definisi
Enzim adalah protein yang diproduksi dalam sel tumbuhan dan hewan, yang bertindak sebagai katalis dengan mempercepat reaksi biologis tanpa dimodifikasi.
Enzim bekerja dengan menggabungkan dengan zat tertentu untuk mengubahnya menjadi zat yang berbeda; Contoh-contoh klasik diberikan oleh enzim pencernaan yang terdapat dalam air liur, di perut, di pankreas dan di 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: yang memecah lemak, misalnya, tidak mempengaruhi protein atau karbohidrat. Enzim sangat penting untuk kesejahteraan organisme. Kekurangan, bahkan enzim tunggal, dapat menyebabkan gangguan serius. Contoh yang cukup terkenal adalah fenilketonuria (PKU), penyakit yang ditandai oleh ketidakmampuan untuk memetabolisme asam amino esensial, fenilalanin, akumulasi yang dapat menyebabkan cacat fisik dan penyakit mental.
Analisis biokimia
Enzim adalah protein tertentu yang memiliki karakteristik sebagai katalis biologis, yaitu, mereka memiliki kemampuan untuk mengurangi energi aktivasi (Eatt) dari suatu reaksi, mengubah jalurnya untuk membuat proses yang lambat secara kinetik muncul lebih cepat.
Enzim meningkatkan kinetika reaksi termodinamik yang mungkin dan, tidak seperti katalis, lebih atau kurang spesifik: karena itu mereka memiliki kekhususan substrat.
Enzim tidak terlibat dalam stoikiometri reaksi: agar hal ini terjadi, adalah penting bahwa situs katalitik akhir identik dengan yang mulai.
Dalam aksi katalitik, hampir selalu ada fase lambat yang menentukan kecepatan proses.
Ketika kita berbicara tentang enzim, tidaklah benar untuk berbicara tentang reaksi kesetimbangan, kita berbicara tentang keadaan mantap (keadaan di mana metabolit tertentu terbentuk dan dikonsumsi terus menerus, mempertahankan konsentrasinya hampir konstan sepanjang waktu). Produk dari suatu reaksi yang dikatalisis oleh suatu enzim biasanya itu sendiri adalah suatu reaktan untuk reaksi selanjutnya, dikatalisis oleh enzim lain, dan seterusnya.
Proses yang dikatalisis oleh enzim biasanya terdiri dari urutan reaksi.
Reaksi generik yang dikatalisis oleh enzim (E), dengan demikian dapat dirinci:
Enzim generik (E) bergabung dengan substrat (S) untuk membentuk aduk (ES) dengan konstanta kecepatan K1; ia dapat dipisahkan kembali dalam E + S, dengan konstanta kecepatan K2, atau, (jika "hidup" cukup lama) ia dapat melanjutkan untuk membentuk P dengan konstanta kecepatan K3.
Produk (P) dapat, pada gilirannya, bergabung kembali dengan enzim dan membentuk kembali aduk dengan kecepatan konstan K4.
Ketika enzim dan substrat dicampur, ada sebagian kecil waktu di mana pertemuan antara kedua spesies belum terjadi: yaitu, ada interval waktu yang sangat singkat (yang tergantung pada reaksi) di mana enzim dan substrat belum terpenuhi; setelah periode ini, enzim dan substrat bersentuhan dalam jumlah yang meningkat dan adduct ES terbentuk. Selanjutnya enzim bekerja pada substrat dan produk dilepaskan. Kemudian dapat dikatakan bahwa ada interval waktu awal di mana konsentrasi adduct ES tidak dapat didefinisikan; setelah periode ini, diasumsikan bahwa kondisi mapan terbentuk, yaitu kecepatan proses yang mengarah ke adduct sama dengan kecepatan proses yang mengarah pada penghancuran adduct.
Konstanta Michaelis-Menten (KM) adalah konstanta kesetimbangan (mengacu pada kesetimbangan pertama yang dijelaskan di atas); kita dapat mengatakan, dengan perkiraan yang baik (karena K3 juga harus dipertimbangkan) bahwa KM diwakili oleh rasio antara konstanta kinetik K2 dan K1 (mengacu pada penghancuran dan pembentukan adduct ES dalam kesetimbangan pertama yang dijelaskan di atas).
Melalui konstanta Michaelis-Menten kami memiliki indikasi afinitas antara enzim dan substrat: jika KM kecil ada afinitas tinggi antara enzim dan substrat, sehingga adduct ES stabil.
Enzim tunduk pada regulasi (atau modulasi).
Di masa lalu ada pembicaraan di atas semua modulasi negatif, yaitu penghambatan kapasitas katalitik enzim, tetapi orang juga dapat memiliki modulasi positif, yaitu, ada spesies yang mampu meningkatkan kapasitas katalitik suatu enzim.
Ada 4 jenis penghambatan (diperoleh dari perkiraan yang dibuat pada model untuk mencocokkan data eksperimen dengan persamaan matematika):
- hambatan kompetitif
- hambatan non-kompetitif
- Penghambatan tidak kompetitif
- penghambatan kompetitif
Ada pembicaraan tentang hambatan kompetitif ketika molekul (inhibitor) mampu bersaing dengan substrat. Dengan kesamaan struktural, inhibitor dapat bereaksi menggantikan substrat; dari sinilah istilah "penghambatan kompetitif" berasal. Probabilitas bahwa enzim berikatan dengan inhibitor atau substrat tergantung pada konsentrasi keduanya dan afinitasnya dengan enzim; kecepatan reaksi tergantung pada faktor-faktor ini.
Untuk memperoleh laju reaksi yang sama yang akan terjadi tanpa adanya inhibitor, perlu memiliki konsentrasi substrat yang lebih tinggi.
Diperlihatkan secara eksperimental bahwa, di hadapan penghambat, konstanta Michaelis-Menten meningkat.
Sehubungan dengan itu, sebaliknya, penghambatan non-kompetitif, interaksi antara molekul yang harus bekerja sebagai modulator (penghambat positif atau negatif) dan enzim, terjadi di situs yang berbeda dari yang di mana interaksi antara enzim dan substrat; oleh karena itu kita berbicara tentang modulasi alosterik (dari bahasa Yunani allosteros → situs lain).
Jika inhibitor mengikat enzim, ia dapat menginduksi modifikasi struktur enzim dan, akibatnya, dapat mengurangi efisiensi substrat yang mengikat enzim.
Dalam jenis proses ini, konstanta Michaelis-Menten tetap konstan karena nilai ini tergantung pada kesetimbangan antara enzim dan substrat dan, keseimbangan ini, bahkan di hadapan penghambat, tidak berubah.
Fenomena hambatan yang tidak kompeten jarang terjadi; inhibitor khas yang tidak kompeten adalah zat yang secara reversibel berikatan dengan adduct ES sehingga menimbulkan ESI:
Penghambatan kelebihan substrat kadang-kadang bisa dari jenis yang tidak kompeten, karena ini terjadi ketika molekul substrat kedua mengikat ke kompleks ES, sehingga menimbulkan kompleks ESS.
Inhibitor akompetitif, di sisi lain, hanya dapat mengikat adduksi enzim substrat seperti pada kasus sebelumnya: pengikatan substrat ke enzim bebas menginduksi modifikasi konformasi yang membuat situs dapat diakses oleh inhibitor.
Konstanta Michaelis Menten berkurang dengan meningkatnya konsentrasi inhibitor: rupanya, oleh karena itu, afinitas enzim terhadap substrat meningkat.
Protein serin
Mereka adalah keluarga enzim yang termasuk chimotripsin dan trypsin.
Chymotrypsin adalah enzim proteolitik dan hidrolitik yang memotong asam amino hidrofobik dan aromatik ke kanan.
Produk gen yang mengkode chymotrypsin tidak aktif (diaktifkan dengan perintah); bentuk non-aktif chymotrypsin 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 chimatic 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 diet mengalami pencernaan yang akan direduksi menjadi rantai yang lebih kecil dan diserap dan diubah menjadi energi (misalnya amilase dan protease membagi nutrisi menjadi glukosa dan asam amino yang mencapai sel, melalui pembuluh darah mereka mencapai vena porta dan dari sana mereka dibawa ke hati di mana mereka menjalani perawatan lebih lanjut).
Enzim diproduksi dalam bentuk tidak aktif dan diaktifkan hanya ketika mereka mencapai "situs di mana mereka harus beroperasi"; ketika tindakan mereka selesai, mereka dinonaktifkan. Enzim, sekali dinonaktifkan, tidak dapat diaktifkan kembali: untuk memiliki aksi katalitik tambahan, harus diganti oleh molekul enzim lain. Jika chimitripsina sudah diproduksi dalam bentuk aktif di pankreas, itu akan menyerang yang terakhir: pankreatitis adalah patologi karena enzim pencernaan yang sudah diaktifkan di pankreas (dan tidak di lokasi yang diperlukan); beberapa dari mereka jika tidak dirawat tepat waktu, mengakibatkan kematian.
Dalam chymotrypsin dan dalam semua protease serin, aksi katalitik disebabkan oleh adanya anion alkolat (-CH2O-) dalam rantai samping serin.
Protein serin mengambil nama ini justru karena aksi katalitiknya disebabkan oleh serin.
Setelah semua enzim melakukan aksinya, sebelum dapat kembali beroperasi pada substrat, ia harus dipulihkan dengan air; "pembebasan" serin oleh air adalah tahap paling lambat dalam proses, dan fase inilah yang menentukan kecepatan katalisis.
Tindakan katalitik terjadi dalam dua fase:
- pembentukan anion dengan sifat katalitik (anion alkolat) dan serangan nukleofilik berikutnya terhadap karbonil karbon (C = O) dengan pembelahan ikatan peptida dan pembentukan ester;
- serangan air dengan pemulihan katalis (mampu, dengan demikian untuk kembali menjalankan aksi katalitiknya).
Berbagai enzim yang termasuk dalam keluarga serase protease dapat terdiri dari asam amino yang berbeda tetapi, untuk semua, situs katalitik diwakili oleh anion alkali dari rantai samping serin.
Subfamili dari serin protease adalah enzim yang terlibat dalam koagulasi (yang terdiri dari transformasi protein, dari bentuk tidak aktif ke 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 dekat area yang terluka). Enzim yang terlibat dalam koagulasi diaktifkan dalam kaskade (dari aktivasi satu enzim, miliaran enzim diperoleh: setiap enzim diaktifkan, pada gilirannya mengaktifkan banyak enzim lain).
Trombosis adalah penyakit akibat tidak berfungsinya enzim koagulasi: itu disebabkan oleh aktivasi, tanpa keharusan (karena tidak ada lesi), dari enzim yang digunakan dalam koagulasi.
Ada enzim pemodulasi (regulator) dan enzim penghambat untuk enzim lain: dengan berinteraksi dengan enzim yang terakhir mereka mengatur atau menghambat aktivitas mereka; bahkan produk suatu enzim dapat menjadi penghambat enzim tersebut. Ada juga enzim yang bekerja lebih banyak, semakin besar substrat hadir.
lisozim
Luigi Pasteur menemukan, secara kebetulan, bersin di cawan petri, bahwa di lendir ada enzim yang mampu membunuh bakteri: lisozim ; dari bahasa Yunani: liso = yang memotong; zimo = enzim.
Lisozim mampu memecahkan dinding sel bakteri. Bakteri dan, pada umumnya, organisme bersel tunggal, membutuhkan struktur yang resisten secara mekanis yang membatasi bentuknya; di dalam bakteri ada tekanan osmotik yang sangat tinggi sehingga mereka menarik air. Membran plasma akan meledak jika tidak ada dinding sel yang menentang 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; hubungan antara NAG dan NAM terurai oleh hidrolisis. Kelompok NAM karboksil di dinding sel terlibat dalam ikatan peptida dengan asam amino.
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 tinggi.
Lisozim adalah antibiotik (membunuh bakteri): bertindak dengan membuat celah di dinding bakteri; ketika struktur ini rusak (yang secara mekanis tahan) bakteri menarik air sampai meledak. Lisozim mampu memutus ikatan b-1, 4 glukosidik antara NAM dan NAG.
Situs katalitik dari lisozim diwakili oleh alur yang berjalan di sepanjang enzim di mana rantai polisakarida dimasukkan: enam cincin glukosidik rantai, menemukan tempat mereka di alur.
Di posisi tiga dari alur ada hambatan: di posisi ini hanya satu NAG dapat ditempatkan, karena NAM, yang lebih besar, tidak bisa masuk. Situs katalitik yang sebenarnya adalah antara posisi empat dan lima: ada NAG di posisi tiga, pemotongan akan terjadi antara NAM dan NAG (dan bukan sebaliknya); oleh karena itu, pemotongannya spesifik.
PH optimum untuk fungsi lisozim adalah lima. Di situs katalitik enzim, yaitu antara posisi empat dan lima, ada rantai samping asam aspartat dan asam glutamat.
Tingkat homologi : mengukur hubungan (yaitu kesamaan) antara struktur protein.
Ada hubungan yang ketat antara lisozim dan laktosa-sintetase.
Lactose synthase mensintesis laktosa (yang merupakan gula utama dalam susu): laktosa adalah galaktosil glukosida di mana terdapat ikatan β-1, 4 glukosidik antara galaktosa dan glukosa.
Jadi, laktosa sintetase mengkatalisasi reaksi yang berlawanan dengan yang dikatalisis oleh lisozim (yang sebaliknya memecah ikatan β-1, 4 glukosidik)
Laktosa sintase adalah dimer, yang terdiri dari dua rantai protein, satu di antaranya memiliki sifat katalitik dan sebanding dengan lisozim dan yang lainnya adalah subunit pengatur.
Selama kehamilan, glikoprotein disintesis dari sel kelenjar susu oleh aksi galatosyl-tranferase (memiliki homologi sekuens 40% dengan lisozim): enzim ini mampu memindahkan gugus galaktosil dari struktur energi tinggi ke struktur glikoprotein. Selama kehamilan, ekspresi kode gen untuk galaktosis-transferase diinduksi (ada juga ekspresi gen lain yang juga memberikan produk lain): ada peningkatan ukuran payudara karena kelenjar susu diaktifkan (sebelumnya tidak aktif) yang harus menghasilkan susu. Selama persalinan, α-laktalalbumin diproduksi yang merupakan protein pengatur: ia mampu mengatur kapasitas katalitik transferakta galaktosil (karena diskriminasi substrat). Galaktosil-transferase yang dimodifikasi oleh α-laktalalbumin, mampu mentransfer galaktosil pada molekul glukosa: membentuk ikatan β-1, 4 glikosidik dan memberikan laktosa (laktosa sintetase).
Dengan demikian, transferase galaktosa mempersiapkan kelenjar susu sebelum melahirkan dan menghasilkan susu setelah melahirkan.
Untuk menghasilkan glikoprotein, galaktosiltransferase berikatan dengan galaktosil dan NAG; selama kelahiran, albumin laktal berikatan dengan galactosyltransferase, menyebabkan yang terakhir untuk mengenali glukosa daripada NAG untuk memberikan laktosa.
