Definisi
Enzim adalah protein yang diproduksi dalam sel tumbuhan dan hewan, yang bertindak sebagai katalis yang mempercepat reaksi biologis tanpa dimodifikasi.
Enzim bekerja dengan menggabungkan dengan zat tertentu untuk mengubahnya menjadi zat yang berbeda; contoh klasik diberikan oleh enzim pencernaan yang ada dalam air liur, lambung, pankreas dan usus kecil, yang melakukan fungsi penting dalam pencernaan dan membantu memecah makanan menjadi konstituen dasar, yang kemudian dapat diserap dan digunakan oleh tubuh, diproses oleh enzim lain atau dikeluarkan sebagai limbah.
Setiap enzim memiliki peran spesifik: enzim yang memecah lemak, misalnya, tidak bekerja pada protein atau karbohidrat. Enzim sangat penting untuk kesejahteraan organisme.Kekurangan, bahkan enzim tunggal, dapat menyebabkan masalah serius.Contoh yang terkenal adalah fenilketonuria (PKU), penyakit yang ditandai dengan ketidakmampuan untuk memetabolisme asam amino esensial, fenilalanin, yang akumulasinya dapat menyebabkan kelainan bentuk fisik dan penyakit mental.
Studi biokimia
Enzim adalah protein tertentu yang memiliki sifat sebagai katalis biologis, yaitu memiliki kemampuan untuk memecah energi aktivasi (Eatt) suatu reaksi, memodifikasi lintasannya sehingga proses yang lambat secara kinetik menjadi lebih cepat.
Enzim meningkatkan kinetika reaksi termodinamika yang mungkin terjadi dan, tidak seperti katalis, enzim lebih atau kurang spesifik: oleh karena itu enzim memiliki spesifisitas substrat.
Enzim tidak terlibat dalam stoikiometri reaksi: agar hal ini terjadi, situs katalitik akhir harus identik dengan situs awal.
Dalam aksi katalitik hampir selalu ada fase lambat yang menentukan kecepatan proses.
Ketika kita berbicara tentang enzim, tidak tepat untuk berbicara tentang reaksi kesetimbangan, sebaliknya, kita berbicara tentang stabil (keadaan di mana metabolit tertentu dibentuk dan dikonsumsi terus menerus, menjaga konsentrasinya hampir konstan dari waktu ke waktu). Produk reaksi yang dikatalisis oleh satu enzim biasanya merupakan reaktan untuk reaksi berikutnya, dikatalisis oleh enzim lain, dan seterusnya.
Proses yang dikatalisis oleh enzim biasanya terdiri dari rangkaian reaksi.
Reaksi generik yang dikatalisis oleh enzim (E) dapat diringkas sebagai berikut:
E adalah enzim
S adalah substrat;
ES mewakili adukan antara enzim dan substrat;
P adalah produk;
K adalah konstanta laju reaksi.
Sebuah enzim generik (E) bergabung dengan substrat (S) untuk membentuk aduk (ES) dengan konstanta laju K1; ia dapat berdisosiasi kembali menjadi E + S, dengan konstanta laju K2, atau, (jika "hidup" cukup lama ) dapat melanjutkan ke bentuk P dengan konstanta kecepatan K3.
Produk (P) dapat, pada gilirannya, bergabung kembali dengan enzim dan mereformasi aduk dengan konstanta laju K4.
Ketika enzim dan substrat dicampur, ada sebagian kecil waktu di mana pertemuan antara dua spesies belum terjadi: yaitu, ada interval waktu yang sangat singkat (yang tergantung pada reaksi) di mana enzim dan substrat memiliki belum terpenuhi; setelah periode ini, enzim dan substrat bersentuhan dalam jumlah yang meningkat dan adisi ES terbentuk. Selanjutnya, enzim bekerja pada substrat dan produk dilepaskan, maka dapat dikatakan bahwa c adalah interval waktu awal di mana konsentrasi adisi ES tidak dapat ditentukan; setelah periode ini, diasumsikan bahwa keadaan tunak ditetapkan , yaitu, kecepatan proses yang mengarah pada perolehan aduk sama dengan kecepatan proses yang mengarah pada penghancuran aduk.
Konstanta Michaelis-Menten (KM) adalah konstanta kesetimbangan (mengacu pada kesetimbangan pertama yang dijelaskan di atas); dapat dikatakan, dengan pendekatan yang baik (karena K3 juga harus dipertimbangkan), bahwa KM diwakili oleh rasio antara konstanta kinetik K2 dan K1 (mengacu pada penghancuran dan pembentukan aduk ES dalam kesetimbangan pertama yang dijelaskan di atas) .
Melalui konstanta Michaelis-Menten kami memiliki "indikasi afinitas antara enzim dan substrat: jika KM kecil c" adalah "afinitas tinggi antara enzim dan substrat, maka aduk ES stabil.
Enzim tunduk pada regulasi (atau modulasi).
Di masa lalu terutama dibicarakan tentang modulasi negatif, yaitu, penghambatan kemampuan katalitik suatu enzim, tetapi, bisa juga ada modulasi positif, yaitu, ada spesies yang mampu meningkatkan kemampuan katalitik suatu enzim.
Ada 4 jenis inhibisi (diperoleh dari aproksimasi yang dibuat pada model untuk mencocokkan data eksperimen dengan persamaan matematis):
- penghambatan kompetitif
- penghambatan non-kompetitif
- penghambatan tidak kompetitif
- penghambatan akompetitif
Kami berbicara tentang penghambatan kompetitif ketika sebuah molekul (penghambat) mampu bersaing dengan substrat. Untuk kesamaan struktural, inhibitor dapat bereaksi di tempat substrat, maka istilah "penghambatan kompetitif".Probabilitas bahwa enzim mengikat inhibitor atau substrat tergantung pada konsentrasi keduanya dan afinitas mereka dengan enzim; laju reaksi karena itu tergantung pada faktor-faktor ini.
Untuk mendapatkan laju reaksi yang sama seperti tanpa adanya inhibitor, diperlukan konsentrasi substrat yang lebih tinggi.
Secara eksperimental ditunjukkan bahwa, dengan adanya inhibitor, konstanta Michaelis-Menten meningkat.
Mengenai, sebaliknya, "penghambatan non-kompetitif, interaksi antara molekul yang seharusnya berfungsi sebagai modulator (penghambat positif atau negatif) dan" enzim, terjadi di tempat yang berbeda dari tempat interaksi terjadi antara enzim dan substrat; karena itu kita berbicara tentang modulasi alosterik (dari bahasa Yunani alostero → situs lain).
Jika inhibitor berikatan dengan enzim, dapat menyebabkan perubahan struktur enzim dan, akibatnya, dapat menurunkan efisiensi pengikatan substrat ke enzim.
Dalam jenis proses ini, konstanta Michaelis-Menten tetap konstan karena nilai ini bergantung pada kesetimbangan antara enzim dan substrat dan, bahkan dengan adanya inhibitor, kesetimbangan ini tidak berubah.
Fenomena penghambatan inkompetitif jarang terjadi; inhibitor inkompetitif tipikal adalah zat yang secara reversibel mengikat adisi ES sehingga menimbulkan ESI:
Penghambatan dari kelebihan substrat kadang-kadang bisa menjadi tidak kompetitif, karena hal ini terjadi ketika molekul substrat kedua mengikat kompleks ES, sehingga menimbulkan kompleks ESS.
Inhibitor akompetitif, di sisi lain, hanya dapat mengikat adisi enzim substrat seperti dalam kasus sebelumnya: pengikatan substrat ke enzim bebas menginduksi modifikasi konformasi yang membuat situs dapat diakses oleh inhibitor.
Konstanta Michaelis Menten menurun dengan meningkatnya konsentrasi inhibitor: tampaknya, oleh karena itu, afinitas enzim terhadap substrat meningkat.
protease serin
Mereka adalah keluarga enzim yang chymotrypsin dan trypsin milik.
Chymotrypsin adalah enzim proteolitik dan hidrolitik yang memotong ke kanan asam amino hidrofobik dan aromatik.
Produk gen yang mengkode kimotripsin tidak aktif (diaktifkan dengan perintah); bentuk kimotripsin yang tidak aktif diwakili oleh rantai polipeptida dari 245 asam amino. Chymotrypsin memiliki bentuk globular karena lima jembatan disulfida dan interaksi kecil lainnya (elektrostatik, gaya Van der Waals, ikatan hidrogen, dll.).
Chymotrypsin diproduksi oleh sel-sel chymose pankreas di mana ia terkandung dalam membran khusus dan dikeluarkan melalui saluran pankreas ke dalam usus, pada saat pencernaan makanan: chymotrypsin sebenarnya adalah enzim pencernaan. Protein dan nutrisi yang kita konsumsi melalui makanan mengalami pencernaan untuk direduksi menjadi rantai yang lebih kecil dan untuk diserap dan diubah menjadi energi (misalnya amilase dan protease memecah nutrisi menjadi glukosa dan asam amino yang mencapai sel, melalui pembuluh darah mereka mencapai vena portal dan dari sana dibawa ke hati di mana mereka menjalani perawatan lebih lanjut).
Enzim diproduksi dalam bentuk non-aktif dan diaktifkan hanya ketika mereka mencapai "tempat di mana mereka harus beroperasi"; setelah tindakan mereka selesai, mereka dinonaktifkan. Suatu enzim, sekali dinonaktifkan, tidak dapat diaktifkan kembali: untuk memiliki "aksi katalitik lebih lanjut, ia harus digantikan oleh" molekul enzim lain. Jika chimitrypsin diproduksi dalam bentuk aktif sudah di pankreas, itu akan menyerang yang terakhir: pankreatitis adalah patologi karena enzim pencernaan yang sudah diaktifkan di pankreas (dan bukan di tempat yang diperlukan); beberapa di antaranya jika tidak diobati tepat waktu, menyebabkan kematian.
Dalam chymotrypsin dan di semua protease serin, tindakan katalitik disebabkan oleh adanya anion alkohol (-CH2O-) di rantai samping serin.
Protease serin mengambil nama ini justru karena tindakan katalitiknya disebabkan oleh serin.
Setelah semua enzim melakukan aksinya, sebelum dapat beroperasi kembali pada substrat lagi, ia harus dipulihkan dengan air; "pelepasan" serin oleh air adalah tahap proses yang paling lambat, dan inilah fase ini yang menentukan kecepatan katalisis.
Tindakan katalitik terjadi dalam dua fase:
- pembentukan anion dengan sifat katalitik (anion alkoholat) dan serangan nukleofilik berikutnya pada karbon karbonil (C = O) dengan pemutusan ikatan peptida dan pembentukan ester;
- serangan air dengan pemulihan katalis (mampu mengerahkan aksi katalitiknya lagi).
Berbagai enzim milik keluarga protease serin dapat terdiri dari asam amino yang berbeda tetapi, untuk semuanya, situs katalitik diwakili oleh anion alkohol dari rantai samping serin.
Subfamili protease serin adalah enzim yang terlibat dalam koagulasi (yang terdiri dari transformasi protein, dari bentuk tidak aktif menjadi "bentuk lain yang aktif). Enzim ini memastikan bahwa koagulasi seefektif mungkin dan terbatas dalam ruang dan waktu (koagulasi harus terjadi dengan cepat dan harus terjadi hanya di sekitar area yang terluka) Enzim yang terlibat dalam koagulasi diaktifkan secara kaskade (dari aktivasi satu enzim, diperoleh miliaran enzim: setiap enzim yang diaktifkan , pada gilirannya mengaktifkan banyak enzim lainnya).
Trombosis adalah patologi karena tidak berfungsinya enzim koagulasi: ini disebabkan oleh aktivasi, tanpa kebutuhan (karena tidak ada cedera), enzim yang digunakan dalam koagulasi.
Ada enzim modulasi (pengatur) dan enzim penghambat untuk enzim lain: berinteraksi dengan yang terakhir, mereka mengatur atau menghambat aktivitasnya; bahkan produk suatu enzim dapat menjadi penghambat bagi enzim tersebut.ada juga enzim yang bekerja semakin banyak maka substrat yang ada semakin banyak.
Lisozim
Luigi Pasteur menemukan, dengan bersin di atas cawan petri, bahwa di dalam lendir terdapat enzim yang mampu membunuh bakteri: lisozim; dari bahasa Yunani: liso = berapa ukuran; zimo = enzim
Lisozim mampu memecah dinding sel bakteri. Bakteri, dan organisme uniseluler pada umumnya, membutuhkan struktur tahan mekanis yang membatasi bentuknya; di dalam bakteri terdapat tekanan osmotik yang sangat tinggi sehingga dapat menarik air. Membran plasma akan meledak jika tidak ada dinding sel yang menghalangi masuknya air dan membatasi volume bakteri.
Dinding sel terdiri dari rantai polisakarida di mana molekul N-asetil-glukosamin (NAG) dan molekul asam N-asetil-muramat (NAM) bergantian; ikatan antara NAG dan NAM diputus oleh hidrolisis. Gugus karboksil NAM, di dinding sel, terlibat dalam ikatan peptida dengan asam amino.
Di antara berbagai rantai, jembatan terbentuk yang terdiri dari ikatan pseudo-peptida: percabangan disebabkan oleh molekul lisin; struktur secara keseluruhan sangat bercabang dan ini memberikan stabilitas yang tinggi.
Lisozim adalah antibiotik (membunuh bakteri): bekerja dengan membuat celah di dinding bakteri; ketika struktur ini (yang tahan secara mekanis) pecah, bakteri menarik air sampai pecah. Lisozim berhasil memutuskan ikatan -1,4 glukosidik antara NAM dan NAG.
Situs katalitik lisozim diwakili oleh alur yang membentang di sepanjang enzim tempat rantai polisakarida dimasukkan: enam cincin glukosidik rantai ditempatkan di alur.
Di posisi tiga alur c "adalah tersedak: di posisi ini hanya satu NAG yang dapat ditempatkan, karena NAM, yang berdimensi lebih tinggi, tidak dapat masuk. Situs katalitik sebenarnya adalah antara posisi empat dan lima: karena ada NAG di posisi tiga, pemotongan akan terjadi antara NAM dan NAG (dan bukan sebaliknya); oleh karena itu, pemotongannya spesifik.
PH optimal untuk lisozim untuk bekerja adalah lima. Di tempat katalitik enzim, yaitu antara posisi empat dan lima, terdapat rantai samping asam aspartat dan asam glutamat.
Derajat homologi: mengukur kekerabatan (yaitu kesamaan) antara struktur protein.
Ada hubungan yang kuat antara lisozim dan laktosa-sintase.
Laktosa sintetase mensintesis laktosa (yang merupakan gula susu utama): laktosa adalah galaktosil glukosida di mana c "adalah ikatan -1,4 glukosidik antara galaktosa dan glukosa.
Oleh karena itu, laktosa sintetase mengkatalisis reaksi yang berlawanan dengan yang dikatalisis oleh lisozim (yang malah memecah ikatan -1,4 glukosidik)
Laktosa sintetase adalah dimer, yaitu terdiri dari dua rantai protein, salah satunya memiliki sifat katalitik dan sebanding dengan lisozim dan yang lainnya adalah subunit pengatur.
Selama kehamilan, glikoprotein disintesis oleh sel-sel kelenjar susu oleh aksi galatosyl-tranferase (memiliki "homologi urutan 40% dengan lisozim): enzim ini mampu mentransfer gugus galaktosil dari struktur energi tinggi ke struktur glikoprotein Selama kehamilan, ekspresi gen yang mengkode galactosisyl-transferase diinduksi (ada juga ekspresi gen lain yang juga memberikan produk lain): ada peningkatan ukuran payudara karena diaktifkan kelenjar susu (sebelumnya tidak aktif) yang harus menghasilkan susu Selama persalinan, -laktalbumin diproduksi yang merupakan protein pengatur: ia mampu mengatur kapasitas katalitik galaktosil-transferase (dengan diskriminasi substrat) . Galaktosil-transferase yang dimodifikasi oleh -laktalalbumin mampu mentransfer galaktosil ke molekul glukosa: membentuk ikatan -1,4 glikosidik dan menghasilkan laktosa (laktosa sintetase).
Oleh karena itu, transferase galaktosa mempersiapkan kelenjar susu sebelum melahirkan dan menghasilkan susu setelah melahirkan.
Untuk menghasilkan glikoprotein, galaktosil transferase berikatan dengan galaktosil dan NAG; selama melahirkan albumin laktal mengikat galaktosiltransferase membuat yang terakhir mengenali glukosa dan tidak lagi NAG untuk memberikan laktosa.
