SEJARAH ENZIM

Bagaimana Sejarah Enzim?

Enzim adalah katalis biologis. Enzim mempercepat reaksi kimia. Enzim mengubah substrat menjadi molekul berbeda (produk). Hampir semua proses metabolisme di dalam sel terjadi dengan kecepatan yang tinggi untuk dapat menopang proses-proses fisiologis kehidupan dibantu oleh enzim. Oleh sebab itu proses metabolisme sangat bergantung pada enzim. Ilmu yang mempelajari tentang enzim disebut enzimologi dan cabang ilmu baru yaitu analisis enzim semu baru-baru ini berkembang, mengemukakan bahwa selama evolusi, beberapa enzim telah kehilangan kemampuan untuk melakukan proses kimia biologis, yang sering tercermin dalam urutan asam amino dan sesuatu yang tidak biasa terjadi. sifat 'katalitik semu'.

Enzim mampu mengubah 5000 jenis reaksi biokimia. Sebagian besar enzim adalah protein, meskipun beberapa diantaranya adalah molekul RNA katalitik yang disebut ribozim. Spesifisitas enzim berasal dari struktur tiga dimensinya yang unik.

Enzim mengkonversi substrat menjadi produk kali lebih cepat. Contoh ekstrim adalah enzim orotidine 5′-fosfat, yang memungkinkan reaksi memakan waktu jutaan tahun terjadi dalam milidetik. Secara kimia, enzim bertindak sebagai katalis, tidak menjadi bagian dari produk, juga tidak mengubah kesetimbangan reaksi. Enzim memposisikan diri sebagai katalis alternatif dengan dengan sifat spesifiknya. Aktivitas enzim akan terganggu oleh molekul alternatif yaitu inhibitor,  yang menurunkan aktivitas protein enzim, dan aktivator yang meningkatkan aktivitas enzim. Banyak obat terapeutik dan racun adalah penghambat enzim. Aktivitas enzim menurun di luar suhu dan pH optimalnya, dan banyak enzim (secara permanen) terdenaturasi ketika terkena panas yang sangat tinggi,

Beberapa enzim digunakan secara komersial, contoh, dalam sintesis antibiotik. Beberapa barang belanjaan rumah menggunakan enzim untuk mempercepat reaksi kimia seperti enzim dalam bubuk detergen yang memecah molekul pati, atau noda lemak pada pakaian.

Ahli kimia Prancis Anselme Payen adalah orang pertama yang menemukan protein diastase, pada tahun 1833. Beberapa dekade kemudian, setelah mempelajari fermentasi gula menjadi alkohol oleh ragi, Louis Pasteur menyimpulkan bahwa proses fermentasi disebabkan oleh kekuatan vital yang terkandung di dalam sel ragi disebut sebagai "fermentasi", yang bekerja hanya pada organisme.

Pada tahun 1877, ilmuwan kehidupan Jerman Wilhelm Kühne (1837–1900) awalnya menggunakan istilah protein, yang berasal dari bahasa Yunani, "beragi" atau "dalam ragi", untuk menggambarkan proses fermentasi. Kata protein kemudian digunakan untuk enzim, dan oleh karena itu kata fermentasi digunakan untuk menunjukkan aktivitas kimia yang dilakukan oleh organisme.

Eduard Buchner mengajukan makalah tentang studi ekstrak ragi pada tahun 1897. Dalam serangkaian percobaan di Universitas Berlin, ia menemukan bahwa gula difermentasi oleh ekstrak ragi bahkan ketika tidak ada sel ragi hidup dalam campurannya. Jenis protein yang menyebabkan fermentasi disakarida oleh Buchner disebut  "zymase". Pada tahun 1907, ia menerima kehormatan di bidang Kimia untuk "penemuannya fermentasi non-seluler" dan menjadi bukti dari sejarah enzim.

Identitas kimia organik enzim masih belum diketahui dalam desennium awal. Banyak ilmuwan menentukan bahwa aktivitas enzim terkait dengan protein, tokoh lain (Pemenang Hadiah Nobel Richard Willstätter) berpendapat bahwa protein hanyalah pembawa enzim aktual dan bahwa protein itu sendiri tidak mampu mengkatalisis. Pada tahun 1926, James B. Sumner menunjukkan bahwa enzim katalis adalah makromolekul murni dan melakukan hal yang sama seperti enzim. Kesimpulan bahwa protein murni merupakan enzim secara definitif disepakati oleh ahli biokimia John Howard dan Wendell Meredith Stanley, yang bekerja pada enzim pencernaan pepsin (1930), tripsin dan kimotripsin. 3 ilmuwan ini dianugerahi hadiah nobel dalam bidang kimia tahun 1946.

Sejarah enzim menemukan bahwa enzim dapat dikristalisasi yang memungkinkan strukturnya diketahui dengan  sinar-x. Penemuan enzim lainnya yaitu lisozim seperti enzim yang ditemukan dalam air mata, air liur dan putih telur yang mencerna lapisan beberapa bakteri; enzim-enzim ini ditemukan oleh kelompok peneliti yang dipimpin oleh David Chilton Phillips dan diterbitkan pada tahun 1965. Penemuan ini menandai awal dari bidang biologi struktural dan upaya untuk memahami bagaimana enzim bekerja pada tingkat atom.

Konvensi Penamaan

Nama enzim biasanya berasal dari substratnya atau perubahan kimia yang dikatalisisnya, dengan kata yang diakhiri dengan -ase. Contohnya adalah laktase, alkohol dehidrogenase, dan DNA polimerase. Enzim yang berbeda yang mengkatalisis perubahan kimia identik disebut sebagai isozim.

Persatuan Internasional ilmu kimia dan biologi telah mengembangkan bahasa untuk enzim, nomor EC; setiap akselerator diwakili oleh urutan 4 angka yang didahului oleh "EC", yang merupakan singkatan dari "Enzyme Commission". Varietas pertama secara garis besar mengklasifikasikan katalis yang didukung mekanismenya.

Klasifikasi tingkat atas adalah:

EC 1, Oxidoreductases: mengkatalisis reaksi oksidasi/reduksi

EC 2, Transferase: mentransfer gugus fungsi (misalnya gugus metil atau fosfat)

EC 3, Hidrolase: mengkatalisis reaksi berbagai macam ikatan

EC 4, Liase: memutuskan banyak ikatan dengan cara selain dari reaksi dan reaksi kimia

EC 5, Isomerase: mengkatalisis perubahan isomerisasi di dalam satu molekul

EC 6, Ligase: menjadi bagian dari 2 molekul dengan ikatan valensi.

Bagian-bagian ini dibagi dengan opsi yang berbeda seperti substrat, produk, dan perubahan kimia. Enzim sepenuhnya ditentukan oleh empat penunjukan numerik. Misalnya, heksokinase (EC 2.7.1.1) adalah transferase (EC 2) yang menambahkan gugus fosfat (EC 2.7) ke gula heksosa, molekul yang mengandung gugus alkohol (EC 2.7.1).

Struktur

Enzim biasanya protein bulat, bertindak sendiri atau dalam kompleks yang lebih besar. Urutan asam amino menentukan struktur yang berturut-turut menentukan aktivitas proses kimia katalis. Meskipun struktur menentukan untuk beroperasi, aktivitas protein yang unik tetap tidak dapat diramalkan dari struktur saja. Struktur enzim terbuka (denaturasi) setelah dipanaskan atau terkena denaturan kimia dan gangguan pada struktur ini umumnya menyebabkan hilangnya aktivitas. Denaturasi enzim secara tradisional umumnya sering dihubungkan dengan suhu di atas tingkat normal spesies; akibatnya, enzim dari bakteri yang hidup di lingkungan vulkanik seperti mata air panas dihargai oleh pengguna industri karena kemampuannya untuk beroperasi pada suhu tinggi, memungkinkan reaksi yang dikatalisis oleh enzim untuk dioperasikan pada tingkat yang sangat tinggi.

Enzim biasanya jauh lebih besar daripada substratnya. Ukuran bervariasi dari hanya enam puluh dua residu asam aminoalkanoat, untuk monomer tautomerase 4-oksalokrotonat, hingga lebih dari 2.500 residu dalam sintase asam lemak hewani. Hanya sebagian kecil strukturnya (sekitar 2–4 asam amino) yang secara langsung terlibat dalam katalisis: situs web proses kimia. Situs katalitik ini terletak di sebelah satu atau lebih situs pengikatan di mana residu mengarahkan substrat. Proses kimia {situs} dan situs pengikatan bersama terdiri dari situs enzim. Sebagian besar struktur katalis yang tersisa berfungsi untuk menjaga orientasi dan dinamika situs yang tepat.

Dalam beberapa enzim, tidak ada asam amino yang secara langsung terlibat dalam katalisis; sebaliknya, enzim mengandung situs untuk mengikat dan mengarahkan kofaktor katalitik. Struktur enzim tambahan dapat mengandung situs alosterik di mana pengikatan molekul rendah kecil menyebabkan perubahan konformasi yang akan meningkatkan atau menurunkan aktivitas.

Sejumlah kecil katalis biologis berbasis RNA yang disebut sebagai ribozim ada, yang sekali lagi dapat bertindak sendiri atau dalam kompleks dengan protein. Yang paling umum adalah ribosom yang merupakan kompleks protein dan komponen RNA katalitik.

Mekanisme

Pengikatan Substrat

Enzim harus mengikat substratnya sebelum mengkatalisis perubahan kimia apa pun. Enzim biasanya sangat spesifik untuk substrat apa yang mereka ikat dan kemudian reaksi kimia yang dikatalisis. Spesifisitas dicapai dengan mengikat kantong dengan bentuk komplementer, muatan dan karakteristik hidrofilik/hidrofobik ke substrat. Enzim akan membedakan antara molekul substrat yang sangat mirip menjadi kemoselektif, regioselektif, dan stereospesifik.

Beberapa enzim yang menunjukkan spesifisitas dan akurasi terbaik berkaitan dengan pengulangan dan ekspresi ordo. Beberapa dari enzim ini memiliki mekanisme “pembacaan bukti”. Di sini, katalis asosiasi seperti enzim DNA mengkatalisis reaksi di awal dan memeriksa bahwa produk tersebut benar dalam langkah kedua. Metode dansa ballroom ini menghasilkan tingkat kesalahan rata-rata hanya satu kesalahan dalam seratus juta reaksi dalam polimerase kelas hi-fi. Mekanisme proofreading serupa juga ditemukan dalam enzim polimer, sintetase aminoasil tRNA, dan ribosom.

Sebaliknya, beberapa katalis menunjukkan aktivitas seksual enzim, memiliki spesifisitas yang luas dan bekerja pada berbagai substrat yang relevan secara fisiologis. Banyak enzim memiliki aktivitas aspek kecil yang untungnya muncul (yaitu secara netral), yang mungkin menjadi titik awal untuk seleksi evolusioner dari fungsi baru.

Model "Kunci Dan Kunci"

Untuk menjelaskan spesifisitas enzim yang ditemukan, pada tahun 1894 Emil Fischer memproyeksikan bahwa setiap protein dan juga substrat memiliki bentuk geometris komplementer spesifik yang cocok satu sama lain. Ini biasanya dikatakan sebagai model "gembok dan kunci". Model awal ini menjelaskan spesifisitas protein tetapi gagal menjelaskan stabilisasi keadaan transisi yang dicapai enzim.

Model “Induced Fit”

Pada tahun 1958, Daniel Koshland merekomendasikan modifikasi model gembok dan kunci: karena enzim memiliki struktur yang agak serbaguna, situs aktif terus menerus dibentuk kembali oleh interaksi dengan substrat saat substrat berinteraksi dengan enzim. Akibatnya, substrat tidak hanya mengikat ke situs aktif yang kaku; rantai samping asam amino yang membentuk situs aktif dibentuk ke posisi yang tepat yang mengubah protein untuk melakukan proses kimianya. Dalam beberapa kasus, seperti glikosidase, molekul substrat juga sedikit berubah bentuk saat memasuki situs aktif. Situasi terus berubah sampai substrat benar-benar yakin, pada titik mana bentuk akhir dan distribusi muatan ditentukan.

Katalisis

Enzim akan mempercepat reaksi dengan berbagai cara yang kesemuanya menurunkan energi aktivasi (ΔG‡, energi bebas Gibbs)

• Dengan menstabilkan keadaan transisi:

Menciptakan lingkungan AN dengan distribusi muatan yang melengkapi keadaan transisi untuk menurunkan energinya

• Dengan menyediakan jalur reaksi alternatif:

Bereaksi sementara dengan substrat, membentuk zat antara valensi untuk memasok keadaan transisi energi yang lebih rendah 

• Dengan mendestabilisasi keadaan dasar substrat:

Mendistorsi substrat terikat ke bentuk keadaan transisinya untuk mengurangi energi yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan transisi

Dengan mengorientasikan substrat ke dalam pengaturan yang produktif untuk mengurangi perubahan entropi reaksi (kontribusi mekanisme ini terhadap aksi kimia relatif kecil)

Enzim dapat menggunakan beberapa mekanisme ini secara bersamaan. Misalnya, protease seperti tripsin melakukan katalisis kovalen menggunakan triad katalitik, menstabilkan penumpukan muatan pada keadaan transisi menggunakan lubang oxyanion, hidrolisis lengkap menggunakan substrat air yang berorientasi.

Dinamika

Enzim tampaknya tidak kaku, struktur statis; sebaliknya mereka memiliki gerakan dinamis internal yang kompleks – yaitu, gerakan bagian dari struktur enzim seperti residu asam amino individu, kelompok residu yang membentuk loop makromolekul atau unit struktur sekunder, atau bahkan seluruh domain protein. Gerakan-gerakan ini membentuk ensemble konformasi dari struktur yang sedikit berbeda yang saling berkonversi pada kesetimbangan. Keadaan yang berbeda dalam ansambel ini juga dapat dikaitkan dengan aspek yang sama sekali berbeda dari kinerja enzim AN. Misalnya, konformasi yang sama sekali berbeda dari ukuran persegi enzim dihidrofolat protein terkait dengan langkah-langkah pengikatan substrat, katalisis, pelepasan kofaktor, dan pelepasan produk dari siklus katalitik.

Modulasi Alosterik

Situs alosterik kantong ukuran persegi pada protein, berbeda dari situs aktif, yang mengikat molekul di lingkungan seluler. Molekul-molekul ini kemudian menyebabkan perubahan konformasi atau dinamika enzim yang ditransduksi ke situs aktif dan dengan demikian mempengaruhi laju reaksi enzim. Dengan cara ini, interaksi alosterik dapat menghambat atau mengaktifkan enzim. Interaksi alosterik dengan metabolit hulu atau hilir dalam jalur metabolisme enzim AN menyebabkan regulasi umpan balik, memperbaiki aktivitas protein dalam langkah dengan fluks melalui sisa jalur.