimbangan reaksi

8) Memliki sifat aktif atau sisi katalitik yaitu bagian enzim tempat substrat

berkombinasi.

9) Substrat asing yang berfungsi menghambat reaksi disebut inhibitor dan yang

berfungsi mempercepat reaksi disebut activator.

b. Mekanisme Katalisis 2 Macam Substrat

Di dalam reaksi metabolisme, pada umumnya reaksi katalisis enzim bukan terhadap satu macam

substrat sebagaimana telah diuraikan, melaikan terdapat dua macam substrat yang terlibat,

seperti yang terjadi pada heksokinase yang mengkatalisis reaksi glukosa dengan ATP

menghasilkan ADP dan glukosa-6-fosfat. Pada reaksi tersebut, sebagai substrat adalah ATP dan

Glukosa.

ATP + Glukosa → ADP + Glukosa-6-fosfat

Mekanisme Enzim dalam mengikat Dua Macam Substrat

Ada dua macam mekanisme pembentukan komplek enzim-substrat pada reaksi katalisis dengan

dua macam substrat. Yang pertama, bahwa salah satu dari substrat mula-mula akan berikatan,

kemudian terjadi pemindahan gugus fungsi dari substrat kepada molekul enzim dan setelah

substrat pertama terlepas dari molekul enzim, substrat kedua menyusul berikatan dengan enzim

untuk menerima gugus fungsi yang sementara diikat oleh enzim; mekanisme demikian di sebut

reaksi ping-pong atau double-displacement. Model kedua, adalah dengan cara kedua substrat

sekaligus berikatan dengan enzim, melalui suatu mekanisme, baik secara urutan tertentu atau

secara random, membentuk komplek EAB, dimana A dan B adalah substratnya, dan

menghasilkan produk C dan D. kedua mekanisme dapat diilustrasikan seperti skema pada

gambar.

4. KONDISI YANG MEMPENGARUHI AKTIVITAS ENZIM

Beberapa faktor/kondisi yang mempengaruhi aktivitas enzim, yaitu :

a. Konsentrasi enzim dan substrat

b. pH

c. Suhu

d. Inhibitor enzim

a. Konsentrasi Enzim dan Substrat

Jika pH dan suhu suatu sistem enzim dalam keadaan konstan serta jumlah

substrat berlebihan, laju reaksi adalah sebanding dengan enzim yang ada. Jika pH, suhu,

dan konsentrasi enzim dalam keadaan konstan, reaksi awal hingga batas tertentu

sebanding dengan substrat yang ada. Jika sistem enzim memerlukan suatu koenzim atau

ion kofaktor, konsentrasi subsrat dapat menentukan laju keseluruhan sistem enzim.

b. pH atau keasaman

Seluruh enzim peka terhadap perubahan derajat keasaman (pH). Enzim menjadi

nonaktif bila diperlakukan pada asam basa yang sangat kuat. Sebagian besar enzim

dapat bekerja paling efektif pada kisaran pH lingkungan yang agak sempit. Diluar

pH optimum tersebut, kenaikan atau penurunan pH menyebabkan penurunan

aktivitas enzim dengan cepat. Misalnya, enzim pencerna dilambung mempunyai pH

optimum 2 sehingga hanya dapat bekerja pada kondisi sangat asam. Sebaliknya,

enzim pencerna protein yang dihasilkan pankreas mempunyai pH Optimum 8,5.

Kebanyakan enzim intrasel mempunyai pH optimum sekitar 7,0 (Netral).

c. Suhu

Akibat kenaikan suhu dalam batas tidak wajar, terjadi perubahan struktur

enzim (denaturasi). Enzim yang terdenaturasi akan kehilangan kemampuan

katalisnya. Sebagian besar enzim mengalami denaturasi yang tidak dapat balik

pada suhu 55-65 Derajat C. Enzim yang secara fisik telah rusak biasanya tidak

dapat diperbaiki lagi. Hal tersebut merupakan salah satu alasan bahwa enzim lebih

aman dimakan pada makanan yang sudah dimasak. Khususnya daging dan telur

daripada makanan mentah.

d. Inhibitor Enzim

Enzim dapat dihambat sementara atau tetap oleh inhibitor berupa zat kimia tertentu.

Zat kimia tersebut merupakan senyawa selain substrat yang biasa terikat pada sisi

aktif enzim (substrat normal) sehingga antara substrat dan inhibitor terjadi

persaingan untuk mendapatkan sisi aktif . Persaingan tersebut terjadi karena

inhibitor biasanya mempunyai kemiripan kimiawi dengan substrat normal. Pada

konsentrasi Substrat yang rendah akan terlihat dampak inhibitor terhadap laju reaksi,

kondisi tersebut berbalik bila konsentrasi substrat naik.

Gambar berikut memperlihatkan profil hambatan oleh inhibitor non kompetitif

seperti halnya dengan inhibitor kompetitif, penambahan inhibitor non kompetitif

akan menghasilkan grafik yang mendekati sumbu Y, tetapi dalam hal ini inhibitor

non kompetitif tidak mengubah harga KM, tetapi mengubah harga Vmaks. Dengan

demikian, penambahan konsentrasi substrat sangat besar tidak dapat menghilangkan

pengaruh inhibitor.

I/V Dengan inhibitor

Tanpa inhibitor

1/V

-1/KM 1/[S]

Gambar: Profil hambatan non kompetitif

5. PENGHAMBATAN KERJA ENZIM

Aktivitas suatu enzim dapat dihentikan oleh zat-zat kimia melalui beberapa cara. Zat-zat kimia

dapat menghambat laju enzim dengan tidak menyebabkan denaturasi (penghancuran) bagian

proteinnya. Informasi mengenai bagaimana zat-zat tersebut bekerja, dapat memperoleh suatu

bahan kimia baru yang mungkin berguna untuk menghambat mikroorganisme.

Hambatan enzim ada dua tipe yaitu tipe nonreversible (tidak dapat balik) dan reversible (dapat

balik). Hambatan nonreversible menyangkut modifikasi atau menjadi tidak aktifnya satu atau

lebih gugusan fungsional enzim tersebut. Ada 2 tipe utama hambatan reversible yaitu kompetitif

dan nonkompetitif. Hambatan kompetitif dapat balik dengan cara menambah konsentrasi

substrat, sedangkan nonkompetitif tidak dapat balik.

Penghambat kerja enzim

o Inhibitor kompetitif

Molekul penghambat yang strukturnya mirip substrat, sehingga molekul tersebut berkompetisi

dengan substrat untuk bergabung pada sisi aktif

enzim. Contoh : sianida bersaing dengan oksigen untuk mendapatkan Hemoglobin pada rantai

akhir respirasi. Inhibitor kompetititf dapat diatasi

dengan penambahan konsentrasi substrat.

o Inhibitor nonkompetitif

Molekul penghambat yang bekerja dengan cara

melekatkan diri pada bagian bukan sisi aktif enzim. Inhibitor ini menyebabkan sisi aktif berubah sehingga tidak dapat berikatan

dengan substrat. Inhibitor nonkompetitif tidak dapat dipengaruhi oleh konsentrasi

substrat.

6. KLASIFIKASI DAN MEKANISME PENGENDALIAN ENZIM

a. Klasifikasi Enzim

Enzim dibagi menjadi 2 kelompok :

1) Enzim-enzim konsitutif : dihasilkan oleh sel-sel yang tidak tergantung

pada konsentrasi substratnya di dalam medium,

enzim ini selalu dijumpai dalam jumlah kurang

lebih sama.

Contohnya ialah enzim pada proses

glikolisis atau penguraian gula.

2) Enzim-enzim adaptif (terinduksi) : enzim-enzim ini dihasilkan oleh sel sebagai

tanggapan terhadap adanya substrat tertentu,

mereka dihasilkan apabila dibutuhkan. Proses

ini disebut induksi enzim, dan substrat yang

menyebabkan pembentukannya enzim tersebut

disebut induser.

Contoh enzim indusibel ialah galaktosidase;

indusernya gula laktosa.

b. Mekanisme pengendalian Enzim

Mekanisme pengaturan selular penting artinya pada bakteri karena tidak terdapat pengendalian

melalui saraf dan hormonal, seperti yang dijumpai didalam sel-sel jaringan organisme tingkat

yang lebih tinggi.

Aktivitas enzim diatur melalui 2 cara :

1) pengendalian katalis secara langsung

2) pengendalian genetik

Pengendalian enzim secara langsung, berupa pengendalian melalui penggandengan mekanisme

katalitik dengan proses-proses lain. Pengendalian genetik, mencangkup fenomena induksi dan

respirasi enzim.

1) Pengendalian langsung mekanisme katalitik

a) Pengendalian langsung mekanisme katalitik terjadi dengan mengubah konsentrasi

substrat atau reaktannya. Misalnya, bila konsentrasi substrat bertambah, maka laju reaksi

meningkat sampai tercapai suatu nilai pembatas. Bila produk menumpuk, laju reaksi

menurun. Selain itu, konsentrasi koenzim dan kofaktor dapat memberikan pengaruh

pengendalian didalam sel.

b) Tipe pengendalian dapat juga disebabkan oleh tidak adanya kontak langsung, karena

enzim dapat terikat pada berbagai struktur internal, misalnya pada membran dan

makromolekul, ataupun terpisah dengan substratnya.

c) Pada beberapa mikroba, enzim proteolitik(perombak protein) amat spesifik menguraikan

enzim-enzim lain yang tidak lagi dibutuhkan untuk reaksi-reaksi metabolik.

c. Sistem multi enzim

Enzim yang bekerja berdasarkan isyarat molekuler sebagaimana telah dikemukakan disebut

enzim pengendali atau pengatur (regulatory enzim). Ada dua kelas enzim pengatur seperti itu,

yaitu enzim alosterik yang bekerja secara nonkovalen, dan enzim pengendali yang bekerja

melalui pembentukan ikatan kovalen dengan suatu senyawa.

1) Enzim alosterik

Kata alosterik berasal dari bahasa latin ‘allo’ berarti lainnya, dan ‘stereos’ artinya ruang,

sehingga alosterik berarti mempunyai sisi lain, dengan kata lain mempunyai sisi lain selain sisi

aktif untuk digunakan mengikat inhibitor.

Enzim alosterik mempunyai beberapa perbedaan dari enzim umumnya.

Pertama, memiliki sisi regulatori selain mempunyai sisi aktif yang digunakan untuk

mengikat molekul regulator atau disebut modulator.

Kedua, umumnya merupakan molekul besar, dan dapat terdiri lebih dari satu unit

rantai polipeptida.

Ketiga, memiliki sifat agak menyimpang dari profil enzim sebagaimana

dikemukakan oleh Michaelis-Menten.

Penyimpangan enzim regulatori dari profil Michaelis-Menten ditunjukkan dengan

bentuk grafik hubungan kecepatan dengan konsentrasi yang sigmoidal (bukan

hiperbola).

2) Enzim pengendali

Kelas kedua dari enzim regulatori adalah kelompok enzim yang memiliki dua macam bentuk,

melalui pembentukan ikatan kovalen dengan suatu senyawa. Oleh karena itu, kelompok enzim

ini terdapat dalam dua bentuk, yaitu bentuk aktif dan bentuk kurang aktif sebagai contoh adalah

enzim glikogen fosforilase, yang mengubah glukosa menjadi glikogen.

Fosforilase (a) merupakan bentuk aktif dan fosforilase (b) merupakan bentuk

kurang aktif.

Fosforilase (b) dapat diaktifkan kembali dengan mentransfer gugus fosfat dari ATP

menggunakan enzim lain. Dengan demikian, ikatan kovalen gugus fosfat dengan

enzim mengendalikan kerja enzim melalui pembentukan bentuk aktif dan kurang

aktif.