Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

IV. ENZIM

Aktivitas sistem hidup dikontrol oleh enzim. Enzim merupakan molekul protein

yang bertindak sebagai katalis biologi dengan karakterisitk. Pertama, fungsi

dasar enzim adalah meningkatkan kecepatan reaksi. Umumnya reaksi selular

terjadi jutaan kali lebih cepat dibandingkan dengan tanpa enzim. Kedua,

umumnya enzim bekeja secara spesifik dengan hanya satu reaktan (disebut

substrat) untuk menghasilkan produk.

4.1. Sifat-safat Enzim

a. Secara kimia, umumnya enzim merupakan protein globular. (Beberapa

molekul RNA disebut ribosom dapat juga disebut enzim. Mereka

biasanya terdapat di inti sel).

b. Enzim merupakan katalis yang memecah atau mensintesis senyawa

kimia yang lebih kompleks. Enzim memungkinkan reaksi berlangsung

lebih cepat untuk mendukung hidup. Kecepatan enzim jauh melebihi

kecepatan reaksi kimia biasa, dengan menurunkan energi aktivasi. Enzim

bekerja sangat efisien. Umumnya enzim dapat mengkatalisis reaksi antara

1 dan 10,000 molekul substrat per detik.

c. Enzim hanya terdapat dalam jumlah kecil di dalam sel karena mereka

tidak dapat diubah selama reaksi.

Enzim sangat spesifik terhadap substratnya. Biasanya enzim spesifik

untuk reaksi yang spesifik.

4.2. Nomenklatur dan Klasifikasi

Enzim umumnya diberi nama dengan penambahan “-ase” pada substrat yang

dikatalisisnya. Sebagai contoh, Lipase mengkatalisis hidrolisis lipid menjadi

Biologi UNM Tahun 2008 79

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

gliserol dan asam lemak. Sukrase mengkatalisis hidrolisis sukrosa menjadi

glukosa dan fruktosa.

Beberapa enzim yang ditemukan sebelum sistem penamaan diatur dikenal

dengan nama umum. Contohnya adalah pepsin, tripsin, dan kimotripsin yang

mengkatalisis hidrolisis protein.

Sistem tata nama yang terakhir dikenal sebagai sistem Internasional Enzyme Commision

(IEC) didasarkan pada jenis reaksi yang dikatalisisnya. Ada enam kelompok ezim dalam

sistem ini, seperti tertera di dalam tabel berikut:

Klasifikasi Enzim menurut IEC

 Kelompok Enzim  Jenis Reaksi yang Dikatalisis

 Oksidase atau Dehidrogenase  Reaksi Oksidase-reduksi

 Transferase Memindahkan gugus fungsional

 Hidrolase Reaksi Hidrolisis

 Liase Penambahan ikatan rangkap atau sebaliknya

 Isomerase Reaksi Isomerasi

 Ligase atau Sintetase Pembentukan ikatan dengan pemecahahan ATP

Sebagai contoh, bila menggunakan sistem ini, “urease” menjadi “ urea amidohidrolase.

4.3. Struktur Enzim

Sejumlah enzim memerlukan kofaktor untuk menangani reaksi.  "Assisten"

tersebut adalah senyawa non-protein dan logam.  Kofaktor terikat ke enzim dan

terlibat dalam reaksi dengan melepaskan elektron, proton , atau gugus kimia dari

suatu substrat.

Enzim yang lengkap dengan kofaktor disebut holoenzim, sedangkan jika hanya

bagian dari protein tanpa kofaktor disebut apoenzim (Gambar 4.1.).

Biologi UNM Tahun 2008 80

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Gbr. 4.1. Suatu apoenzim dan kofaktor berkombinasi membentuk haloenzim

Kofaktor molekul organik adalah koenzim. Dalam reaksi oksidasi -reduksi,

koenzim sering melepas elektron dari substrat dan menyerahkan ke molekul lain.

Seringkali elektron ditambahkan ke proton untuk membentuk atom hidrogen

sebelum dilewatkan. Dengan cara ini, koenzim bertindak untuk membawa

energi dalam bentuk elektron (atau atom hidrogen) dari satu senyawa ke

yang lainnya. Contoh koenzim adalah FAD, NAD, biotin atau koenzim A.

Koenzim merupakan molekul relatif kecil dibandingkan dengan bagian enzim. Banyak

koenzim merupakan turunan dari vitamin. Koenzim mengisi sebagian dari sisi aktif,

karena itu tanpa koenzim, enzim tidak dapat berfungsi.

vitamin Koenzim Fungsiniasin Nikotinamida adenin

dinukleotida (NAD)Oksidasi atau transfer hidrogen

riboflavin Flavin adenin dinukleotida (FAD)

Oksidasi atau transfer hidrogen

Asam pantothenat

Koenzim A (KoA) Pembawa gugus asetil

Vitamin B-12 Koenzim B-12 Transfer gugus asetilThiamin (B-1) Thiaminpyrophosphat (TPP) Transfer gugus aldehid

Vitamin adalah molekul organik kecil yang diperlukan dalam jumlah sedikit. Biasanya

bertindak sebagai koenzim atau prekursor koenzim.

Biologi UNM Tahun 2008 81

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Kofaktor anorganik disebut aktivator enzim berupa ion lseperti Mg+2, K+, Cu+2, Mn+2, Na+,

Fe+2, Zn+2 dan Ca+2.

4.4. Mekanisme Kerja Enzim

Mekanisme dasar bagaimana enzim mengkatalisis reaksi kimia dimulai dengan

pengikatan substrat ke sisi aktif (active site) enzim. Sisi aktif merupakan daerah

khusus pada enzim dimana substrat dapat berkombinasi. Pengikatan substrat ke

enzim menyebabkan perubahan dalam distribusi elektron ikatan kimia substrat

dan akhirnya meneyebabkan reaksi mendorong ke pembentukan produk. Produk

dilepas dari permukaan enzim dan enzim kemudian memulai reaksi lagi.

Ada tiga mekanisme kerja katalisis enzim. Ketiganya menguraiakan proses yang

sama, meskipun dengan jalan berbeda, dan kita perlu memahami tentang

masing-masing dintara cara tersebut.

a. Mekanisme reaksi

Di dalam reaksi kimia, substrat (S) dikonversi menjadi produk (P):

S D P

Pada reaksi yang yang dikatalisis enzim, mula-mula substrat berikatan ke sisi

aktif enzim membentuk kompleks enzim-substrat (ES), selanjutnya substrat

dikonversi menjadi produk yang masih berikatan dengan enzim, dan akhirnya

produk kemudian dilepas. Mekanisme tersebut digambarkan sebagai berikut

(Gambar 4.2.):

Biologi UNM Tahun 2008 82

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Gbr. 4.2. Mekanisme kerja enzim

b. Geometri molekul

Lokasi yang aktif mempunyai suatu bentuk geometris yang unik dan

komplementer denga bentuk geomtris substrat.

1). Teori Gembok dan Kunci

Kerja spesifik suatu enzim dengan substrat tunggal dapat dijelaskan

dengan menggunakan analogi Gembok dan Kunci (Lock and Key).

Postulat ini pertama kali dikemukakan oleh Emil Fischer pada tahun 1894.

Dalam analogi ini, Gembok adalah enzim dan Kunci adalah substrat.

Hanya kunci (substrat) dengan bentuk dan ukuran yang bersesuaian

yang cocok masuk ke lobang (sisi aktif) gembok (enzim). Ilustrasi tersebut

digambarkan dalam gambar 4.3.

Biologi UNM Tahun 2008 83

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Gbr. 4.3. Model Teori Gembok dan Kunci

2). Teori Teriduksi-cocok (Induced Fit)

Tidak semua bukti percobaan dapat dijelaskan dengan menggunakan

model yang asumsikan oleh teori Gembok dan Kunci, karena model ini

menganggap enzim sebagai molekul yang sangat kaku. Untuk itu

diusulkan suatu model yang disebut teori terinduksi-cocok.

Teori terinduksi-cocok menganggap bahwa substrat memegang peranan

dalam menentukan bentuk akhir enzim dan bahwa enzim mempunyai

bagian yang fleksibel. Hal ini menjelaskan mengapa senyawa tertentu

dapat berikatan dengan enzim tetapi tidak terjadi reaksi karena bentuk

enzim telah menyimpang terlalu jauh. Molekul lain mungkin terlalu kecil

untuk menginduksinya dan dengan demikian tidak terjadi reaksi. Hanya

substrat yang sesuai dapat menginduksi sisi aktif. Perhatikan gambar

4.4.

Biologi UNM Tahun 2008 84

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Gbr. 4.4. Model Teori Terinduksi-cocok

Interaksi substrat dan sisi aktif: Enzim memiliki berbagai tingkat

spesifisitas. Beberapa enzim mempunyai spesifisitas untuk satu substrat

dan tidak untuk yang lain, sedangkan enzim lainnya bereaksi dengan

substrat dengan gugus fungsi, rantai samping, atau posisi pada rantai

yang serupa.

c. Perubahan Energi

Cara enzim bekerja dapat juga dijelaskan dengan memperhitungkan

perubahan energi yang berlangsung selama reaksi kimia. Kita akan

mempertimbangkan bahwa suatu produk mempunyai tingkat energi lebih

rendah daripada substrat, sehingga substrat secara alami menjadi produk

(dengan kata lain keseimbangan ke arah produk). Sebelum dapat berubah

menjadi produk, substrat harus mencapai suatu “batas energi” yang disebut

energi aktivasi (EA). Energi aktivasi adalah energi yang diperlukan untuk

memulai suatu reaksi. Semakin besar energi aktivasi, semakin lambat reaksi

berlangsung karena hanya sedikit molekul substrat yang mempunyai energi

cukup untuk melampaui pembatas energi aktivasi. Umumnya reaksi fisiologis

mempunyai energi aktivasi besar. Enzim dapat mereduksi energi aktivasi

Biologi UNM Tahun 2008 85

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

suatu reaksi, sehingga banyak molekul dapat dengan mudah melampaui

batas energi aktivasi dan secara cepat beubah menjadi produk (Gambar 4.5.)

Gbr. 4.5. Energi aktivasi yang diperlukan suatu reaksi dengan dan tanpa enzim.

Sebagai contoh, untuk reaksi katalase (2H2O2 à 2H2O + O2) energi aktivasinya

adalah 86 kJ mol-1 dengan tanpa enzim, dan 1kJmol-1 bila dengan enzim katalase.

4.5. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kerja Enzim

Reaksi dengan enzim dapat mencapai 106 – 1012 kali lebih cepat dibanding

reaksi tanpa enzim. Enzim secara khas bereaksi antara 1-10,000 molekul per

detik.

Aktivitas enzim dipengaruhi oleh sejumlah faktor, yaitu:

a. Konsentrasi enzim

Bila konsentrasi substrat cukup tersedia, peningkatan konsentrasi enzim akan

meningkatkan kecepatan reaksi enzim.

Biologi UNM Tahun 2008 86

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

b. Konsentrasi substrat

Pada konsentrasi enzim yang tetap dan konsentrasi substrat rendah,

konsentrasi substrat merupakan faktor pembatas. Apabila konsentrasi

substrat ditingkatkan, kecepatan reaksi enzim akan meningkat. Namun, pada

konsentrasi substrat yang sangat tinggi, enzim akan menjadi jenuh dengan

substrat dan konsentrasi substrat yang lebih tinggi tidak meningkatkan

kecepatan reaksi.

c. Temperatur

Tiap enzim mempunyai temperatur optimum dimana dapat bekerja dengan

baik. Sampai dengan temperatur optimum kecepatan reaksi meningkat

dengan meningkatnya temperatur. Peningkatan kecepatan terjadi karena

molekul enzim dan substrat keduanya mempunyai energi kinetik yang lebih

untuk lebih sering bertabrakan, dan juga karena lebih banyak molekul

mempunyai energi yang cukup untuk melampaui pembatas energi aktivasi.

Biologi UNM Tahun 2008 87

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Peningkatan kecepatan reaksi terkait dengan temperatur dapat dihitung

sebagai Q10 yang berarti peningkatan relatif untuk tiap 10oC.

Bila temperatur terus meningkat di atas temperatur optimum, panas tersebut

menyebabkan enzim mengalami denaturasi. Akibatnya enzim kehilangan

bentuk fungsionalnya oleh rusaknya ikatan hidrogen. Temperatur dingin,

pada sisi lain, menurunkan aktivitas enzim oleh penurunan gerak molekuler.

d. pH

Tiap enzim mempunyai pH optimum yang membantu menjaga bentuk tiga-

dimensiolnya. Perubahan dalam pH dapat menyebabkan denaturasi enzim

dengan mengubah muatan enzim, sebagai contoh gugus R asam karboksil

menjadi tidak bermuatan pada pH rendah (COOH), tetapi bermuatan pada pH

tinggi (COO-). Perubahan ikatan ion enzim berkontribusi dalam bentuk

fungsionalnya.

Untuk kebanyakan enzim pH optimum antara 7-8 (pH fisiologis umumnya

sel), tetapi beberapa enzim dapat bekerja pada pH ekstrem, seperti enzim

protease di dalam lambung hewan, yang mempunyai pH optimum 1.

Biologi UNM Tahun 2008 88

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

5.6. Pengaturan Kerja Enzim

Jalur metabolisme merujuk pada reaksi kimia yang terjadi di dalam sel. Secara

hipotetik jalur metabolisme ditunjukkan berikut ini:

Reaksi terjadi dalam urutan dan dikatalisis oleh enzim khusus pada tiap tahap.

Intermediat dapat digunakan sebagai titik awal untuk jalur berikutnya. Sebagai

contoh, “C” di dalam diagram di atas dapat digunakan untuk menghasilkan “D”

tetapi juga dapat digunakan untuk menghasilkan “F”.

Sel telah membangun mekanisme kontrol untuk mengatur konsentrasi enzim dan

aktivitasnya. Pengaturan enzim terdiri atas:

1. Pengaturan genetik

2. Pengaturan enzim yang telah dihasilkan, yang terdiri atas:

a. Inhibisi kompetitif

b. Inhibisi nonkompetitif

c. Inhibisi feedback

Biologi UNM Tahun 2008 89

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

1. Pengaturan Sintesis Protein (Genetic Regulation)

Enzim adalah protein. Sel dapat mengaturnya dengan membuat lebih atau

kurang dari yang dibutuhkannya. Pengaturan sintesis protein di bahas dalam

mata kuliah lain.

2. Pengaturan Enzim yang Telah Diproduksi

Inhibitor menghambat aktivitas enzim, mereduksi kecepatan reaksi. Inhibitor

terdapat secara alami, tetapi juga dapat dibuat sebagai obat, pestisida dan

bahan penelitian. Terdapat dua macam inhibitor.

a. Inhibitor kompetitif

Molekul inhibitor mempunyai struktur yang serupa dengan molekul substrat

dan bersesuaian dengan sisi aktif enzim. Artinya berkompetisi dengan

substrat untuk sisi aktif (Gambar 4.7.). Dengan demikian, reaksi berlangsung

lebih lambat. Obat anti bakterial merupakan contoh inihibitor kompetitif.

Biologi UNM Tahun 2008 90

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Gbr. 4.7. Inhibitor kompetitif

b. Inhibitor Nonkompetitif

Bentuk lain inihibisi adalah inihibitor nonkompetitif. Inihibitor ini berikatan

pada sisi allosterik enzim. Sisi allosterik berbeda lokasinya dengan sisi aktif

(Gambar 4.8).

Gbr. 4.8. Inhibitor nonkompetitf

Pengikatan suatu inhibitor pada sisi allosterik menyebabkan perubahan bentuk

enzim, dimana sisi aktif mengalami distorsi sehingga tidak dapat berfungsi.

Pengikatan biasannya bersifat temporer. Racun adalah inhibitor yang berikatan

secara irreversibel. Sebagai contoh, penicilin menghambat enzim yang

diperlukan bakteri untuk membangun dinding selnya.

Penghambatan Umpan-balik (Feedback Inhibiton)

Penghambatan umpan-balik negatif seperti halnya termostat. Bila kondisi dingin,

termostat menyalakan pemanas sehingga menghasilkan panas. Panas

menyebabkan pemanas termostat kembali memadamkan pemanas. Panas

mempunyai efek negatif terhadap termostat; ini merupakan umpan-balik

terhadap tahap awal dalam urutan terkontrol seperti dalam diagram berikut:

Biologi UNM Tahun 2008 91

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Sejumlah jalur enzimatik diatur dengan penghambatan umpan-balik. Bila produk

enzim terakumulasi, produk tersebut menghentikan enzim, seperti halnya panas

menyebabkan termostat kembali menghentikan produksi panas. Produk akhir

jalur reaksi berikatan secara allosterik pada enzim pertama dalam jalur dan

menghentikan urutan reaksi berikutnya (Gambar 4.9.dan 4.10). Pada umumnya

sel mengalami Penghambatan umpan-balik.

Gbr. 4.9. Penghambatan umpan-balik

Biologi UNM Tahun 2008 92

Fisiologi Tumbuhan Drs. Ismail, M.S.

Gbr. 4.10. Penghambatan umpan-balik

Biologi UNM Tahun 2008 93