Enzim

Rajah riben enzim asetilkolinasterase

Enzim ialah sejenis protein yang bertindak sebagai pemangkin organik yang dapat mengawal atur serta mempercepatkan tindak balas biokimia dalam sel.

Struktur

1. Substrat ialah bahan yang ditindak balas oleh enzim.
2. Kofaktor ialah bahan bukan protein dalam bentuk ion logam (contoh: magnesium dan kalium) atau molekul organik (contoh: koenzim A) yang diperlukan bagi pengaktfan enzim tertentu.
3. Perencat ialah bahan kimia yang melambatkan atau menghentikan suatu tindak balas atau proses kawalan enzim.
4. Bahan kimia yang mengambil bahagian dalam metabolisme sel dikenali sebagai metabolit.
5. Setiap proses biokimia terdiri daripada satu siri tindak balas biokimia.

Sejarah

Pada tahun 1958, Daniel Koshland telah mencadangkan hipotesis kunci dan mangga. Enzim merupakan struktur yang fleksibel. Tapak aktif enzim boleh diubahsuai semasa substrat bertindak balas dengan enzim. Tapak aktif yang dibina oleh asid amino adalah seperti acuan getah; mampu mengembang dan menguncup mengikut bentuk substratnya. Kadang kala, molekul substrat pula yang berubah sedikit apabila membuat ikatan dengan tapak aktif enzim.

Tatanama dan pengelasan

Enzim dinamakan mengikut substrat yang ditindakkan olehnya dengan akhiran -ase. Sebagai contoh, enzim sukrase menguraikan sukrosa kepada glukosa dan fruktosa. Nama-nama enzim yang telah lama wujud tetap dikekalkan, misalnya renin, tripsin dan pepsin. Sebuah pengelasan piawai enzim telah diterbitkan oleh Kesatuan Biokimia dan Biologi Molekul Antarabangsa, iaitiu nombor EC (Enzyme Commision, 'Suruhanjaya Enzim'). Pengelasan tahap teratas adalah seperti yang berikut:

• EC 1: Oksidoreduktase (enzim redoks) - enzim yang membantu dalam tindak balas redoks (pengoksidaan atau penurunan) substrat;
• EC 2: Transferase (enzim pemindah) - enzim yang mengubah kumpulan berfungsi substrat;
• EC 3: Hidrolase (enzim hidrolisis) - enzim yang memangkinkan hidrolisis (penguraian substrat dengan molekul air);
• EC 4: Liase (enzim lisis/pengurai) - enzim yang menguraikan substrat tanpa teknik pengoksidaan dan hidrolisis;
• EC 5: Isomerase (enzim pengisomeran) - enzim yang menguruskan pengisomeran substrat (pertukaran bentuk substrat kepada isomer substrat asal);
• EC 6: Ligase (enzim ligasi) - enzim yang menggabungkan dua substrat dengan ikatan kovalen;
• EC 7: Translokase (enzim translokasi) - enzim yang memangkinkan pemindahan ion/molekul merentasi membran ataupun pemisahan daripada membran.

Pengelasan tahap-tahap bawahan pula berdasarkan substrat, hasil dan mekanisme khusus sesebuah enzim.

Ciri umum enzim

Enzim merupakan sejenis protein yang dihasilkan oleh sel hidup. Kewujudan enzim adalah penting dalam pelbagai proses biokimia di dalam organisma hidup. Salah satu ciri penting enzim ialah kebolehannya bertindak secara spesifik, di mana setiap jenis enzim hanya berinteraksi dengan substrat tertentu. Sebagai contoh, enzim sukrase hanya bertindak balas dengan sukrosa dan tidak dengan maltosa, walaupun keduanya adalah jenis gula.

Tindak balas enzim juga boleh berbalik bergantung kepada kehadiran substrat dan hasil. Contohnya, tindak balas penguraian lemak boleh berlaku dari kiri ke kanan atau sebaliknya sehingga mencapai keseimbangan antara kedua-dua substrat. Ini menunjukkan fleksibiliti enzim dalam menyesuaikan arah tindak balas mengikut keperluan biokimia.

Walaupun diperlukan dalam kuantiti yang kecil, enzim memainkan peranan yang besar dalam memungkinkan bilangan besar tindak balas biokimia berlaku. Keunikan enzim juga terletak pada kebolehannya untuk digunakan berulang kali tanpa dimusnahkan selepas tindak balas selesai. Ini menjadikan enzim ekonomikal dan efisien dalam proses biokimia.

Suhu juga memainkan peranan penting dalam aktiviti enzim, di mana suhu optimum bagi tindak balas enzim adalah pada suhu badan manusia iaitu 37 °C. Pada suhu ini, enzim mencapai aktiviti maksimumnya. Walau bagaimanapun, suhu yang terlalu tinggi atau terlalu rendah boleh mengganggu struktur enzim dan mengurangkan aktivitinya.

Tapak sintesis enzim

DNA, atau deoksiribonukleik asid, merupakan penyimpan maklumat genetik dalam sel hidup. Maklumat yang diperlukan untuk sintesis enzim terkandung dalam struktur DNA. Proses sintesis enzim bermula dengan transkripsi, di mana heliks ganda DNA terbuka dan satu untai tunggal molekul RNA dibentuk. Proses ini dikenali sebagai transkripsi.

Selepas itu, molekul RNA yang terhasil meninggalkan nukleus dan bergerak ke sitoplasma, tempat ribosom berada. Di sinilah proses penting penterjemahan berlaku. Ribosom bertindak sebagai tapak di mana maklumat yang dibawa oleh RNA digunakan untuk membentuk molekul enzim yang diperlukan oleh sel. Proses ini membolehkan sel untuk menterjemahkan maklumat genetik yang disandikan dalam DNA menjadi produk protein yang aktif.

Jadi, DNA memainkan peranan penting dalam penyediaan maklumat yang diperlukan untuk sintesis enzim melalui proses transkripsi dan penterjemahan. Tanpa DNA yang betul, sel tidak dapat menghasilkan enzim yang diperlukan untuk pelbagai fungsi biokimia dan proses metabolik dalam organisma hidup. Ini menunjukkan betapa pentingnya peranan DNA dalam kehidupan sel dan kesinambungan proses biologi.

Faktor-faktor yang mempengaruhi aktiviti enzim

Suhu enzim

• Enzim tidak aktif pada suhu kurang daripada 0^oC.
• Kadar tindak balas enzim meningkat dua kali ganda bagi setiap kenaikan suhu 10^oC.
• Kadar tindak balas enzim paling optimum pada suhu 37^oC. Enzim ternyahasli pada suhu tinggi iaitu lebih dari 50^oC.

Nilai pH

• Setiap enzim bertindak paling cekap pada nilai pH tertentu yang disebut sebagai pH optimum.
• pH optimum bagi kebanyakan enzim ialah pH 7.
• Terdapat beberapa pengecualian, misalnya enzim pepsin di dalam perut bertindak balas paling cekap pada pH 2, sementara enzim tripsin di dalam usus kecil bertindak paling cekap pada pH 8.

Kepekatan substrat

• Pada kepekatan substrat rendah, bilangan molekul enzim melebihi bilangan molekul substrat. Oleh itu,cuma sebilangan kecil molekul enzim bertindak balas dengan molekul substrat.
• Apabila kepekatan substrat bertambah, lebih molekul enzim dapat bertindak balas dengan molekul substrat sehingga ke satu kadar maksimum.
• Penambahan kepekatan substrat selanjutnya tidak akan menambahkan kadar tindak balas kerana kepekatan enzim menjadi faktor pengehad.

Kepekatan enzim

• Pada kepekatan enzim rendah, bilangan molekul substrat melebihi bilangan molekul enzim. Oleh itu, cuma sebilangan kecil molekul substrat ditindak balas dengan molekul enzim.
• Apabila kepekatan enzim bertambah, lebih molekul substrat dapat bertindak balas dengan molekul enzim sehingga ke satu kadar maksimum.
• Penambahan kepekatan enzim selanjutnya tidak akan menambahkan kadar tindak balas kerana kepekatan substrat menjadi faktor pengehad.

Mekanisme tindakan enzim

Model Kunci dan Mangga

1. Tindakan enzim boleh dijelaskan melalui hipotesis mangga dan kunci kerana penggabungan substrat kepada enzim menyerupai pemasangan kunci kepada mangga.
2. Substrat dianggap sebagai kunci dan enzim sebagai mangga. Konsep ini digunapakai kerana substrat (mangga) akan berpecah dua setelah bergabung pada tapak aktif enzim (kunci untuk memecahkan substrat).
3. Hipotesis ini dapat menerangkan mengapa tindakan enzim adalah spesifik.
4. Semasa proses tindak balas biokimia berlaku, enzim bergabung dengan substrat secara sementara untuk membentuk suatu kompleks enzim-substrat di tapak aktif enzim.
5. Substrat menjadi hasil di dalam kompleks enzim-substrat.
6. Kemudian hasil yang terbentuk akan meninggalkan tapak aktif enzim. Enzim tidak berubah dan bebas digunakan semula.

ENZIM + SUBSTRAT --> KOMPLEKS ENZIM-SUBSTRAT --> ENZIM + HASIL terdapat 3 tindakan enzim: 1) koenzim 2) perencatan tidak bertanding 3) perencatan organofosfat

Model fit teraruh

Selama bertahun-tahun, saintis berpendapat bahawa pengikatan enzim-substrat berlaku dalam fesyen "mangga-dan-kunci" yang mudah. Model ini menegaskan bahawa enzim dan substrat sesuai dengan sempurna dalam satu langkah serta-merta. Walau bagaimanapun, penyelidikan semasa menyokong pandangan yang lebih halus tentang saintis yang memanggil kesesuaian teraruh (Rajah 1). Model ini mengembangkan model kunci dan kunci dengan menerangkan interaksi yang lebih dinamik antara enzim dan substrat. Apabila enzim dan substrat bersatu, interaksi mereka menyebabkan perubahan sederhana dalam struktur enzim yang mengesahkan susunan pengikatan yang ideal antara enzim dan keadaan peralihan substrat. Pengikatan yang ideal ini memaksimumkan keupayaan enzim untuk memangkinkan tindak balasnya.

Apabila enzim mengikat substratnya, ia membentuk kompleks enzim-substrat. Kompleks ini menggalakkan perkembangan pesat tindak balas dalam satu daripada banyak cara. Pada peringkat asas, enzim menggalakkan tindak balas kimia yang melibatkan lebih daripada satu substrat dengan membawa substrat bersama dalam orientasi yang optimum. Kawasan yang sesuai (atom dan ikatan) bagi satu molekul disandingkan dengan kawasan yang sesuai bagi molekul lain yang mana ia mesti bertindak balas. Satu lagi cara enzim menggalakkan tindak balas substrat adalah dengan mewujudkan persekitaran optimum dalam tapak aktif untuk tindak balas berlaku. Tindak balas kimia tertentu mungkin berjalan dengan baik dalam persekitaran yang sedikit berasid atau bukan kutub. Sifat kimia yang muncul daripada susunan tertentu sisa asid amino dalam tapak aktif mewujudkan persekitaran yang sempurna untuk substrat khusus enzim bertindak balas.

Kompleks enzim-substrat juga boleh memudahkan tindak balas dengan membengkokkan molekul substrat sedemikian rupa untuk memudahkan pemecahan ikatan, membantu mencapai tindak balas untuk meneruskan. Akhirnya, enzim juga boleh memudahkan tindak balas dengan mengambil bahagian dalam tindak balas kimia itu sendiri. Sisa asid amino boleh menyediakan ion atau kumpulan kimia tertentu yang sebenarnya membentuk ikatan kovalen dengan molekul substrat sebagai langkah yang perlu dalam proses tindak balas. Dalam kes ini, adalah penting untuk diingat bahawa enzim akan sentiasa kembali ke keadaan asalnya apabila tindak balas selesai. Salah satu ciri ciri enzim ialah ia kekal pada akhirnya tidak berubah oleh tindak balas yang dimangkinkannya. Selepas enzim memangkinkan tindak balas, ia mengeluarkan produknya.

Penggunaan enzim dalam kehidupan seharian

Enzim digunakan dalam industri kimia serta pengunaan industri lain apabila pemangkin tertentu diperlukan untuk dalam sesuatu prosedur tertentu. Ia biasanya terhad kepada bilangan tindak balas yang perlu dimangkinkan serta kestabilan yang sedia ada apabila bercampur dengan larutan organik atau didedahkan kepada suhu yang tinggi. Oleh sebab itu, suatu bidang khas telah diwujudkan bagi menjuruterakan protein-protein tertentu bagi menghasilkan enzim yang bercirikan baru dan dikehendaki sama ada melalui reka bentuk yang rasional mahupun evolusi secara in vitro. Usaha-usaha ini kini mula membuahkan hasil, dan terdapat enzim-enzim yang diperoleh secara rekaan daripada kajian yang dilakukan untuk memangkinkan tindak balas yang tidak berlaku secara semulajadi.

Amilase - Terdapat dalam detergen untuk menyingkirkan kotoran seperti coklat, kari dan telur daripada pakaian. -Ditambah dalam proses pencairan kanji sebelum penambahan malt dalam industri alkohol.

Protease - Melembutkan daging. -Membantu menanggalkan kulit ikan dalam industri pengetinan ikan.

Selulase - Melembutkan sayur-sayuran yang tinggi kandungan serabutnya. -Mengeluarkan kulit daripada bijirin seperti gandum. -Mengasingkan agar-agar daripada rumpai laut dengan menguraikan dinding sel daun rumpai dan membebaskan agar-agar yang terkandung dalamnya.

Papain - Enzim yang diperoleh daripada betik untuk melembutkan daging.

Zimase - Dihasilkan oleh yis untuk memecahkan gula kepada etanol.

Renin - Mendadihkan susu.

Lipase - Mengurangkan lemak dalam makanan seperti daging. -Bertindak balas terhadap lemak susu dalam penyediaan keju.

Kofaktor

Rencana utama untuk kategori ini ialah Kofaktor (biokimia).

Sesetengah enzim tidak memerlukan komponen tambahan untuk menunjukkan aktiviti penuh. Yang lain memerlukan molekul bukan protein yang dipanggil kofaktor untuk terikat untuk aktiviti. Kofaktor boleh sama ada bukan organik (cth., ion logam dan gugusan besi-sulfur) atau sebatian organik (cth., flavin dan heme). Kofaktor ini mempunyai banyak tujuan; sebagai contoh, ion logam boleh membantu dalam menstabilkan spesies nukleofilik dalam tapak aktif. Kofaktor organik boleh sama ada koenzim, yang dibebaskan daripada tapak aktif enzim semasa tindak balas, atau kumpulan prostetik, yang terikat rapat dengan enzim. Kumpulan prostetik organik boleh terikat secara kovalen (cth., biotin dalam enzim seperti piruvat karboksilase).

Perencat

Kadangkala kadar tindak balas enzim juga boleh terencat oleh beberapa perencat enzim;

Bersaing (kompentetif)

Perencat dan substrat yang kompetitif tidak boleh mengikat enzim pada masa yang sama. Selalunya perencat kompetitif sangat menyerupai substrat sebenar enzim. Sebagai contoh, ubat methotrexate adalah perencat kompetitif enzim dihydrofolate reductase, yang memangkinkan pengurangan dihydrofolate kepada tetrahydrofolate. Persamaan antara struktur dihidrofolat dan ubat ini ditunjukkan dalam angka yang disertakan. Perencatan jenis ini boleh diatasi dengan kepekatan substrat yang tinggi. Dalam sesetengah kes, perencat boleh mengikat tapak selain daripada tapak mengikat substrat biasa dan memberikan kesan alosterik untuk menukar bentuk tapak mengikat biasa.

Bukan Bersaing

Perencat bukan kompetitif mengikat ke tapak selain daripada tempat substrat mengikat. Substrat masih terikat dengan pertalian biasa dan oleh itu Km kekal sama. Walau bagaimanapun perencat mengurangkan kecekapan pemangkin enzim supaya Vmax dikurangkan. Berbeza dengan perencatan kompetitif, perencatan bukan kompetitif tidak dapat diatasi dengan kepekatan substrat yang tinggi.

Bacaan lanjut

• Berg, Jeremy M; Tymoczko, John L; Stryer, Lubert (2002). Biochemistry (ed. 5th). New York, NY: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-3051-0. , A biochemistry textbook available free online through NCBI Bookshelf.
• Suzuki H (2015). How Enzymes Work: From Structure to Function. Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 978-981-4463-92-8.