Enzim adalah biomolekul berupa protein yang berfungsi
sebagai katalis (senyawa yang mempercepat proses reaksi tanpa habis bereaksi)
dalam suatu reaksi kima organik. Molekul awal yang disebut substrat akan
dipercepat perubahannya menjadi molekul lain yang disebut produk. Jenis produk
yang akan dihasilkan bergantung pada suatu kondisi/ zat, yang disebut prometer.
Semua proses biologis sel memerlukan enzim agar dapat berlangsung dengan cukup
cepat dalam suatu arah lintasan metabolisme yang ditentukan oleh hormon sebagai
promoter.
Enzim bekerja dengan cara bereaksi dengan molekul
substrat untuk menghasilkan senyawa intermediat melalui suatu reaksi kimia
organik yang membutuhkan energi aktivasi lebih rendah, sehingga percepatan
reaksi kimia terjadi karena reaksi kimia dengan energi aktivasi lebih tinggi
membutuhkan waktu lebih lama. Sebagian besar enzim bekerja secara khas, yang
artinya setiap jenis enzim hanya dapat bekerja pada satu macam senyawa atau
reaksi kimia. Hal ini disebabkan perbedaan struktur kimia tiap enzim yang
bersifat tetap. Sebagai contoh, enzim amilase hanya dapat digunakan pada proses
perombakan pati menjadi glukosa.
Kerja enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor, terutama
adalah substrat, suhu, keasaman, kofaktor dan inhibitor. Tiap enzim memerlukan
suhu dan pH (tingkat keasaman) optimum yang berbeda-beda karena enzim adalah
protein, yang dapat mengalami perubahan bentuk jika suhu dan keasaman berubah.
Di luar suhu atau pH yang sesuai, enzim tidak dapat bekerja secara optimal atau
strukturnya akan mengalami kerusakan. Hal ini akan menyebabkan enzim kehilangan
fungsinya sama sekali. Kerja enzim juga dipengaruhi oleh molekul lain.
Inhibitor adalah molekul yang menurunkan aktivitas enzim, sedangkan aktivator
adalah yang meningkatkan aktivitas enzim. Banyak obat dan racun adalah
inhibitor enzim.
Struktur dan Mekanisme
Enzim umumnya merupakan protein globular dan ukurannya
berkisar dari hanya 62 asam amino pada monomer 4-oksalokrotonat tautomerase,
sampai dengan lebih dari 2.500 residu pada asam lemak sintase. Terdapat pula
sejumlah kecil katalis RNA, dengan yang paling umum merupakan ribosom. Jenis
enzim ini dirujuk sebagai RNA-enzim ataupun ribozim. Aktivitas enzim ditentukan
oleh struktur tiga dimensinya (struktur kuaterner). Walaupun struktur enzim
menentukan fungsinya, prediksi aktivitas enzim baru yang hanya dilihat dari
strukturnya adalah hal yang sangat sulit. Kebanyakan enzim berukuran lebih
besar daripada substratnya, tetapi hanya sebagian kecil asam amino enzim
(sekitar 3-4 asam amino) yang secara langsung terlibat dalam katalisis. Daerah
yang mengandung residu katalitik yang akan mengikat substrat dan kemudian
menjalani reaksi ini dikenal sebagai tapak aktif. Enzim juga dapat mengandung
tapak yang mengikat kofaktor yang diperlukan untuk katalisis. Beberapa enzim
juga memiliki tapak ikat untuk molekul kecil, yang sering kali merupakan produk
langsung ataupun tak langsung dari reaksi yang dikatalisasi. Pengikatan ini
dapat meningkatkan ataupun menurunkan aktivitas enzim. Dengan demikian ia
berfungsi sebagai regulasi umpan balik.
Sama seperti protein-protein lainnya, enzim merupakan
rantai asam amino yang melipat. Tiap-tiap urutan asam amino menghasilkan
struktur pelipatan dan sifat-sifat kimiawi yang khas. Rantai protein tunggal
kadang-kadang dapat berkumpul bersama dan membentuk kompleks protein.
Kebanyakan enzim dapat mengalami denaturasi (yakni terbuka dari lipatannya dan
menjadi tidak aktif) oleh pemanasan ataupun denaturan kimiawi. Tergantung pada
jenis-jenis enzim, denaturasi dapat bersifat reversibel maupun ireversibel.
Kespesifikan
Enzim biasanya sangat spesifik terhadap reaksi yang ia
kataliskan maupun terhadap substrat yang terlibat dalam reaksi. Bentuk, muatan
dan katakteristik hidrofilik/ hidrofobik enzim dan substrat bertanggung jawab
terhadap kespesifikan ini. Enzim juga dapat menunjukkan tingkat
stereospesifisitas, regioselektivitas, dan kemoselektivitas yang sangat tinggi.
Beberapa enzim yang menunjukkan akurasi dan kespesifikan tertinggi terlibat
dalam pengkopian dan pengekspresian genom. Enzim-enzim ini memiliki mekanisme
“sistem pengecekan ulang”. Enzim seperti DNA polimerase mengatalisasi reaksi
pada langkah pertama dan mengecek apakah produk reaksinya benar pada langkah
kedua. Proses dua langkah ini menurunkan laju kesalahan dengan 1 kesalahan
untuk setiap 100 juta reaksi pada polimerase mamalia. Mekanisme yang sama juga
dapat ditemukan pada RNA polimerase, aminoasil tRNA sintetase dan ribosom.
Beberapa enzim yang menghasilkan metabolit sekunder
dikatakan sebagai “tidak pilih-pilih”, yakni bahwa ia dapat bekerja pada
berbagai jenis substrat yang berbeda-beda. Diajukan bahwa kespesifikan substrat
yang sangat luas ini sangat penting terhadap evolusi lintasan biosintetik yang
baru.
Model “kunci dan gembok”
Enzim sangatlah spesifik. Pada tahun 1894, Emil Fischer
mengajukan bahwa hal ini dikarenakan baik enzim dan substrat memiliki bentuk
geometri yang saling memenuhi. Hal ini sering dirujuk sebagai model “kunci dan
gembok”. Manakala model ini menjelaskan kespesifikan enzim, ia gagal dalam
menjelaskan stabilisasi keadaan transisi yang dicapai oleh enzim. Model ini
telah dibuktikan tidak akurat, dan model ketepatan induksilah yang sekarang
paling banyak diterima.
Model ketepatan induksi
Pada tahun 1958, Daniel Koshland mengajukan modifikasi
model kunci dan gembok, oleh karena enzim memiliki struktur yang fleksibel,
tapak aktif secara terus menerus berubah bentuknya sesuai dengan interaksi
antara enzim dan substrat. Akibatnya, substrat tidak berikatan dengan tapak
aktif yang kaku. Orientasi rantai samping asam amino berubah sesuai dengan
substrat dan mengijinkan enzim untuk menjalankan fungsi katalitiknya. Pada
beberapa kasus, misalnya glikosidase, molekul substrat juga berubah sedikit
ketika ia memasuki tapak aktif. Tapak aktif akan terus berubah bentuknya sampai
substrat terikat secara sepenuhnya, yang mana bentuk akhir dan muatan enzim
ditentukan.
Mekanisme
Enzim dapat bekerja dengan beberapa cara:
Menurunkan energi aktivasi dengan menciptakan suatu
lingkungan yang mana keadaan transisi terstabilisasi (contohnya mengubah bentuk
substrat menjadi konformasi keadaan transisi ketika ia terikat dengan enzim).
Menurunkan energi keadaan transisi tanpa mengubah bentuk
substrat dengan menciptakan lingkungan yang memiliki distribusi muatan yang
berlawanan dengan keadaan transisi.
Menyediakan lintasan reaksi alternatif. Contohnya
bereaksi dengan substrat sementara waktu untuk membentuk kompleks enzim dan
substrat.
Menurunkan perubahan entropi reaksi dengan menggiring
substrat bersama pada orientasi yang tepat untuk bereaksi. Menariknya, efek
entropi ini melibatkan destabilisasi keadaan dasar, dan kontribusinya terhadap
katalis relatif kecil.
Dinamika dan Fungsi
Dinamika internal enzim berhubungan dengan mekanisme
katalis enzim tersebut. Dinamika internal enzim adalah pergerakan bagian
struktur enzim, misalnya residu asam amino tunggal, sekelompok asam amino,
ataupun bahwa keseluruhan domain protein. Pergerakan ini terjadi pada skala
waktu yang bervariasi, berkisar dari beberapa femtodetik sampai dengan beberapa
detik. Jaringan residu protein di seluruh struktur enzim dapat berkontribusi
terhadap katalisis melalui gerak dinamik. Gerakan protein sangat vital, namun apakah
vibrasi yang cepat atau lambat maupun pergerakan konformasi yang besar atau
kecil yang lebih penting bergantung pada tipe reaksi yang terlibat. Namun,
walaupun gerak ini sangat penting dalam hal pengikatan dan pelepasan substrat
dan produk, adalah tidak jelas jika gerak ini membantu mempercepat
langkah-langkah reaksi enzimatik ini. Penyingkapan ini juga memiliki implikasi
yang luas dalam pemahaman efek alosterik dan pengembangan obat baru.
Kofaktor
Beberapa enzim tidak memerlukan komponen tambahan untuk
mencapai aktivitas penuhnya. Namun beberapa memerlukan pula molekul non protein
yang disebut kofaktor untuk berikatan dengan enzim dan menjadi aktif. Kofaktor
dapat berupa zat anorganik (contohnya ion logam) ataupun zat organic (contohnya
flavin dan heme). Kofaktor dapat berupa gugus prostetik yang mengikat dengan
kuat, ataupun koenzim, yang akan melepaskan diri dari tapak aktif enzim semasa
reaksi.
Enzim yang memerlukan kofaktor namun tidak terdapat
kofaktor yang terikat dengannya disebut sebagai apoenzim ataupun apoprotein.
Apoenzim beserta dengan kofaktornya disebut holoenzim (bentuk aktif).
Kebanyakan kofaktor tidak terikat secara kovalen dengan enzim, tetapi terikat
dengan kuat. Namun, gugus prostetik organik dapat pula terikat secara kovalen (contohnya
tiamina pirofosfat pada enzim piruvat dehidrogenase). Istilah holoenzim juga
dapat digunakan untuk merujuk pada enzim yang mengandung subunit protein
berganda, seperti DNA polimerase. Pada kasus ini, holoenzim adalah kompleks
lengkap yang mengandung seluruh subunit yang diperlukan agar menjadi aktif.
Contoh enzim yang mengandung kofaktor adalah karbonat anhidrase, dengan
kofaktor seng terikat sebagai bagian dari tapak aktifnya.
Koenzim
Koenzim adalah kofaktor berupa molekul organik kecil yang
mentranspor gugus kimia atau elektron dari satu enzim ke enzim lainnya. Contoh
koenzim mencakup NADH, NADPH dan adenosina trifosfat. Gugus kimiawi yang dibawa
mencakup ion hidrida (H–) yang dibawa oleh NAD atau NADP+, gugus asetil yang
dibawa oleh koenzim A, formil, metenil, ataupun gugus metil yang dibawa oleh
asam folat, dan gugus metil yang dibawa oleh S-adenosilmetionina. Beberapa
koenzim seperti riboflavin, tiamina, dan asam folat adalah vitamin. Oleh karena
koenzim secara kimiawi berubah oleh aksi enzim, dapat dikatakan koenzim
merupakan substrat yang khusus, ataupun substrat sekunder. Sebagai contoh,
sekitar 700 enzim diketahui menggunakan koenzim NADH. Regenerasi serta
pemeliharaan konsentrasi koenzim terjadi dalam sel. Contohnya, NADPH
diregenerasi melalui lintasan pentosa fosfat, dan S-adenosilmetionina melalui
metionina adenosiltransferase.
Termodinamika
Substrat memerlukan energi yang banyak untuk mencapai
keadaan transisi, yang akan kemudian berubah menjadi produk. Enzim
menstabilisasi keadaan transisi, menurunkan energi yang diperlukan untuk
menjadi produk. Sebagai katalis, enzim tidak mengubah posisi kesetimbangan
reaksi kimia. Biasanya reaksi akan berjalan ke arah yang sama dengan reaksi
tanpa katalis. Perbedaannya adalah, reaksi enzimatik berjalan lebih cepat.
Namun, tanpa keberadaan enzim, reaksi samping yang memungkinkan dapat terjadi
dan menghasilkan produk yang berbeda. Lebih lanjut, enzim dapat menggabungkan
dua atau lebih reaksi, sehingga reaksi yang difavoritkan secara termodinamik
dapat digunakan untuk mendorong reaksi yang tidak difavoritkan secara
termodinamik. Sebagai contoh, hidrolisis ATP seringkali menggunakan reaksi
kimia lainnya untuk mendorong reaksi.
Enzim mengatalisasi reaksi maju dan balik secara
seimbang. Enzim tidak mengubah kesetimbangan reaksi itu sendiri, namun hanya
mempercepat reaksi saja. Sebagai contoh, karbonat anhidrase mengatalisasi
reaksinya ke dua arah bergantung pada konsentrasi reaktan.
(dalam jaringan tubuh; konsentrasi CO2 yang tinggi)
(pada paru-paru; konsentrasi CO2 yang rendah)
Walaupun demikian, jika kesetimbangan tersebut sangat
memfavoritkan satu arah reaksi, yakni reaksi yang sangat eksergonik, reaksi itu
akan menjadi ireversible. Pada kondisi demikian, enzim akan hanya mengatalisasi
reaksi yang diijinkan secara termodinamik.
Kinetika
Mekanisme reaksi enzimatik untuk sebuah subtrat tunggal.
Enzim (E) mengikat substrat (S) dan menghasilkan produk
(P). Kinetika enzim menginvestigasi bagaimana enzim mengikat substrat dengan
mengubahnya menjadi produk. Pada tahun 1902, Victor Henri mengajukan suatu
teori kinetika enzim yang kuantitatif, namun data eksperimennya tidak berguna
karena perhatian pada konsentrasi ion hidrogen pada saat itu masih belum
dititikberatkan. Setelah Peter Lauritz Sorensen menentukan skala pH logaritmik
dan memperkenalkan konsep penyanggaan (buffering) pada tahun 1909, kimiawan
Jerman Leonor Michaelis dan murid bimbingan pascadokotoralnya yang berasal dari
Kanada, Maud Leonora Menten, mengulangi eksperimen Henri dan mengkonfirmasi
persamaan Henri. Persamaan ini kemudian dikenal dengan nama “Kinetika
Henri-Michaelis-Menten” (kadang-kadang juga hanya disebut kinetika
Michaelis-Menten). Hasil kerja mereka kemudian dikembangkan lebih jauh oleh
G.E. Briggs dan J.B.S. Haldane. Penurunan persamaan kinetika yang diturunkan
mereka masih digunakan secara meluas sampai sekarang .
Salah satu kontribusi utama Henri pada kinetika enzim
adalah memandang reaksi enzim sebagai dua tahapan. Pada tahap pertama, subtrat
terikat ke enzim secara reversible, membentuk kompleks enzim-substrat. Kompleks
ini kadang-kadang disebut sebagai kompleks Michaelis. Enzim kemudian
mengatalisasi reaksi kimia dan melepaskan produk.
Enzim dapat mengatalisasi reaksi dengan kelajuan mencapai
jutaan reaksi per detik. Sebagai contoh, tanpa keberadaan enzim, reaksi yang
dikatalisasi oleh enzim orotidina 5-fosfat dekarboksilase akan memerlukan waktu
78 juta tahun untuk mengubah 50% substrat menjadi produk. Namun, apabila enzim
tersebut ditambahkan, proses ini hanya memerlukan waktu 25 milidetik. Laju
reaksi bergantung pada kondisi larutan dan konsentrasi substrat.
Kondisi-kondisi yang menyebabkan denaturasi protein seperti temperatur tinggi,
konsentrasi garam yang tinggi, dan nilai pH yang terlalu tinggi atau terlalu
rendah akan menghilangkan aktivitas enzim. Sedangkan peningkatan konsentrasi
substrat cenderung meningkatkan aktivitasnya.
Untuk menentukan kelajuan maksimum suatu reaksi
enzimatik, konsentrasi substrat ditingkatkan sampai laju pembentukan produk yang
terpantau menjadi konstan. Hal ini ditunjukkan oleh kurva kejenuhan di samping.
Kejenuhan terjadi karena seiring dengan meningkatnya konsentrasi substrat,
semakin banyak enzim bebas yang diubah menjadi kompleks substrat-enzim ES. Pada
kelajuan yang maksimum (Vmax), semua tapak aktif enzim akan berikatan dengan
substrat, dan jumlah kompleks ES adalah sama dengan jumlah total enzim yang
ada. Namun, Vmax hanyalah salah satu konstanta kinetika enzim. Jumlah substrat
yang diperlukan untuk mencapai nilai kelajuan reaksi tertentu jugalah penting.
Hal ini diekspresikan oleh konstanta Michaelis-Menten (Km), yang merupakan
konsentrasi substrat yang diperlukan oleh suatu enzim untuk mencapai setengah
kelajuan maksimumnya. Setiap enzim memiliki nilai Km yang berbeda-beda untuk
suatu subtrat, dan ini dapat menunjukkan seberapa kuatnya pengikatan substrat
ke enzim. Konstanta lainnya yang juga berguna adalah kcat, yang merupakan
jumlah molekul substrat yang dapat ditangani oleh satu tapak aktif per detik.
Kinetika Michaelis-Menten bergantung pada hokum aksi
massa, yang diturunkan berdasarkan asumsi difusi bebas dan pertumbukan acak
yang didorong secara termodinamik. Namun, banyak proses-proses biokimia dan
selular yang menyimpang dari kondisi ideal ini, disebabkan oleh kesesakan
makromolekuler (macromolecular crowding), perpisahan fase enzim/ substrat/
produk, dan pergerakan molekul secara satu atau dua dimensi. Pada situasi
seperti ini, kinetika Michaelis-Menten fractal dapat diterapkan.
Fungsi biologis
Enzim mempunyai berbagai fungsi bioligis dalam tubuh
organisme hidup. Enzim berperan dalam transduksi signal dan regulasi sel,
seringkali melalui enzim kinase dan fosfatase. Enzim juga berperan dalam
menghasilkan pergerakan tubuh, dengan miosin menghidrolisis ATP untuk
menghasilkan kontraksi otot ATPase lainnya dalam membran sel umumnya adalah
pompa ion yang terlibat dalam transpor aktif. Enzim juga terlibat dalam
fungs-fungsi yang khas, seperti lusiferase yang menghasilkan cahaya pada
kunang-kunang. Virus juga mengandung enzim yang dapat menyerang sel, misalnya
HIV integrase dan transcriptase balik.
Salah satu fungsi penting enzim adalah pada sistem
pencernaan hewan. Enzim seperti amilase dan protease memecah molekul yang besar
(seperti pati dan protein) menjadi molekul yang kecil, sehingga dapat diserap
oleh usus. Molekul pati, sebagai contohnya, terlalu besar untuk diserap oleh
usus, namun enzim akan menghidrolisis rantai pati menjadi molekul kecil seperti
maltosa, yang akan dihidrolisis lebih jauh menjadi glukosa, sehingga dapat
diserap. Enzim-enzim yang berbeda, mencerna zat-zat makanan yang berbeda pula.
Pada hewan pemamah biak, mikroorganisme dalam perut hewan tersebut menghasilkan
enzim selulase yang dapat mengurai sel dinding selulosa tanaman.
Beberapa enzim dapat bekerja bersama dalam urutan
tertentu, dan menghasilan lintasan metabolisme. Dalam lintasan metabolisme,
satu enzim akan membawa produk enzim lainnya sebagai substrat. Setelah reaksi
katalitik terjadi, produk kemudian dihantarkan ke enzim lainnya. Kadang-kadang
lebih dari satu enzim dapat mengatalisasi reaksi yang sama secara bersamaan.
Enzim menentukan langkah-langkah apa saja yang terjadi dalam lintasan
metabolisme ini. Tanpa enzim, metabolisme tidak akan berjalan melalui langkah
yang teratur ataupun tidak akan berjalan dengan cukup cepat untuk memenuhi
kebutuhan sel. Dan sebenarnya, lintasan metabolisme seperti glikolisis tidak
akan dapat terjadi tanpa enzim. Glukosa, contohnya, dapat bereaksi secara
langsung dengan ATP, dan menjadi terfosforliasi pada karbon-karbonnya secara
acak. Tanpa keberadaan enzim, proses ini berjalan dengan sangat lambat. Namun,
jika heksokinase ditambahkan, reaksi ini tetap berjalan, namun fosforilasi pada
karbon 6 akan terjadi dengan sangat cepat, demikian juga produk glukosa-6-fosfat
ditemukan sebagai produk utama. Oleh karena itu, jaringan lintasan metabolisme
dalam tiap-tiap sel bergantung pada kumpulan enzim fungsional yang terdapat
dalam sel tersebut.
Kontrol aktivitas
Terdapat lima cara utama aktivitas enzim dikontrol dalam
sel yaitu:
Produksi enzim (transkripsi dan translasi gen enzim)
dapat ditingkatkan atau diturunkan bergantung pada respon sel terhadap
perubahan lingkungan. Bentuk regulase gen ini disebut induksi dan inhibisi
enzim. Sebagai contohnya, bakteri dapat menjadi resistan terhadap antibiotik
seperti penisilin karena enzim yang disebut beta-laktamase menginduksi
hidrolisis cincin beta-laktam penisilin. Contoh lainnya adalah enzim dalam hati
yang disebut sitokrom P450 oksidase yang penting dalam metabolisme obat.
Induksi atau inhibisi enzim ini dapat mengakibatkan interaksi obat.
Enzim dapat dikompartemenkan, dengan lintasan metabolisme
yang berbeda-beda yang terjadi dalam kompartemen sel yang berbeda. Sebagai
contoh, asam lemak disintesis oleh sekelompok enzim dalam sitosol, retikulum
endoplasma, dan aparat golgi, dan digunakan oleh sekelompok enzim lainnya
sebagai sumber energi dalam mitokondria melalui oksidasi.
Enzim dapat diregulasi oleh inhibitordan aktivator.
Contohnya, produk akhir lintasan metabolisme seringkali merupakan inhibitor
enzim pertama yang terlibat dalam lintasan metabolisme, sehingga ia dapat
meregulasi jumlah produk akhir lintasan metabolisme tersebut. Mekanisme
regulasi seperti ini disebut umpan balik negatif karena jumlah produk akhir
diatur oleh konsentrasi produk itu sendiri. Mekanisme umpan balik negatif dapat
secara efektif mengatur laju sintesis zat antara metabolit tergantung pada
kebutuhan sel. Hal ini membantu alokasi bahan zat dan energi secara ekonomis
dan menghindari pembuatan produk akhir yang berlebihan. Kontrol aksi enzimatik
membantu menjaga homeostatis organisme hidup.
Enzim dapat diregulasi melalui modifikasi
pasca-translasional. Ia dapat meliputi fosforilasi, miristoilasi, dan
glikosilasi. Contohnya, sebagai respon terhadap insulin, fosforilasi banyak
enzim termasuk glikogen sintase membantu mengontrol sintesis ataupun degradasi
glikogen dan mengijinkan sel merespon terhadap perubahan kadar gula dalam
darah. Contoh lain modifikasi pasca-translasional adalah pembelahan rantai
polipeptida. Kimotripsin yang merupakan protease pencernaan diproduksi dalam
keadaan tidak aktif sebagai kimotripsinogen di pankreas. Ia kemudian ditranspor
ke dalam perut di mana ia diaktivasi. Hal ini menghalangi enzim mencerna
pankreas dan jaringan lainnya sebelum ia memasuki perut. Jenis prekursor tak
aktif ini dikenal sebagai zimogen.
Beberapa enzim dapat menjadi aktif ketika berada pada
lingkungan yang berbeda. Contohnya, hemaglutinin pada virus influenza menjadi
aktif dikarenakan kondisi asam lingkungan. Hal ini terjadi ketika virus terbawa
ke dalam sel inang dan memasuki lisosom.
PROTEIN
Protein (asal kata protos dari bahasa Yunani yang berarti
“yang paling utama”) adalah senyawa organik kompleks berbobot molekul tinggi
yang merupakan polimer dari monomer-monomer asam amino yang dihubungkan satu
sama lain dengan ikatan peptida. Molekul protein mengandung karbon, hidrogen,
oksigen, nitrogen dan kadangkala sulfur serta fosfor. Protein berperan penting
dalam struktur dan fungsi semua sel makhluk hidup dan virus.
Kebanyakan protein merupakan enzim atau subunit enzim.
Jenis protein lain berperan dalam fungsi struktural atau mekanis, seperti
misalnya protein yang membentuk batang dan sendi sitoskeleton. Protein terlibat
dalam sistem kekebalan (imun) sebagai antibodi, sistem kendali dalam bentuk
hormon, sebagai komponen penyimpanan (dalam biji) dan juga dalam transportasi
hara. Sebagai salah satu sumber gizi, protein berperan sebagai sumber asam
amino bagi organisme yang tidak mampu membentuk asam amino tersebut (heterotrof).
Protein merupakan salah satu dari biomolekul raksasa, selain poliskarida,
lipid, dan polinukleotida, yang merupakan penyusun utama makhluk hidup. Selain
itu, protein merupakan salah satu molekul yang paling banyak diteliti dalam
biokimia. Protein ditemukan oleh Jons Jakob berzelius pada tahun 1838.
Biosintesis protein alami sama dengan ekspresi genetik.
Kode genetik yang dibawa DNA ditranskripsi menjadi RNA, yang berperan sebagai
cetakan bagi translasi yang dilakukan ribosom. Sampai tahap ini, protein masih
“mentah”, hanya tersusun dari asam amino proteinogenik. Melalui mekanisme
pascatranslasi, terbentuklah protein yang memiliki fungsi penuh secara biologi.
Struktur
Protein ini memiliki banyak struktur sekunder beta-sheet
dan alpha-helix yang sangat pendek. Model dibuat dengan menggunakan koordinat
dari Bank Data Protein (nomor 1EDH). Struktur protein dapat dilihat sebagai
hirarki, yaitu berupa struktur primer (tingkat satu), sekunder (tingkat dua),
tersier (tingkat tiga), dan kuartener (tingkat empat):
Struktur primer protein merupakan urutan asam amino
penyusun protein yang dihubungkan melalui ikatan peptida (amida). Frederick
Sanger merupakan ilmuwan yang berjasa dengan temuan metode penentuan deret asam
amino pada protein, dengan penggunaan beberapa enzim protease yang mengiris
ikatan antara asam amino tertentu, menjadi fragmen peptida yang lebih pendek
untuk dipisahkan lebih lanjut dengan bantuan kertas kromatografik. Urutan asam
amino menentukan fungsi protein, pada tahun 1957, Vernon Ingram menemukan bahwa
translokasi asam amino akan mengubah fungsi protein, dan lebih lanjut memicu
mutasi genetik.
Struktur sekunder protein adalah struktur tiga dimensi
lokal dari berbagai rangkaian asam amino pada protein yang distabilkan oleh
ikatan hidrogen. Berbagai bentuk struktur sekunder misalnya ialah sebagai
berikut:
Alpha helix (α-helix, “puntiran-alfa”), berupa pilinan
rantai asam-asam amino berbentuk seperti spiral;
Beta-sheet (β-sheet, “lempeng-beta”), berupa
lembaran-lembaran lebar yang tersusun dari sejumlah rantai asam amino yang
saling terikat melalui ikatan hidrogen atau ikatan tiol (S-H);
Beta-turn, (β-turn, “lekukan-beta”); dan
Gamma-turn, (γ-turn, “lekukan-gamma”).
Struktur tersier yang merupakan gabungan dari aneka ragam
dari struktur sekunder. Struktur tersier biasanya berupa gumpalan. Beberapa
molekul protein dapat berinteraksi secara fisik tanpa ikatan kovalen membentuk
oligomer yang stabil (misalnya dimer, trimer, atau kuartomer) dan membentuk
struktur kuartener.
Contoh struktur kuartener yang terkenal adalah enzim
Rubisco dan insulin.
Struktur primer protein bisa ditentukan dengan beberapa
metode: (1) hidrolisis protein dengan asam kuat (misalnya, 6N HCl) dan kemudian
komposisi asam amino ditentukan dengan instrumen amino acid analyzer, (2) analisis
sekuens dari ujung-N dengan menggunakan degradasi Edman, (3) kombinasi dari
digesti dengan tripsin dan spektrometri massa, dan (4) penentuan massa
molekular dengan spektrometri massa. Struktur sekunder bisa ditentukan dengan
menggunakan spektroskopi circular dichroism (CD) dan Fourier Transform Infra
Red (FTIR). Spektrum CD dari puntiran alfa menunjukkan dua absorbans negatif
pada 208 dan 220 nm dan lempeng beta menunjukkan satu puncak negatif sekitar
210-216 nm. Estimasi dari komposisi struktur sekunder dari protein bisa
dikalkulasi dari spektrum CD. Pada spektrum FTIR, pita amida-I dari puntiran
alfa berbeda dibandingkan dengan pita amida-I dari lempeng beta. Jadi,
komposisi struktur sekunder dari protein juga bisa diestimasi dari spektrum
inframerah.
Struktur protein lainnya yang juga dikenal adalah domain.
Struktur ini terdiri dari 40-350 asam amino. Protein sederhana umumnya hanya
memiliki satu domain. Pada protein yang lebih kompleks, ada beberapa domain
yang terlibat di dalamnya. Hubungan rantai polipeptida yang berperan di
dalamnya akan menimbulkan sebuah fungsi baru berbeda dengan komponen
penyusunnya. Bila struktur domain pada struktur kompleks ini berpisah, maka
fungsi biologis masing-masing komponen domain penyusunnya tidak hilang. Inilah yang
membedakan struktur domain dengan struktur kuartener. Pada struktur kuartener,
setelah struktur kompleksnya berpisah, protein tersebut tidak fungsional.
Kekurangan Protein
Protein sendiri mempunyai banyak sekali fungsi di tubuh
kita. Pada dasarnya protein menunjang keberadaan setiap sel tubuh, proses
kekebalan tubuh. Setiap orang dewasa harus sedikitnya mengonsumsi 1 g protein
per kg berat tubuhnya. Kebutuhan akan protein bertambah pada perempuan yang
mengandung dan atlet-atlet.
Kekurangan Protein bisa berakibat fatal:
- Kerontokan rambut (rambut terdiri dari 97-100% dari Protein Keratin)
- Yang paling buruk ada yang disebut dengan Kwasiorkor, penyakit kekurangan protein. Biasanya pada anak-anak kecil yang menderitanya, dapat dilihat dari yang namanya busung lapar, yang disebabkan oleh filtrasi air di dalam pembuluh darah sehingga menimbulkan odem.Simptom yang lain dapat dikenali adalah: hipotonus gangguan pertumbuhan hati lemak
- Kekurangan yang terus menerus menyebabkan marasmus dan berkibat kematian.
Sintese Protein
Dari makanan kita memperoleh Protein. Di sistem
pencernaan protein akan diuraikan menjadi peptid-peptid yang strukturnya lebih
sederhana terdiri dari asam amino. Hal ini dilakukan dengan bantuan enzim.
Tubuh manusia memerlukan 9 asam amino. Artinya kesembilan asam amino ini tidak
dapat disintesa sendiri oleh tubuh esensiil, sedangkan sebagian asam amino
dapat disintesa sendiri atau tidak esensiil oleh tubuh. Keseluruhan berjumlah
21 asam amino. Setelah penyerapan di usus maka akan diberikan ke darah. Darah
membawa asam amino itu ke setiap sel tubuh. Kode untuk asam amino tidak
esensiil dapat disintesa oleh DNA. Ini disebut dengan DNA transkripsi. Kemudian
karena hasil transkripsi di proses lebih lanjut di ribosom atau retikulum
endoplasma, disebut sebagai translasi.
Sumber Protein
- Daging
- Ikan
- Telur
- Susu, dan produk sejenis Quark
- Tumbuhan berbiji
- Suku polong-polongan
Studi dari Biokimiawan USA Thomas Osborne Lafayete
Mendel, Profesor untuk biokimia di Yale, 1914, mengujicobakan protein konsumsi
dari daging dan tumbuhan kepada kelinci. Satu grup kelinci-kelinci tersebut
diberikan makanan protein hewani, sedangkan grup yang lain diberikan protein
nabati. Dari eksperimennya didapati bahwa kelinci yang memperoleh protein
hewani lebih cepat bertambah beratnya dari kelinci yang memperoleh protein
nabati. Kemudian studi selanjutnya, oleh McCay dari Universitas Berkeley
menunjukkan how to get a six pack in a week bahwa kelinci yang memperoleh
protein nabati, lebih sehat dan hidup dua kali lebih lama.
Keuntungan Protein
- Sumber energi
- Pembetukan dan perbaikan sel dan jaringan
- Sebagai sintesis hormon,enzim, dan antibodi
- Pengatur keseimbangan kadar asam basa dalam sel.
Fungsi Protein
Fungsi protein di dalam tubuh kita sangat banyak, bahkan
banyak dari proses pertumbuhan tubuh manusia dipengaruhi oleh protein yang
terkandung di dalam tubuh kita. Sebagai enzim hampir semua reaksi biologis
dipercepat atau dibantu oleh suatu senyawa makromolekul spesifik yang disebut
enzim, dari reaksi yang sangat sederhana seperti reaksi transportasi karbon
dioksida sampai yang sangat rumit seperti replikasi kromosom. Protein besar
peranannya terhadap perubahan-perubahan kimia dalam sistem biologis. Alat
pengangkut dan penyimpan banyak molekul dengan MB kecil serta beberapa ion
dapat diangkut atau dipindahkan oleh protein-protein tertentu. Misalnya
hemoglobin mengangkut oksigen dalam eritrosit, sedangkan mioglobin mengangkut
oksigen dalam otot. Pengatur pergerakan Protein merupakan komponen utama
daging, gerakan otot terjadi karena adanya dua molekul protein yang saling
bergeseran.
Penunjang mekanis kekuatan dan daya tahan robek kulit dan
tulang disebabkan adanya kolagen, suatu protein berbentuk bulat panjang dan
mudah membentuk serabut. Pertahanan tubuh atau imunisasi pertahanan tubuh
biasanya dalam bentuk antibodi, yaitu suatu protein khusus yang dapat mengenal
dan menempel atau mengikat benda-benda asing yang masuk ke dalam tubuh seperti
virus, bakteri, dan sel- sel asing lain. Media perambatan impuls syaraf
protein yang mempunyai fungsi ini biasanya berbentuk
reseptor, misalnya rodopsin, suatu protein yang bertindak sebagai reseptor
penerima warna atau cahaya pada sel-sel mata. Pengendalian pertumbuhan protein
ini bekerja sebagai reseptor (dalam bakteri) yang dapat mempengaruhi fungsi
bagian-bagian DNA yang mengatur sifat dan karakter bahan.
Langkah-langkah Proses Sintesis Protein
Secara garis besar, ADN sebagai bahan genetis
mengendalikan sifat individu melalui proses sintesis protein. Ada dua kelompok
protein yang dibuat ADN, yaitu protein struktural dan protein katalis. Protein
struktural akan membentuk sel, jaringan, dan organ hingga penampakan fisik
suatu individu. Inilah yang menyebabkan ciri fisik tiap orang berbeda satu sama
lain. Protein katalis akan membentuk enzim dan hormon yang berpengaruh besar
terhadap proses metabolisme, dan akhirnya berpengaruh terhadap sifat psikis,
emosi, kepribadian, atau kecerdasan seseorang.
Proses sintesis protein dapat dibedakan menjadi dua
tahap. Tahap pertama adalah transkripsi yaitu pencetakan ARNd oleh ADN yang
berlangsung di dalam inti sel. ARNd inilah yang akan membawa kode genetik dari
ADN. Tahap kedua adalah translasi yaitu penerjemahan kode genetik yang dibawa
ARNd oleh ARNt.
1. Transkripsi
Langkah transkripsi berlangsung sebagai berikut:
Sebagian rantai ADN membuka, kemudian disusul oleh
pembentukan rantai ARNd. Rantai ADN yang mencetak ARNd disebut rantai
sense/template. Pasangan rantai sense yang tidak mencetak ARNd disebut rantai
antisense.
Pada rantai sense ADN didapati pasangan tiga basa
nitrogen (triplet) yang disebut kodogen. Triplet ini akan mencetak triplet pada
rantai ARNd yang disebut kodon. Kodon inilah yang disebut “kode genetika” yang
berfungsi mengkodekan jenis asam amino tertentu yang diperlukan dalam sintesis
protein. Selanjutnya boleh dikatakan bahwa ARNd atau kodon itulah yang
merupakan kode genetika. Lihat daftar kodon dan asam amino yang dikodekannya di
bawah ini.
Setelah terbentuk, ARNd keluar dari inti sel melalui
pori-pori membran inti menuju ke ribosom dalam sitoplasma.
Untuk setiap satu molekul protein yang dibentuk akan
selalu dimulai dengan kodon inisiasi atau kodon start yaitu AUG yang
mengkodekan asam amino metionin. Jika satu molekul protein telah terbentuk akan
selalu diakhiri dengan tanda berupa kodon stop atau kodon terminasi, yaitu UGA,
UAA, atau UAG (lihat daftar di atas).
2. Translasi
ARNt memiliki triplet yang merupakan pasangan kodon dan
disebut antikodon. Setiap ARNt hanya dapat mengikat satu jenis asam amino
sesuai yang dikodekan oleh kodon. Jadi dalam translasi terjadi penerjemahan
kode genetik yang dibawa ARNd (kodon) oleh ARNt (antikodon) dengan cara ARNt
mengikat satu asam amino yang sesuai.
Setelah ARNd keluar dari dalam inti, selanjutnya ia
bergabung dengan ribosom dalam sitoplasma. Langkah berikutnya adalah
penerjemahan kode genetik (kodon) yang dilakukan oleh ARNt. Caranya, ARNt akan
mengikat asam amino tertentu sesuai yang dikodekan oleh kodon, lalu membawa
asam amino tersebut dan bergabung dengan ARNd yang telah ada di ribosom.
Langkah tersebut dilakukan secara bergantian oleh banyak ARNt yang
masing-masing mengikat satu jenis asam amino yang lain. Setelah asam amino
dibawa ARNt bergabung dengan ARNd di ribosom, selanjutnya akan terjadi ikatan
antar asam amino membentuk polipeptida. Protein akan terbentuk setelah
berlangsung proses polimerisasi.
