CAMPBELL-REECE : Faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim

Aktivitas kerja enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor yang berasal dari luar enzim itu sendiri, beberapa faktor tersebut adalah suhu, tingkat keasamaan lingkungan (pH) dan zat kimia yang lain.

Suhu dan pH

Enzim memiliki struktur protein berdimensi tiga yang sensitif dengan kondisi lingkungan, sehingga enzim akan bekerja lebih baik di kondisi tertentu. Kondisi optimal ini mendukung bentuk paling aktif dari molekul enzim tersebut.

Suhu dan pH merupakan faktor lingkungan yang penting dalam aktivitas enzimatis. Pada suatu titik laju enzimatis akan berlangsung meningkat seiring dengan peningkatan suhu, hal ini dikarenakan substrat akan lebih sering bertumbukan dengan situs aktif ketika molekul-molekul bergerak cepat. Seperti yang sudah kita ketahui energi kalor yang masuk ke dalam molekul akan membuat molekul bergerak lebih cepat dan saling bertumbukan.

Namun jika kenaikan suhu terjadi lebih tinggi lagi laju reaksi enzimatis akan menurun drastis, hal ini dikarenakan agitasi panas akan mengganggu ikatan hidrogen, ikatan ionik, dan interaksi lemah lain yang menstabilkan bentuk aktif enzim. Hal ini akan mengakibatkan molekul protein enzim akan ter-denaturasi.

Suhu dimana aktivitas enzimatis dapat berlangsung maksimum dinamakan suhu optimal. Pada suhu optimal molekul protein pada enzim tidak akan terdenaturasi dan menghasilkan tumbukan molekul lebih banyak serta pengubahan reaktan menjadi produk lebih cepat. Suhu optimal enzim pada manusia berkisar 35-40 C (sekitar suhu tubuh), sedangkan bakteri termofilik yang hidup di air panas memiliki suhu optimal enzim 70 C.

 

Selain suhu reaksi enzimatis juga dipengaruhi tingkat keasaman (pH). Tingkat keasaman optimal enzim berkisar pada pH 6-8, namun terdapat beberapa pengecualian seperti enzim pepsin yang berada pada lambung akan bekerja lebih baik pada lingkungan yang sangat asam (pH 2). Lingkungan dengan pH rendah akan mendenaturasi sebagian besar enzim, tapi tidak dengan enzim pepsin. Hal ini dikarenakan enzim pepsin telah teradaptasi dengan kondisi asam pada lambung. Pada usus terdapat enzim tripsin yang bekerja optimal pada lingkungan basa dengan pH 8.

Kofaktor

Dalam menjalankan reaksi enzimatis, banyak enzim yang memerlukan penolong untuk melakukan aktivitas katalitik, zat tambahan yang diperlukan enzim ini dinamakan kofaktor. Kofaktor dapat berikatan dengan enzim sebagai tambahan permanen atau berikatan longgar sehingga dapat kembali bersama substrat.

Kofaktor bisanya merupakan molekul anorganik seperti atom seng, besi, dan tembaga yang berbentuk ion. Sedangkan jika kofaktor merupakan molekul organik biasa disebut dengan koenzim (coenzyme). Sebagian vitamin yang masuk ketubuh manusia akan menjadi koenzim atau bahan pembuat koenzim.

Kofaktor bekerja dalam berbagai macam cara, namun pada semua peristiwa penggunaan kofaktor, molekul-molekul tersebut melaksanakan fungsi yang krusial dalam proses katalitik.

Inhibitor Enzim

Zat kimia tertentu biasanya menjadi penghambat (inhibitor) pada enzim tertentu. Jika zat penghambat melekat pada enzim dengan ikatan kovalen makapenghambatan (inhibisi) yang terjadi bersifat tidak dapat balik. Namun banyak penghambat yang berikatan dengan enzim dengan ikatan lemah, sehingga penghambatan bersifat dapat balik. Beberapa penghambat dapat balik menyerupai molekul subtrat normal dan berkompetisi dengan substrat untuk memasuki situs aktif enzim.

Inhibitor yang menyerupai substrat dinamakan inhibitor kompetitif (competitive inhibitor). Inhibitor kompetitif menurunkan produktivitas enzim dengan cara menghalangi substrat memasuki situs aktif. Jenis penghambatan seperti ini dapat diatasi dengan meningkatkan jumlah substrat, sehingga jika situs aktif kosong maka akan lebih banyak molekul substrat yang memasuki situs aktif daripada molekul inhibitor.

Selain inhibitor kompetitif terdapat juga inhibitor nonkompetitif (noncompetitive inhibitor). Inhibitor jenis ini mengganggu kerja enzim dengan berikatan dengan bagian lain dari enzim, sehingga menyebabkan molekul enzim berubah bentuk sedemikian rupa sehingga situs aktif menjadi kurang efektif dalam mengkatalis perubahan substrat menjadi produk.

Racun seringkali merupakan inhibitor enzim yang bersifat tidak dapat balik, seperti sarin (gas saraf) dimana molekul zat ini berikatan secara kovalen dengan gugus R asam amino. Serin  ditemukan dalam situs aktif enzim asetilkolinesterase, sejenis enzim yang penting dalam sistem saraf.

Selain serin terdapat juga DDT dan paration yang menjadi inhibitor bagi enzim-enzim kunci di sistem saraf. Selain itu banyak juga antibiotik menjadi inhibitor bagi enzim-enzim spesifik pada bakteri, misalnya penisilin menghalangi situs aktif enzim yang digunakan banyak bakteri untuk membuat dinding selnya.

Molekul-molekul alami yang terdapat dalam sel seringkali bertindak sebagai inhibitor dalam meregulasi aktivitas enzim, hal semacam ini bersifat esensial bagi pengontrolan metabolisme seluler.

CAMPBELL-REECE : Katalis di situs aktif enzim

Pada sebagian besar reaksi enzimatik substrat ditahan di situs aktif enzim dengan suatu interaksi lemah, misalnya ikatan hidrogen atau ikatan ionik. Gugus R pada sejumlah kecil asam amino yang menyusun situs aktif pada enzim mengkatalis perubahan substrat menjadi produk dan setelah itu produk meninggalkan situs aktif. Enzim tersebut kemudian bebas untuk mengambil substrat yang lain untuk diubah menjadi produk.

Keseluruah siklus katalisis pada enzim berlangsung sangat cepat, sehingga satu molekul enzim umumnya dapat mengubah seribu molekul substrat per detik, bahkan pada beberapa enzim lebih dari itu. Dan seperti pada katalis lain pada akhir reaksi enzim tetap berada pada bentuk semula. Oleh karena itu jumlah enzim yang sedikit mampu memberikan dampak metabolik yang sangat besar, dengan cara berfungsi berulang-ulang dalam siklus katalitik.

Sebagian besar reaksi metabolik bersifat dapat balik, dan suatu enzim dapat mengkatalis reaksi maju maupun reaksi mundur bergantung pada arah mana yang memiliki $$∆G negatif.  Nilai ∆G sendiri bergantung pada konsentrasi relatif antara reaktan dan produk, efek netto selalu mengarah pada kesetimbangan.

Enzim menggunakan beberapa mekanisme dalam menurunkan energi aktivasi dan mempercepat reaksi, antara lain :

1. Dalam reaksi yang melibatkan dua atau lebih reaktan, situs aktif menyediakan cetakan tempat substrat-substrat dapat berkumpul dalam orientasi yang sesuai agar terjadi reaksi di antara reaktan tersebut.
2. Ketika situs aktif mencengkeram substrat yang terikat, enzim mungkin merentangkan molekul subtrat untuk menuju bentuk transisinya, menekan dan membengkokkan ikatan kimia kritis yang harus diputus saat reaksi. Karena energi aktivasi berbanding lurus dengan kesulitan untuk memutus ikatan kimia, maka hal yang dilakukan situs aktif dalam membuat substrat mendekati kondisi transisinya akan mengurangi jumlah energi bebas yang harus diserap untuk mencapai kondisi tersebut.
3. Situs aktif mungkin menyediakan lingkungan mikro yang kondusif bagi satu tipe reaksi daripada lingkungan tempat reaksi itu terjadi dengan tanpa enzim. Jika situs aktif memiliki asam amino dengan gugus R yang bersifat asam, situs aktif mungkin menjadi kantung yang ber-Ph rendah dalam sel yang ber-Ph netral.
4. Partisipasi langsung situs aktif dalam reaksi kimia, terkadang proses ini bahkan melibatkan pembentukan ikatan kovalen sementara antara substrat dan gugus R asam amino pada enzim.

Laju pengubahan substrat menjadi produk oleh sejumlah enzim tertentu merupakan fungsi dari konsentrasi awal substrat. Semakin banyak molekul substrat yang tersedia, maka makin sering molekul substrat memasuki situs aktif enzim. Namun ada batasan seberapa cepat reaksi dapat didorong dengan memperbanyak substrat. Pada kondisi tertentu konsentrasi substrat cukup tinggi dan semua situs aktif pada enzim terisi oleh substrat, setelah produk dihasilkan dan keluar dari situs aktif maka segera substrat lain memasuki situs aktif. Pada kondisi ini enzim dikatakan jenuh.

Saat kondisi enzim jenuh maka satu-satunya cara untuk mempercepat reaksi pembentukan produk adalah dengan menambahkan enzim baru. Terkadang sel meningkatkan laju reaksi dengan cara menghasilkan lebih banyak molekul enzim.

CAMPBELL-REECE : Kespesifikan Enzim Terhadap Substrat

ENZIM DAN SUBTRAT

Reaktan yang dikerjakan enzim dinamakan subtrat (substrate) enzim, enzim akan berikatan dengan substrat (bisa satu substrat atau lebih) dan membentuk kompleks enzim-substrat (enzym-substrate complex). Ketika enzim dan substrat bergabung maka kerja katalitik enzim akan mengubah substrat menjadi produk. Secara sederhana keseluruhan proses kimia dengan katalis enzim dapat digambarkan sebagai berikut :

enzim + substrat $\to$ kompleks enzim-substrat → enzim + produk

Misal pada enzim sukrase (nama enzim biasanya diakhiri -ase) mengkatalisis hidrolisis disakarida sukrosa menjadi dua monosakarida penyusunnya yaitu glukosa dan fruktosa. Proses rekasinya dapat digambarkan sebagai berikut :

sukrase + sukrosa + H2O → komplek sukrase-sukrosa-H2O → sukrase + glukosa + fruktosa

Reaksi yang dikatalis enzim bersifat spesifik dan enzim dapat mengenali substrat spesifiknya bahkan di antara senyawa-senyawa yang berikatan dekat dengannya. Contohnya sukrase hanya akan berikatan dengan sukrosa dan tidak akan berikatan dengan disakarida yang lain seperti maltosa. 

Yang menyebabkan enzim dapat mengenali molekul substrat spesifiknya adalah enzim merupakan protein, dan protein adalah makromolekul yang konfigurasinya berdimensi tiga yang unik, Kespesifikan enzim diakibatkan oleh bentuknya yang merupakan konsekuensi dari sekuens (urutan) asam aminonya.

Hanya ada satu wilayah terbatas dari molekul enzim yang akan berikatan dengan substrat, wilayah ini dinamakan situs aktif (active site) biasanya berupa kantung atau lekukan di permukaan protein tersebut tempat katalisis terjadi. Biasanya situs aktif hanya dibentuk sejumlah kecil asam amino pada enzim tersebut, dan bagian lain molekul protein menjadi rangka yang menentukan konfigurasi situs aktif.

Kespesifikan enzim dikarenakan kecocokan bentuk situs aktif dan bentuk substrat, namun situs aktif bukanlah penerima yang kaku untuk substrat ketika substrat memasuki situs aktif, interaksi antara gugus kimia substrat dan gugus R (rantai samping) asam amino yang membentuk situs aktif menyebabkan enzim berubah bentuk sedikit, sehingga situs aktif bertambah cocok dengan substrat.

kecocokan antara situs aktif dan substrat dinamakan kecocokan terinduksi (induced fit) seperti saat berjabat tangan. Kecocokan terinduksi memosisikan gugus kimia situs aktif sedemikian rupa sehingga kemampuannya untuk mengkatalis reaksi kimia meningkat.

CAMPBELL-REECE : Cara Enzim Menurunkan Penghalang Energi Aktivasi

Enzim Menurunkan Penghalang Energi Aktivasi

Protein, DNA, dan molekul lainnya pada sel kaya akan energi bebas dan memiliki potensial untuk terurai secara spontan, artinya hukum Termodinamika mendukung penguraian molekul-molekul tersebut. Sedikit molekul yang dapat melampaui penghalang energi aktivasi, namun penghalang untuk reaksi-reaksi tersebut terkadang harus terlampaui agar sel dapat melakukan proses-proses yang dibutuhkan dalam kehidupan.

Panas dapat mempercepat reaksi dengan menjadikan reaktan lebih sering mencapai kondisi transisi, namun hal ini tidak memadai untuk sistem biologis karena :

1. Panas akan mendenaturasi protein dan membunuh sel.
2. Panas akan mempercepat reaksi, tidak hanya reaksi yang dibutuhkan, namun semua reaksi yang terjadi pada sel.

Sehingga sel memerlukan alternatif agar reaksi-reaksi tertentu saja yang dapat berlangsung. Sel menggunakan Katalis dalam rekasi kimia yang terjadi di dalamnya. Katalis tersebut adalah enzim.

Enzim mengkatalisis reaksi dengan cara menurunkan penghalang energi aktivasi, sehingga memungkinkan reaktan menyerap cukup energi untuk mencapai kondisi transisi bahkan pada suhu sedang. Enzim tidak dapat mengubah $\Delta G$ untuk suatu reaksi, enzim tidak dapat merubah reaksi endergonik menjadi eksergonik. Enzim hanya mempercepat suatu reaksi yang sebenarnya tanpa enzim reaksi tersebut dapat berlangsung, namun memerlukan waktu yang lebih lama.

Dengan adanya enzim metabolisme sel dapat berlangsung dinamis, mengarahkan zat kimia dengan tepat pada jalur metabolik, dan karena enzim bersifat spesifik bagi reaksi yang dikatalisnya, enzim akan menentukan proses kimia mana yang akan berlangsung pada waktu tertentu.

CAMPBELL-REECE : Peranan Enzim Dalam Reaksi Metabolik | Energi Aktivasi

Enzim mempercepat reaksi metabolik dengan menurunkan penghalang reaksi

Hukum Termodinamika memberitahu kita tentang apa yang akan terjadi dan tidak akan terjadi dalam kondisi-kondisi tertentu, namun tidak tentang laju proses suatu reaksi. Reaksi Spontan berlangsung tanpa memerlukan energi dari luar, namun mungkin reaksi ini akan berlangsung sedemikian lambat hingga dapat teramati. Misalnya reaksi hidrolisis sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa bersifat eksergonik dengan melepaskan energi sebesar -7 kkal/mol. Reaksi hidrolisis sukrosa dengan melarutkan sukrosa dalam air steril tidak akan menunjukkan tanda-tanda hidrolisis yang jelas selama bertahun-tahun, namun dengan menambahkan enzim sukrase maka reaksi hidrolisis tersebut dapat berlangsung dalam hitungan detik.

Enzim adalah makromolekul yang bekerja sebagai katalis dalam suatu reaksi kimia, enzim dapat mempercepat laju suatu reaksi namun tidak ikut dalam reaksi tersebut. 

Penghalang energi aktivasi

Dalam setiap reaksi kimia terjadi pemutusan dan pembentukan ikatan kimia. Misalnya dalam hidrolisis sukrosa, reaksi terjadi dengan melakukan pemutusan ikatan antara glukosa dan fruktosa serta pemutusan salah satu ikatan dalam molekul air. Mengubah suatu molekul menjadi molekul lain diawali dengan pemutusan molekul awal menjadi molekul yang tidak stabil sebelum reaksi dapat berlanjut. 

Molekul awal akan mengalami pemuntiran (dianalogikan penekukan gantungan kunci agar dapat memasukkan anak kunci baru) dan pada keadaan ini molekul akan menyerap energi dari lingkungan. Ketika molekul baru terbentuk maka energi akan dilepaskan dalam bentuk panas dan molekul kembali lagi pada keadaan stabil dengan energi yang lebih rendah daripada energi saat molekul terpuntir.

Energi yang dibutuhkan untuk memuntir molekul reaktan agar ikatan kimianya dapat terputus dikenal dengan istilah energi bebas aktivasi atau energi aktivasi (activitation energy) yang disimbolkan dengan . Energi aktivasi dapat digambarkan sebagai energi yang mendotong reaktan melewati suatu penghalang atau menaiki bukit energi, sehingga reaksi yang 'menuruni bukit' dapat dimulai.

Pemberian energi aktivasi direpresentasikan dengan bagian yang menaiki bukit pada gambar di atas, saat kandungan energi bebas molekul meningkat di puncak maka reaktan berada dalam kondisi tidak stabil yang dikenal sebagai kondisi transisi (transition state). Reaktan diaktivasi dan ikatan-ikatan kimianya dapat diputus. Pada fase berikutnya adalah pembentukan ikatan-ikatan kimia yang baru yang digambarkan dengan menuruni bukit dan keadaan ini melepaskan energi ke lingkungan.

Energi aktivasi seringkali disuplai dalam bentuk panas yang diserap molekul reaktan dari lingkungan. Ikatan kimia pada reaktan dapat putus hanya jika energi yang diserap cukup untuk menjadikannya tidak stabil dan memasuki kondisi transisi. Penyerapan energi panas meningkatkan kecepatan molekul-molekul reaktan untuk lebih sering dan lebih kuat bertumbukan sehingga menjadikan ikatan kimianya mudah putus.

Ketika atom sudah mulai tenang di dalam susunan ikatan kimia baru yang lebih stabil, maka energi akan dilepaskan ke lingkungan. Jika reaksi bersifat eksergonik maka akan melepaskan energi lebih banyak daripada yang digunakan untuk pemutusan ikatan kimi pada reaktan di awal reaksi kimia.

Reaksi yang ditunjukkan pada gambar bersifat eksergonik dan berlangsung secara spontan, namun energi aktivasi menghadirkan penghalang yang menentukan laju reaksi. Reaktan harus menyerap cukup energi aktivasi untuk mencapai puncak penghalang sebelum reaksi dapat terjadi.

Pada beberapa reaksi energi aktivasi cukup rendah, bahkan pada suhu ruang. Reaktan dapat dengan mudah mendapat energi untuk mencapai kondisi transisi dalam waktu singkat. Akan tetapi pada sebagian kasus nilai energi aktivasi cukup tinggi sehingga kondisi transisi jarang tercapai, sehingga reaksi nyaris tidak dapat berlangsung sama sekali.

Dalam beberapa kasus reaksi akan berlangsung sangat cepat jika reaktan dipanaskan, misalnya reaksi bensin dan oksigen bersifat eksergonik dan berlangsung secara spontan, namun energi dibutuhkan agar molekul-molekul tersebut dapat mencapai kondisi transisi dan bereaksi. Pelepasan energi secara eksplosif yang mendorong piston hanya terjadi ketika busi menimbulkan percikan api pada campuran oksigen dan bensin dalam ruang mesin. Tanpa api campuran hidrokarbon dalam bensin dan oksigen tidak dapat bereaksi karena memiliki nilai penghalang yang tinggi atau membutuhkan energi aktivasi yang besar.

CAMPBELL-REECE : Siklus ATP | Regenerasi ATP

Dalam melakukan kerja, organisme mendapatkan tenaga atau energi dari ATP. ATP merupakan sumber daya yang terbarukan, yang dapat dibentuk kembali (diregenerasi) melalui penambahan fosfat ke ADP. Energi bebas yang digunakan untuk memfosforilisasi ADP berasal dari reaksi-reaksi eksergonik (katabolisme) dalam sel. 

Siklus ATP menggandengkan reaksi eksergonik dan reaksi endergonik, dan siklus ATP bergerak dengan kecepatan yang menakjubkan. Misalnya sel otot yang sedang bekerja akan memutar keseluruhan siklus ATP-nya dalam waktu kurang dari semenit. Hal itu menunjukkan bahwa 10 juta Molekul ATP dikonsumsi dan diregenerasi per detik dalam setiap sel. Jika ATP tidak dapat diregenerasi maka manusia akan menghabiskan ATP hampir sebanyak berat tubuhnya setiap hari.

$$

ADP + P → ATP + H2O

Penggunaan dan pembentukan ATP merupakan rekasi yang bolak balik, namun rekasi pembentukan ATP bukanlah reaksi yang bersifat menuruni  bukit, sehingga reaksi pembentukan ATP bersifat endergonik atau memerlukan energi dari luar. 

Karena pembentukan ATP dari ADP dan P bersifat tidak spontan maka energi bebas harus digunakan agar proses ini dapat berlangsung. Jalur katabolik terutama respirasi sel menyediakan energi untuk reaksi enedergonik dalam pembentukan ATP. Tumbuhan menggunakan energi cahaya untuk menghasilkan ATP.

Dengan demikian siklus ATP merupakan sebuah pintu putar yang dilalui energi ketika ditransfer dari jalur katabolik ke jalur anabolik. Dan faktanya sebagian besar energi potensial kimiawi yang tersimpan dalam ATP menggerakkan sebagian besar kerja selular.