Enzimrffik*fiii Peter J. Kennelly, PhD & Viclor ' W. Rodwell, PhD PERAN BIOMEDIS asam D-amino. Karena berikatan dengan substrat melalui titik perlekatan", enzim bahkan dapat mengubah sub xrat nonc h iral menjadi prod tk c h iral. Gambar 7-1 melukiskan mengapa redulai substrat piruvat nonchiral yang dikatalisis oleh enzim menghasilkan L-laktat dan bukan campuran rasemik Dlaktat dan L-laktat. Spesifisitas enzim yang sangat tinggi memberi sel hidup kemampuan untuk sedikitnya "tiga Enzim adalah polimer biologis yang mengatalisis reaksi kimia yang memungkinkan berlangsungnya kehidupan seperti yang kita kenal. Keberadaan dan pemeliharaan rangkaian enzim yang lengkap dan seimbang merupakan hal yang esensial untuk menguraikan nutrien menjadi energi dan chemical building block (bahan dasar kimiawi); menyusun bahan-bahan dasar tersebut menjadi protein. DNA, membran, sel, dan jaringan; serra memanfaatkan secara bersamaan melaksanakan dan secara independen mengontrol beragam proses kimiawi. energi untuk melakukan motilitas sel, fungsi saraf, dan kontraksi otot. Dengan pengecualian molekul RNA katalitik atau ribozim, enzim adalah protein. Kekurangan jumlah atau aktivitas katalidk enzim-enzim kunci dapat terjadi akibat kelainan genetik, kekurangan gizi, atau toksin. Defek enzim ENZIM DIKLASIFIKASIKAN BERDASARKAN TIPE REAKSI Nama-nama yang paling sering digunakan untuk kebanyakan enzim menjelaskan tipe reaksi yang dikatalisis, diikuti oleh dapat disebabkan oleh mutasi genetik atau infeksi oleh akhiran -ase. Contohnya, dehidrogenase mengeluarkan atom-atom hidrogen, protease menghidrolisis protein, virus atau bakteri patogen (misalnya Vibrio cholerae). Para ilmuwan kedokteran mengatasi ketidakseimbangan aktivitas enzim dengan menggunakan bahan farmakologis untuk menghambat enzim-enzim tertentu dan sedang meneliti terapi gen sebagai cara untuk mengobati defisiensi jumlah dan isomerasr mengatalisis tata-ulang dalam konfigurasi. Pemodifikasi dapat teletak di depan atau di belakang nama enzim untuk menjelaskan substrat enzim (xantin olaidase), sumber enzim (ribonuklease panhreas), pengaturannya atau Fungsi enzim. (lipase peka-hormon), atau suatu gambaran dari mekanisme kerjanya (protease sistein). Jika diperlukan, ditambahkan penanda alfanumerik untuk menunjukkan berbagai bentuk suatu enzim (misalnya RNA polimerase III; protein kinase ENZIM ADATAH KATATIS YANG EFEKTIF & SANGAT SPESIFIK cp). Untuk menghilangkan ambiguitas, International Union of Biochemists (IUB) menciptakan suatu sistem terpadu tatanama enzim yaitu setiap enzim memiliki nama dan Enzim yang mengatalisis perubahan satu atau lebih senyawa (substrat) menjadi satu atau lebih senyawa lain (produk) meningkatkan laju reaksi setidaknya 106 kali dibandingkan jika tidak dikatalisis. Seperti semua katalis lain, enzim kode khusus yang menunjukkan tipe reaksi yang dikatalisis dan .substrat yang terlibat. Enzim dikelompokkan ke dalam tidak berubah secara permanen atau dikonsumsi sebagai konsekuensi dari keikutsertaannya dalam reaksi yang bersangkutan. enam kelas: 1. Oksidoreduktase (mengatalisis oksidasi dan 2. duksi) Transferase (mengatalisis pemindahan gugus seperti gugus glikosil, metil, atau fosforil) Selain sangat efisien, enzim juga merupakan katalis yang sangat selektifl Tidak seperti kebanyakan katalis yang digunakan dalam bidang kimia sintetik, enzim bersifat re- 3. Hidrolase (mengatalisis pemutusan hidrolitilz C-C, C-O, C-N, dan ikatan lain) 4. Liase, mengatalisis pemutusan C-C, C-O, C-N, dan ikatan lain dengan eliminasi atom yang spesifik baik bagi tipe reaksi yang dikatalisis maupun substrat atau substrat-substrat yang berhubungan erat. Enzim juga merupakan katalis stereospesifik dan biasanya mengatalisis reaksi dari hanya satu stereoisomer suatu senyawa, misalnya, D-gula, tetapi bukan L-gula, asam L-amino, tetapi bukan menghasilkan ikatan rangkap 53 / 54 BAGIAN l: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM kovalen atau,nonkovalen. Contoh-contohnya antara lain adalah piridoksal fosfat, flavin mononukleotida (FMN)' flavin adenin dinukleotida (FAD), tiamin pirofosfat, biotin, dan ion logam Co, Cu, Mg, Mn, dan Zn. Logam v /-\ g( V adalah gugus prostetik yang paling sering di.fumpai. Sekitar sepertiga dari semua enzim mengandung ion-ion logam yang terikat erat dan disebut metaloenzim. Ion-ion logam yang ) ,: Bagian enzim Substral Gambar 7-1. Representasi planar dari "perlekatan tiga-titik" suatu substrat ke bagian (tempat) aktif sebuah enzim. Meskipun atom dan 4 identik, namun jika atom 2 dan 3 telah melekat ke bagian -l komplementernya di enzim, hanya atom yang dapat terikat. Karena itu, jika telah berikatan dengan enzim, atom-atom yang tampak serupa dapat dibedakan, dan hal ini memungkinkan perubahan 1 kimiawi stereospesifik. 5. Isomerase 6. (mengatalisis perubahan geometrik atau struktural di dalam satu molekul) Ligase (mengatalisis penyatuan dua molekul yang dikaitkan dengan hidrolisis AIP). Meskipun sistem IUB ini jelas, namun nama-nama enzim menjadi panjang dan relatif tidak praktis sehingga kita biasanya tetap menamai enzim berdasarkan nama tradisionalnya meskipun kadang-kadang nama itu 'menyesatkan. Nama IUB untuk heksokinase melukiskan kejelasan sekaligus kompleksitas sistem IUB. Nama IUB untuk heksokinase adalah AIP:D-heksosa 6-fosfotransferase E.C.2.7.1.1. Nama ini menunjukkan heksokinase sebagai anggota dari kelas 2 (transferase), subkelas 7 (pemindahan satu gugus fosforil), sub-subkelas I (alkohol adalah alaeptor fosforil), dan "heksosa-6" menunjukkan bahwa alkohol yang terfosforilasi berada di karbon enam heksosa. Namun, kita terus menyebutnya sebagai heksokinase. ikut serta dalam reaksi redoks umumnya berikatan dengan gugus prostetik, misalnya heme (Bab 6) atau kelompok besisulfur (Bab 12).Logamjuga mempermudah pengikatan dan orientasi substrat, pembentukan ikatan kovalen dengan zatzat antara reaksi (Co2- pada koenzim B,r), atau berinteraksi dengan substrat untuk menyebabkannya lebih elektrofilik (kekurangan elektron) atau nukleofilik (kaya elektron). Kofoktor Berikqlon Secoro Reversibel dengon Enzim ofou Substrot Kofaktor memiliki fungsi serupa dengan gugus Prostetik tetapi berikatan secara transien dan mudah terlepas dengan enzim atau subsuat, misalnya ATP. Tidak seperti gugus prostetik yang terikat secaia stabil, kofaktor harus terdapat dalam medium di sekitar enzim agar katalisis dapat terjadi. Kofaktor yang paling umum adalah ion logam. Enzim yang memerlukan kofaktor ion logam disebut enzim yang diaktifkan oleh logam (meul-actiaated enzjrmes) :untuk membedakannya dafi metaloenzim dengan ion logam berfungsi sebagai gugus prostetik. Koenzim Berfungsi Sebogoi Pengongkut Substrqt Koenzim berfungsi sebagai pengangkut-atau bahan pemindah gugus-yang dapat didaur-ulang dan memindahkan banyak substrat dari tempat pembentukannya ke tempat GUGUS PROSTETIK, KOFAKTOR. & KOENZIM BERPERAN PENTING DATAM KATATISIS Banyak enzim mengandung berbagai molekul nonprotein kecil dan ion logam yang ikut serta secara langsung dalam katalisis atau pengikatan substrat. Molekul/ion ini, yang disebut gugus prostetik, kofaktor, dan koenzim, memperluas ragam kemampuan katalisis melebihi yang dimungkinkan oleh gugus fungsional (yang jumlahnya terbatas) di rantai samping aminoasil peptida. Gugus Prostetik Terintegrosi Erot ke dolom Struktur Enzim Gugus prostetik dibedakan berdasarkan integrasinya yang kuat dan stabil ke dalam struktur protein melalui Saya-gaya pemakaiannya. Ikatan dengan koenzim juga menstabilkan substrat, seperti atom hidrogen atau ion hidrida yang ddak stabil dalam lingkungan cair sel. Gugus kimia lain yang diangkut oleh koenzim antara lain adalah gugus metil (folat), gugus asil (koenzim A), dan oligosakarida (dolikol). Bonyok Koenzim, Kofoktor, & Gugus Prcstetik odqlqh Turunon Vitomin B Vitamin B larut-air merupakan komponen penting berbagai koenzim. Selain vitamin B, beberapa koenzim mengandung gugus adenin, ribosa, dan fosforil AMP atau ADP (Gbr' 7-2). Nikotinamid adalah komponen koenzim redoks NAD dan NADB sementara riboflavin adalah komponen koenzim redoks FMN dan FAD. Asam pantotenat adalah komponen dari koenzim A pengangkut gugus asil. Sebagai pirofosfatnya, tiamin ikut serta dalam dekarboksilasi asam BAB Z; ENZIM:MEKANISME KEUA / 55 ENZIM MENGGUNAKAN BANYAK MEKANISME UNTUK MEMPERMUDAH KATALISIS Enzim menggunakan berbagai kombinasi dari empat ---cH- tl k"j HHH O:P*O* mekanisme umum unruk mempercepar laju reaksi kimia. | HO Kotqlisis kqrenq Kedekoton Agar dapat bereaksi, molekul-molekul harus berada dalam jarakyang cukup dekat untuk membentuk ikatan saru sama lain. Semakin tinggi konsentrasinya, akan semakin sering molekul-molekul itu bertemu saru sama lain dan semakin besar laju reaksinya. Ketika mengikat molekul substrat di bagian aktifnya, enzim rnenciptakan suaru regio dengan konsentrasi substrat lokal yang tinggi. Lingkungan ini juga secara spasial mengatur arah molekui-molekul substrat sehingga diperoleh posisi ideal untuk berinteraksi. Hal tersebut menyebabkan laju reaksi meningkat sedikitnya seribu kali lipat. OH j#i o:l-o-?*, o- l..l I r") H_H HO Kotolisis Asom-Bosq 'ffi. UntukNAD.,R=H. Gugus-gugus fungsional yang dapat terionisasi pada rantai samping aminoasil dan (jika ada) pada gugus prosrerik o-keto dan koenzim asam folat dan kobamid berfungsi berperan dalam katalisis dengan berfungsi sebagai asam atau basa. Katalisis asam-basa dapat bersifat spesifik arau umum. "Spesifik' dalam hal ini diartikan hanya proton (HrO-) atau ion OH-. Pada katalisis asarn spesifik atau basa spesifik" Gambar 7-2. Struktur NAD. dan NADP*. UntukNADP-,R=PO,,. dalam metabolisme satu-karbon. laju reaksi peka terhadap perubahan dalam konsentrasi proton, tetapi tidak bergantung pada konsentrasi asam lain KATATISIS TERJADI DI BAGIAN AKTIF Spesifisitas substrat yang ekstrem dan efisiensi katalitik enzimyang tinggi mencerminkan adanya lingkungan yang dirancang sedemikian cermar hanya untuk satu reaksi tertentu. Lingkungan ini yang disebut bagian/tempat aktif (actiue s//), umumnya berbentuk celah atau kantung. Bagian aktif pada enzim multimerik sering terletak pada pertemuan anura subunit-subunit dan merekrut residuresidu dari lebih satu monomer. Bagian aktif tiga-dimensi ini melindungi substrat dari pelarut dan mempermudah katalisis. Substrat mengikat bagian aktifdi regio yang bersifat komplementer dengan bagian substra t yang ti d/1 k mengalami perubahan kimiawi sewakru reaksi berlangsung. Pengikaran ini secara simultan menyatukan bagian-bagian substrat yang ahan mengalami perubahan dengan gugus-gugus fungsional residu peptidil aminoasil. Bagian aktif juga mengikat dan mengarahkan kofaktor atau gugus prosrerik. Banyak residu amino asil yang diperoleh dari berbagai bagian rantai polipeptida (Gambar 7-3) lkut serra menentul<an karakter tiga dimensi dan ukuran yang besar pada bagian aktif. Arg 145 *'* oH NH:/-.4.*-NH' I ./"\ l- ll oe| ..H- /;\.,2 i H t /.v=o'" )p I H-9-C,. /N 'N-H'' ll[\l\.r) i " tl'-^i' His 196 '"'...... 4\: Tyr248 I -or-G\CH '-'znr''" I' o\ C'.o: llr\\ ctu72 His ...,. 69 \vrq [ / I H Gambar 7-3. Cambaran dua-dimensi sebuah substrat dipeptida, glisil{irosin yang terikat'di dalam bagian aktif karboksipeptidase A. 56 / BAGIAN l: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM Ala /c{o +E E*cHo..LE \\ /cH NH. olt f rE-Cl-l,NH- KG CH.NH. '+E / Glu , , E-cHo Glu KG Pyr CHO kompleks masing-masinS Gambar 7-4.Mekanisme "ping-pong" untuk transaminasi. E-CHO dan E-CHTNH' Tewakll] Clu, ) KC, cx,-ketoglutarat; (Ala, piruvat; Pyr, alanin; Slutamat enzim-piridoksal fosfat dan "nii.-piridoksamin. (donor proton) atau basa (akseptor proton) yang terdapat di dalam larutan atau di bagian aktif. Reaksi yang lajunya responsifterh adap semua asam atau basa yang ada dikatakan dapat mengalami katalisis basa umum atau asam umum' Kqtqlisis dengon "Poksoqn" Enzim yang mengatalisis reaksi lisis yang menyebabkan putusnya ikatan kovalen biasanya mengikat substratnya d"l"- suatu konformasi yang agak sedikit kurang dengan perubahan-Perubahan dinamik yang menyertai k"t"'iirir. Kekurangan ini diatasi oleh Daniel Koshland yang mengajukan model induced rtt' y^ng menyatakan bahwa ketika mendekati dan berikatan dengan enzim, substrat menginduksi perubahan konformasi pada enzim' yaitu perubahan yang analog dengan memasukkan tangan irr'rbrti"t) ke dalam sarung tangan (enzim) (Gambar 7-5)' Akibat wajarnya adalah bahwa enzim memicu perubahan timbal-balik pada substrat dengan memanfaatkan energi ikatan untuk memfasilitasi transformasi substrat menjadi oleh mengikat studi-studi biofisik pergerakan enzim sewaktu menguntungkan bagi ikatan yang akan putus tersebut' produk. Model induced Konformasi yang terjadi akan meregangkan atau mendistorsi ikatan sasaran, melemahkannya, dan menyebabkannya lebih rentan terputus. substrat. ft ini rclah banyak dibuktikan Kcrrqlisis Kovqlen PROTEASE HIV MENGGAMBARKAN KATALISIS ASAM.BASA Proses katalisis kovalen melibatkan pembentukan suatu ikatan kovalen antara enzim dan satu atau lebih substrat' Enzim pada famili aspartat Protease yang mencakup Enzim yang telah mengalami modifikasi tersebut kemudian menjadi suatu reaktan. Katalisis kovalen memasukkan suatu jalur reaksi baru dengan energi aktivasi yang lebih rendah-dan karena itu lebih cepat-daripada jalur realai dalam larutan homogen. Namun, modifikasi kimiawi pada enzim bersifat transien. Setelah reaksi selesai, enzim kembali ke keadaannya sebelurn termodifikasi. Jadi, peran enzim tersebut tetap katalitik. Katalisis kovalen sering terjadi pada enzim-enzim yang mengatalisis reaksi pemindahan enzim pencernaan pepsin, katepsin lisosom, dan protease fN'7 \/ M I gugus. Residu di enzim yang ikut serta dalam katalisis Lo,od..r umumnya adalah sistein atau serin dan kadangkadang histidin. Katalisis kovalen sering mengikuti suatu "ping-pong", yaitu mekanisme dengan substrat ^.k"rrir*. pertama yang terikat dan produknya dibebaskan sebelum substrat keduanya terikat (Gamb ar 7 -4) ' SUBSTRAT MENGINDUKSI PERUBAHAN KONFORMASI PADA ENZIM Pada akhir abad ke-19, Emil Fischer mengibaratkan ikatan yang sangat spesifik antara enzim dan substratnya sebagai kunci dan anak kuncinya. Meskipun perumPamaan "kunci dan anak kuncinya' dapat menjelaskan spesifisitas yang sangat tinggi pada interaksi enzim-substrat' namun kesan bahwa bagian aktif enzim bersifat kaku tidak sesuai Gambar 7-5. Cambaran dua-dimensi model induced tt Koshland untuk bagian aktif sebuah iase. Pengi katan substrat.A-B menginduksi perubahin konformasi di enzim yang menyeja.iarkan residu-residu latalitik yang ikut serta dalam katalisis serta meregangkan ikatan antara A dan B sehingga ikatan tersebut mudah putus' I BAB Z: ENZIM:MEKANISME o<- K ini dengan mendonasikan sebuah proton ke gugus amino yang terbentuk setelah putusnya ikatan peptida. Kedua tH 6t'-ro /o-H 9Y li CH, CH e=fv I o"l* * At *'t.fl ?) NTC_R H,/': \ciH ,l \ ti l'rl R'\ //N-H HHO o.@ \\/ I cH. I AspX *o melibatkan zat antata asil enzim kovalen. Sebuah residu seril yang sangat reaktif, serin 195, ikut serta dalam "charge-relay netu,,ork" dengan histidin 57 dan asparrar 102. Di bagian aktif, residuresidu yang terpisah jauh dalam struktur primer ini, berada dalam jarak yang cukup dekat untuk membentuk ikatan satu sama lain. Dalam rangkaian Asp 102-His 57-Ser 195, residu-residu ini membentuk "charge-relay network" yang berfungsi sebagai'pemindah proton." ll + C-R H oo 'il I cH_ cH, Asp Y Asp X t' oleh aspartar prorease hidrolitik langsung air pada ikaran pepdda, katalisis oleh serin protease kimotripsin melibatkan pembentukan serangan \ ll cH. AspY KIMOTRIPSIN & FRUKTOS A.2,6. BISFOSFATASE ADATAH CONTOH KATALISIS KOVATEN Sementara katalisis H. o.poo \\_,/ cc aspartat yang berbeda bagian aktifnya dapat bekerja secara bersamaan sebagai basa umum atau sebagai asam umum karena lingkungan sekitarnya mempermudah ionisasi salah satunya, tetapi bukan keduanya. Kimolripsin I 1,H \7 SZ transisi tetrahedral. Aspartat kedua (Asp Y, Gambar 7-6) kemudian memfasilitasi dekomposisi zat antara tetrahedral ,, / t*-31* H/" LH ..ot o,.. KEUA / l- Gambar 7-6. Mekanisme katalisis oleh suatu aspartat protease misalnya protease HlV. Tanda panah melengkung menun.jukkan arah gerakan elektron. O Aspartat X bekerja sebagai basa untuk mengaktifkan molekul air dengan mengambil sebuah proton.@ Molekul air yang telah aktif menyerang ikatan peptida, membentuk zat antara tetrahedral yang bersifat sementara. @ Aspartat y bekerja sebagai asam untuk mempermudah pemutusan zat antara tetrahedral dan membebaskan produk-produk pecahan dengan memberikan sebuah proton ke gugus amino yang baru terbentuk. Pemindahan proton selan.iutnya dari Asp X ke Asp y memulihkan protease ke keadaan awalnya. yang diprodulai oleh virus imunodefisiensi manusia (HI\t, memiliki kesamaan mekanisme katalisis. Katalisis melibatkan dua residu aspartil yang bekerja sebagai katalis asam-basa. Pada tahap perrama reaksi, sebuah asparrat yang berfungsi sebagai basa umum (a.p X, Gambar 7-6) mengekstraksi Terikatnya substrat memicu pergeseran proton yang selanjutnya memindahkan proron hidroksil Ser 195 ke Asp 102 (Gambar 7-7). Peningkatan nukleofilisitas oksigen seril mempermudah serangannya ke karbon karbonil ikatan peptida substrat yang membentuk suatu zat antara asilenzim kovalen. Proton di Asp 102 kemudian berpindah melalui His 57 ke gugus amino yang dibebaskan ketika ikatan peptida rerpurus. Bagian pepdda asli dengan satu gugus amino bebas kemudian meninggalkan bagian aktif enzim dan digantikan oleh molekul air. Charge-relay network kini mengaktifkan molekul air dengan menarik sebuah proton melalui His 57 ke Asp 102. Ion hidroksida yang terbentuk menyerang zat antara asil-enzim dan pergeseran balik proton mengembalikan proron ke Ser 195 yang memulihkan keadaannya semula. Kimotripsin, meskipun menga.lami modifikasi sewakru proses katalisis, muncul tanpa perubahan ketika reaksi selesai. Tiipsin dan elastase menggunakan mekanisme katalitik serupa, tetapi jumlah residu di pemindah proron Ser-His-Asp berbeda. Fru ktosq -2,6-Bisfosfqtqse yakni suatu enzim regulatorik sebuah proton dari molekul air dan menyebabkannya lebih Fruktosa-2,6-bisfosfatase, bersifat nukleofilik. Nukleofil yang terbentuk ini kemudian menyerang karbon karbonil elektrofilik pada ikatan peprida yang menjadi sasaran hidrolisis yang membentukzatantafa pada glukoneogenesis (Bab 20), mengatalisis pembebasan hidrolitik fosfat di [arbon 2 fruktosa 2,6-bisfosfat. Gambar 7-8 melukiskan peran ketujuh residu bagian aktif enzim. 58 / BAGIAN l: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM HO lil Rr-N-rC-Rr O n /-{^ -'\ o-\ -&-t H , N.\N.Y-H1-O_ ct{. }rrss { I Asp 102 His 57 oq H I * -*T o r*z'i\J \,/ n-" 14 R? I I I E-P. Fru-6-P E-P. E.P Ser 195 I I Asp 102 E . Fru-2,6-P" O- His 57 R,-NH. \\c-R. I @ o\ oro@*n- ruAnt I Ser 195 Asp 102 His ". \-* @ o*S*l7<*_-\F>,,* Asp l= 102 His 57 HzO Gamhar 7-8. Katalisis oleh fruktosa-2,6-bisfosfatase. (1) Lys 356 dan Arg 257, 3O7, dan 352 menstabilkan muatan negatif quadruple Clu 327 menstabilkan substrat melalui interaksi antarmuatan muatan positif di His 392. (2) Nukleofil His 392 menyerang gugus fosforil C-2 dan memindahkannya ke His 258 yang membentuk suatu zat antara fosforil-enzim. Fruktosa-6-fosfat meninggalkan enzim tersebut. (3) Serangan nukleofilik oleh molekul air, mungkin . dibantu oleh Clu 327 yang bekerja sebagai sebuah basa dan membentuk fosfat anorganik. (4) Ortofosfat anorganik dibebaskan dari Arg 257 dan Arg 307 (Diproduksi ulang dengan izin dari Pilkis Sl et o Asp 102 His 57 al: 6-Phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisfosfatase: A metabolic signaling enzyme. Annu Rev Biochem 1995;64:799. O by Annual Reviews, www' annualreviews.orS. Dicetak ulang dengan izin)' HOOC-R- n-o-'-r @ oo o9---n-ruAr+'q, Ser 1e5 T His 57 AsP"102 Gambar 7-7. Katalisis oleh kimotripsin. O Sistem charge-relay mengeluarkan satu proton dari Ser 195, menyebabkannya menjadi .195 yang telah aktif menyerang nukteofil yang lebih kuat. @ Ser ikatan peptida membentuk suatu zat antara tetrahedral transien. @ Pembebasan peptida terminal amino dipermudah oleh donasi sebuah proton ke gugus amino yang baru terbentuk oleh His 57 dari 'l sistem charge-relay ini menghasilkan zat antara asil-Ser 95. @ His 57 dan Asp 102 berkolaborasi untuk mengaktifkan satu molekul air yang menyerang asil-Ser 195 dan membentuk zat antara te-trahedral kedua. O Sistem charge-relay mendonasikan satu proton ke Ser 195 yang mempermudah penguraian zat antara tetrahedral untuk membebaskan peptida terminal karboksil @. Katalisis melibatkan "trias katalitik' residu satu Glu dan dua His serta satu zat antara fosfohistidil kovalen. RESIDU KATALITIK BERSIFAT CONSERVED' 'H'GHLY Anggota-anggota dari suatu famili enzim, misalnya Protease aspartat atau serin menggunakan mekanisme serupa untuk mengatalisis suanr tipe reaksi tetapi bekerja pada substrat yang berbeda. Famili-famili enzim tampaknya btrasal dari proses duplikasi gen yang menciptakan salinan kedua dari enzim tefientu. Protein yang disandi oleh g..r y".rg -.ttyandi Ledua gen kemudian dapat mengalami evolusi secara mandiri untuk mengenal substrat yang berbeda-dan membentuk, contohnya, kimotripsin, yang memecah ikatan peptida di BAB Z: ENZIM:MEKANISME KEUA / 59 Tabel T-1. Sekuens asam amino di sekitar tempat katalitik beberapa protease sapi. Regio yang diperlihatkan adalah regio di kedua sisitempat katalitik residu seril (S)dan histidil (H) sisi terminal karboksil asam-asam amino hidrofob besar; dan tripsin yang memuruskan ikatan peptida di sisi terminal karboksil asam-asam amino basa. Kesamaan nenek-moyang (asal-mula) enzim dapat diperkirakan dari adanya asam-asam amino spesifik di posisi yang sama di setiap anggota famiii enzim. Residu-residu ini disebut sebagai conseraed residues (residu yang tidak mengalami perubahan evolusi). Protein- protein yang memiliki banyak residu jenis ini dianggap bersifat homolog saru sama lain. Tabel 7-1 menggambarkan konservasi struktur primer dua komponen dari charge-relay network untuk beberapa prorease serin. Residu-residu yang l\ * u t ikut serta secara langsung dalam katalisis termasuk dalam rT residu dengan derajat konservasi yang tinggi. ISOZIM ADATAH BENTUK ENZIM BERBEDA YANG MENGATATISIS REAKSI YANG SAMA Organisme tingkat-tinggi sering mengeluarkan beberapa versi yang secara fisik berbeda dari suatu enzim, dan masingmasing mengatalisis reaksi yang sama. Seperti anggota famili protein lainnya, katalis-katalis protein atau isozim ini berasal dari duplikasi gen. Isozim dapat memperlihatkan perbedaan ringan dalam sifat seperti sensitivitas terhadap faktor regulatorik terrenru (Bab 9) atau afinitas substrat (misalnya heksokinase dan glukokinase) yang mengadaptasikan isozim ke jaringan atau lingkungan tertentu. Sebagian isozim juga dapat meningkatkan kelangsungan hidup dengan 1 ffi 4 Gambar 7-9. Pengamatan langsung proses pemutusan DNA tunggal yang dikatalisis oleh suatu endonuklease restriksi. Molekul DNA yang telah diimobilisasi menjadi manik-manik (abu-abu) diletakkan dalam suatu aliran arus dapar (tanda panah tebal), yang menyebabkan konformasinya memanjang. Pemutusan di satu tempat restriksi (ditandai oleh warna) oleh suatu endonuklease menyebabkan molekul DNA memendek yang dapat diamati secara langsung dengan mikroskop karena basa-basa nukleotida pada DNA memperlihatkan fluoresensi. Meskipun endonuklease (lingkaran terbuka) tidak memperlihatkan fluoresensi, dan karenanya tidak terlihat, namun cara molekul DNA memendek secara progresif (1 + 4) mengungkapkan bahwa endonuklease berikatan dengan ujung bebas molekul DNA dan bergerak tersebut dari satu tempat ke tempat lain. di sepanjang molekul menyediakan salinan "cadangan" suatu enzim esensial. AKTIVITAS KATATITIK ENZIM MEMPERMUDAH DETEKSINYA yang sesuai (iihat Bab 8), laju reaksi katalitik yang dipantau setara dengan jumlah enzim yang ada, yang memungkinkan kita mengukur konsentrasi enzim. Jumlah enzim yang relatif sedikit di dalam sel mempersulit penentuan keberadaan dan konsentrasi enzim tersebut. Enzimologi Molekul Tunggol Namun, kemampuan untuk secara cepar mengubah Terbatasnya sensitivitas pengukuran konsentrasi enzim ribuan molekul suatu substrat rerrentu menjadi produk tradisional mengharuskan digunakannya sekelompok besar, memudahkan masing-masing enzim untuk mengungkapkan keberadaanya. Pengukuran aktivitas katalitik enzim sering digunakan dalam laboratorium klinis dan riset. Pada kondisi atau ansambel, molekul enzim untuk menghasilkan produk dalam jumlah yang dapat diukur. Oleh sebab itu, data yang diperoleh mencerminkan kemampuan katalitik rata-rara 60 / BAGIAN l: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM masing-masing molekul. Kemajuan-kemajuan terkini dalam bidang nanoteknologi memungkinkan kita mengamati' biasanya dengan mikroskop fuoresen, katalisis oleh masingmasing enzim dan molekul substrat. Oleh karena itu, para ilmuwan kini dapat mengukur laju proses katalisis tunggal dan kadang-kadang masing-masing tahap dalam katalisis oleh suatu proses yang disebut enzimologi molekul tunggal (single molecule en4rnologli (Gambar 7-9). Penemuon Obqr Memerlukqn Pemeriksoqn Enzim yong Sesuoi untuk Penopison 'High' Throughput'' Enzim adalah satu dari beberapa kelas utama biomolekul yang menjadi sasaran untuk pembuatan obat dan agen terapeutik lain. Contohnya, banyak antibiotik menghambat enzim yang khas untuk mikroba patogen. Penemuan obat baru sangat dipermudah jika kita dapat memeriksa secara cepat dan otomatis sejumlah besar farmakofor potensial- suatu proses yang disebut sebagai bigh'throughput screening. Pemeriksaan penyaring high-throughput ini ideal untuk menyurvei berbagai produk combinatorial chernistry, sintesis secara bersamaan berbagai senyawa kimia yang mengandung semua kemungkinan kombinasi dari satu set zat kimia prekursor. Pemeriksaan kadar enzim yang menghasilkan produk kromagenik atau fluoresen merupakan hal ideal dalam bigh-tbrougbput screening karena detektor optik dapat dirancang secara mudah untuk menganaiisis jumlah banyak. secara cepat sampel dalam Enzyme-Li nked lm m u noa s sdrl Sensitivitas pengukuran enzim dapat digunakan untuk mende- teksi protein yang tidak memiliki aktivitas katalitik. Enzyme' linhed immt"moassay (ELISA) menggunakan antibodi yang secara kovalen terhubung ke suatu "enzim reportel'misalnya alkali fosfatase atau peroksidxe horseradish (sejenis tanaman lobak) yang produk-produknya mudah didetetsi, umumnya melalui penyerapan sinar atau dengan fluoresensi' Serum atau sampel biologis lain yang akan diperiksa diletakkan dalam lempeng mikrotiter plastik, tempat protein melekat pada permukaan plastik dan tidak dapat bergerak. Semua permukaan penyerap dinding sumur yang tersisa kemudian "diblok' dengan menambahkan protein nonantigenik, misalnya albumin serum sapi. Kemudian ditambahkan suatu larutan antibodi lang diikat secara kovalen ke suatu enzim reponer. Antibodi melekat pada antigen yang telah diimobilisasi sehingga ikut terimobilisasi. Kelebihan molekul antibodi bebas kemudian dihilangkan dengan pembilasan. Keberadaan dan jumlah antibodi yang terikat kemudian ditentukan dengan menambahkan substrat untuk enzim reporter tersebut. Dehidrogenqse Dependen-NAD(P). Diperikso Secqro Spektrofotometris Sifat fisikokimia reaktan dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim menentukan jenis pemeriksaan yang dapat digunakan untuk menilai aktivitas enzim. Pemeriksaan spektrofotometri memanfaatkan kemampuan suatu subsffat atau produk unruk menyerap sinar. Koenzim tereduksi NADH dan NADPH yang ditulis sebagai NAD(P)H, menyerap cahaya pada panjang NAD(P)teredulai, (Gambar NAD(P)7-10). Jika tidak demikian penyerapan pada340 nm meningkat sebanding dengan--dan gelombang 340 nm, sedangkan bentuk teroksidasinya dengan kecepatan yang ditentukan oleh-jumlah NAD(P)H yang dihasilkan. Sebaliknya, untuk suatu dehidrogenase yang mengatalisis oksidasi NAD(P)H, akan dijumpai penurunan penyerapan pada 340 nm. Pada masing-masing kasus tersebut, laju perubahan dalam densitas optik pada 340 nm akan sebanding dengan jumlah enzim yang ada. Bonyok Enzim Diukur dengon Menggobungkqnnyq ke Dehidrogenose Pengukuran enzim dengan reaksi yang tidak disertai oleh perubahan penyerapan atau fluoresensi umumnya lebih sulit' 200 250 300 350 400 Panjang gelombang (nm) Gambar 7-10. Spektrum absorpsi NAD- dan NADH. Densitas adalah untuk larutan 44 mg/L dalam sebuah sel dengan jalur sinar 1 cm. NADP. dan NADPH masing-masing memiliki spektrum yang analog dengan NAD. dan NADH. produk atau substrat yang tersisa dapat yang lebih mudah dideteksi. Pada menjadi senyawa diubah reaksi mungkin perlu dipkahkan iain, produk yang kasus sebelum diukur. Strategi bereaksi tidak yang substrat dari suatu substrat sintetik merancang dengan adalah alternatif atau berfuoresensi' sinar menyerap yang produk dengan Pada beberapa kasus, BAB Z: ENZIM: MEKANISME Contohnya, p-nitrofenil fosfat adaiah substrat artifisial untuk fosfatase rertentu dan untuk kimotripsin yang tidak KEUA / OI Tabel 7-2. Enzim serum utama yang digunakan dalam diagnosis klinis. menyerap sinar tampak. Namun, setelah hidrolisis, anionp- nitrofenilat yang terbentuk akan menyerap sinar pada 419 Pendekatan yang sangat umum lainnya adalah menerapkan pengukuran "gabungan" (Gambar 7-11). Biasanya, suatu dehidrogenase dengan substrat berupa produk enzim yang akan diteliti ditambahkan ke dalam kelebihan kataiitik. Laju kemuncuian arau menghilangnya NAD(P)H akan bergantung pada laju reaksi enzim rempar dehidrogenase digabungkan. ANATISIS ENZIM TERTENTU MEMBANTU DIAGNOSIS Dari ribuan enzim berbeda yang ada di tubuh manusia, enzim-enzim yang fungsinya tidak-tergantikan bagi vitalitas sel akan terdapat di seluruh jaringan tubuh. Enzim iain atau isozim diekspresikan hanya di sel tertentu pada periode tertentu perkembangan, atau sebagai respons terhadap perubahan fisiologis atau patofisiologis tertentu. Analisis tentang keberadaan dan distribusi enzim d2n i567lm-dsng2n ekspresi yang biasanya spesifik untuk jaringan, waktu, arau lingkungan-sering membantu penegakan diagnosis. Enzim Plqsmo Nonfungsionol Membqntu Menentukon Diignosis & Prognosis Enzim dan proenzim tertenru serta substratnya terdapat setiap saat dalam darah orang normal dan menjalankan fungsi Glukosa -- nre,rvrg'. V I IHEKS'K'NASEI oo''tn'. It Glukosa,6-foslat f ,uqo,ryuqr-l |'-rtaoP' IDEH|DROGENASEII _ \ + INADPHI+ H. 6-Fosfoglukonolakton Gambar 7-1'l . Pemeriksaan enzim gabungan untuk aktivitas heksokinase. Pembentukan glukosa 6Josfat oleh heksokinase dikaitkan dengan oksidasi produk ini oleh glukosa-6-fosfat dehidrogenase dengan keberadaan enzim tambahan dan NADP.. Jika terdapat kelebihan glukosa-6-fosfat dehidrogenase, laju pembentukan NADPH, yang dapat diukur pada 340 nm, ditentukan oleh laju pembentukan glukosa 6Josfat oleh heksokinase. Catatan: Banyak enzim di atas tidak spesifik untuk pen),akit ),ang tercantum. fisiologis dalam darah. Contoh enzim plasma fungsional ini antara lain adalah lipoprotein lipase, pseudokolinesterase, dan proenzim koagulasi darah dan pelarutan bekuan darah (Bab 50). Sebagian besar enzim ini disintesis dan disekresi oleh hati. Plasma juga mengandung banyak enzim lain yang fungsi fisiologisnya dalam darah tidak diketahui. Enzim plasma yang tampaknya nonfungsional ini berasal dari kerusakan normal rutin eritrosit, leukosit, dan sel lain. Kerusakan ataLr nekrosis jaringan akibat cedera atau penyakit umumnya disertai peningkatan kadar beberapa enzim plasma nonfungsional. Tabel 7-2 mencantrtmkan beberapa enzim yang digunakan dalam enzimologi diagnostik. lsozim loktot Dehidrogenose Digunqkqn untuk Mendeteksi lnfork Miokqrdium L-Laktat dehidrogenase adalah enzim tetramerik yang keempat subunitnya terdapat dalam dua bentuk iso (isoform) yang dinamai H (untuk jantung) dan M (untuk otot). Subunit-subunit ini dapat berkombinasi seperti diperlihatkan di bawah untuk menghasilkan isozim L-laktat dehidrogenase yang secara katalitik aktif: 62 / BAGIAN l: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM lsozim Loktot Dehidrogenose l1 l2 dalam sampel bioiogis dan forensik. Pada teknik PCR, suatu HHHH HHHM l4 HHMM HMMM l5 MMMM l3 DNA polimerase yang termostabil yang diarahkan oleh primer oligonukleotida yang sesuai menghasilkan ribuan salinan dari suatu sampei DNA yang pada awalnya terdapat dalam kadar yang terlalu rendah untuk dideteksi secara Subunit iangsung. Deteksi res*ietion fragment lengtb pofumorpbisms (RFLP) memungkinkan kita meiakukan deteksi pranatal berbagai penyakit herediter, sePerti sifat sel sabit, talasemia Subunit H dan M disandi oleh gen-gen tersendiri yang ekspresinya diatur secara diferensial di berbagai jaringan' Karena jantung mengekspresikan subunit H hampir secara eksklusif, isozim I, mendominasi di jaringan ini. Sebaliknya' isozim I, mendominasi di hati. Dalam plasma secara normal beta, fenilketonuria bayi, dan penyakit Huntington. Deteksi RFLP melibatkan p€mutusan DNA untai ganda oleh dehidrogenase. Setelah suatu endonuklease restriksi, yang dapat mendeteksi perubahan ringan pada DNA yang memengaruhi temPat-tempat pengenalannya (recognized sites). Bab 39 menyajikan rincian infark miokardium atau pada penyakit hati, jaringan yang lebih ianjut mengenai pemakaian PCR dan enz'im-enzim rusak membebaskan berbagai bentuk iso laktat dehidrogenase restriksi untuk diagnosis. yang khas ke dalam darah. Peningkatan kadar isozim I' atau I, yan1terjadi dapat dideteksi dengan memisahkan berbagai iigo-.. laktat dehidrogenase dengan eiektroforesis dan DNA REKOMBINAN MERUPAKAN ALAT PENTING UNTUK MEMPETAIARI ENZIM t.rdap"i sejumlah kecil laktat mengukur aktivitas katalitiknya (Gambar 7 -12). Teknologi DNA rekombinan telah muncul sebagai aset penting dalam penelitian rentang enzim. lJntuk meneliti itrrlktur dan fungsi enzim diperlukan sampel enzim dengan tingkat kemurnian yang sangat tinggi' Ir4engisolasi suatu enzim, terutama yang terdapat daiam konsentrasi rendah, dari ribuan protein yang ada daiam sebuah sel mungkin sangat sulit dilakukan. Jika gen untuk enzim yang bersangkutan telah dapat diklon, biasanya kita dapat ENZIIYI MEMPERMUDAH DIAGNOSIS PENYAKIT GENETIK Meskipun banyak penyakit telah lama diketahui disebabkan oleh perubahan pada DNA seseorang, namun teknik atau alat untuk mendeteksi mutasi genetik hanya baru-baru ini iersedia secara luas. Teknik-teknik ini mengandalkan efisiensi katalitik dan spesifisitas katalis enzim. Contohnya, reaksi berantai polimerase Qtolymerase chain reactioz, PCR) mengandalkan kemampuan enzim untuk berfungsi sebagai penguat katalitik untuk menganalisis DNA yang terdapat {Laktat) SH S menghasilkan sejumlah besar protein yang disandi oleh gen ,..r.Lrr, melalui Escherichia coli atau sei ragi. Namun, tidak semua protein hewani dapat diekspresikan dalam bentuk aktif di sel mikroba. Demikian iuga dengan mikroba' tid:rk (Piruvat) Jantung NAD. NADH + H PMS teroksidasi (tidak berwarna) formazan biru) (LDH) dalam serum manusia' lsozinr Cambar 7-,t2.pola normal dan patologis berbagai isozim laktat dehidrogenase penggunakan skema reaksi penggabungan yang dengan LDH pada serum dipisahkun oleh elekiroforesis dan c{ilihat kunun tampak elektroferogram yang telah Di metilsulfat). fenazin PMS, (NBT, tetrazolium; nitroblue kir,i. di diperlihatkan serum normal; dan C adalah diwarnai. pola A adalah serum dari seorang pasien dengan infark miokardium; B adalah isozim LDH spesifik' serum dari seorang pasien dengan penyakit hati. Angka-angka menandai BAB Z: ENZIM: MEKANISME dapat melaksanakan proses-proses pengolahan pascatranslasi tertentu. Oleh sebab itu, suatu gen dapat diekspresikan dalam biakan sistem sel hewan yang menggunakan vektor ekspresi baculovirus untuk mentransformasikan biakan sel serangga. Untuk rincian lebih lanjut mengenai teknik DNA rekombinan, lihat Bab 39. sering menyandi suatu tempat pemutusan untuk suatu protease yang sangat spesifik misalnya trombin di regio yang menghubungkan dua bagian protein. Hal ini memungkinkan kita mengeiuarkan domain fusi yang ditambahkan tersebut seteiah tindakan pemurnian afi nitas. Jika kemampuan untuk mengekspresikan suatu protein Teknologi DNA rekombinan juga dapat digunakan untuk menciptakan protein modifikasi yang mudah dimurnikan dengan kromatografi afinitas. Gen dari protein yang bersangkutan dikaitkan ke suatu sekuens oligonukleotida yang menyandi suatu perpanjangan terminal karboksil atau amino ke protein yang disandi tersebut. Protein modifikasi yang terbentuk, disebut protein fusi, mengandung suatu domain yang dirancang untuk berinteraksi dengan matriks afinitas spesifik. Salah satu pendekatan yang populer adalah melekatkan suatu oligonukleotida yang menyandi enam ta!' ("berlabel histidin') yang diekspresikan ini kemudian mengikat matriks kromatografik yang mengandung ion iogam divalen, misalnya Ni2-. Cara lain, domain pengikat-substrat pada glutation S-transferase (GST) dapat berfungsi sebagai "GST tad'. Gambar 7-13 melukiskan pemurnian suatu protein fusi-GST dengan menggunakan matriks afinitas dari gen klon-nya telah diperoleh, residu-residu aminoasil spesifik dari protein tersebut dapat diubah dengan mengubah kodon-kodonnya menggun akan site-directed mutagenesis. Pendekatan ini, jika digunakan bersama dengan analisis kinetik dan kristalografi sinar-X, mempermudah kita mengidentifikasi peran-peran spesifik residu aminoasil tertentu pada pengikatan dan katalisis substrat. Contohnya, kesimpuian bahwa suatu residu aminoasil tertentu berfungsi sebagai asam umum dapat diuji dengan me nggaatinya dengan suatu residu aminoasil yang tidak mampu mendonasikan sebuah proton. RINGKASAN . . yang mengandung glutation yang terikat. Protein fusi juga m GST Plasmid yang menyandi GST dengan tempat trombin (T) 63 Mutogene sis Site - Di recfed Mem beri ko n Pemqhomon Mekonistik Profein Fusi Rekombinqn Dimurnikon dengon Kromotogrofi Afiniros residu hisitidin berurutan. Protein " His KEUA / Klon DNAyang menyandi enzim Enzim adalah katalis yang sangat efektifdan spesifik. Gugus prostetik organik dan anorganik, kofaktor, dan koenzim berperan penting dalam katalisis. Koenzim yang banyak di antaranya berupa turunan dari vitamin B, berfungsi sebagai "pengangkut". . Mekanisme katalitik yang digunakan oleh enzim . mencakup introduksi sra in (vntai), aproksimasi reaktan, katalisis asam-basa, dan katalisis kovalen. Pada semua kelas dari suatu enzim tertentu, residu aminoasil yang Disatukan GST ikut serta dalam katalisis sangat terkonservasi (tidak berubah selama evolusi) Substrat dan enzim saling memicu perubahan konformasi yang mempermudah pengenalan dan katalisis substrat Aktivitas katalitik enzim mengungkapkan keberadaannya, mempermudah deteksinya, da4 menjadi dasar bagi berbagai pemeriksaan enzyme- linked immunoassay. Banyak enzim dapat diukur secara spektrofotometrik dengan menggabungkannya ke dehidro genase dependen- NAD(P).. Ilmu kimia kombinatorial menghasilkan beragam aktivator dan inhibitor enzim potensial yang dapat diuji dengan h igh- t hro ughp u! screen i ng. Pengukuran enzim plasma membantu diagnosis dan prognosis. Contohnya, infark miokardium meningkatkan kadar isozim I, laktat dehidrogenase dalam serum. Gambar 7-13. Pemakaian protein fusi glutation S-transf-erase (CST) untuk memurnikan protein rekombinan- (CSH, Blutation.) Endonukiease restriksi mempermudah diagnosis penyakit genetik dengan mengungkapkan restiction fagment length po $morphism. 64 / . BAGIAN l: STRUKTUR & FUNGSIPROTEIN & ENZIM Site-directed mutagenesis yang digunakan untuk mengubah residu yang dicurigai penting dalam katalisis atau pengikatan substrat, memberikan . pemahaman tentang mekanisme kerja enzim. Protein fusi rekombinan, misalnya enzim fusi GST atau enzim berlabel-His mudah dimurnikan dengan kromatografi afinitas. HM, Brik A, Vong C-H. HIV-1 protease: Mechanism and drug discovery. Org Biomol Chem 2003;1:5. GB et al: Metal requirements of a diadenosine pyrophosphatase from Bartonella bacilliformis. Magnetic resonance and kinetic studies of the role of Mn2.. Biochemistry Schoenen F,'Wagner D, lVagner R: Combinatorial compound libraries for drug discovery: An ongoing challenge. Nature Rev Drug Disc 2003;2:222. Goddard J-B Reymond J-L: Enzyme assays for high-throughput screening. Curr Opin Biotech 2004;15:314. Hedstrom L. Serine protease mechanism and specificiry. Chem Rev 2002;102:4501. Ishijima A, Yanagida T: Single molecule nanobioscience. Tiends Biochem REFERENSI Conyers Geysen S ci 200 1 ;26:438. Schafer B, Gemeinhardt H, Greulich KO' Direct microscopic observation of the time course of single-molecule DNA restriction reacdons. Agnew Chem Int Ed 2001 ;40:4663 Silverman RB: The Organic Chemistry of Enzyme-Catalyzed Reactions. Academic Press, 2002. Guide to Suckling CJ: Enzyme Chemistry. Chapman & Hall, 1990. Sundaresan Y Abrol R: Towards a general model for proteinsubstrate stereoselectiviry. Protein Sci 2002;11 :1330. Frank RA'S7, et al: A molecular switch and proton wire synchronize Todd AE, Orengo CA, Thornton JM: Plasticiry of enzyme active sites. tends Biochem Sci 2002;27 :419. 2000;39:2347. Fersht A. Strucnrre and Mechanism in Protein Science: A Enzyme CataQsis and Protein Folding. Freeman, 1999 the active sites in thiamine enzymes. Science2004;306:872 \falsh CT: Enzymatic Reaction Mechanisms. Freeman, 1979.