REGULASI ENZIM LENGKAP

Enzim merupakan biokatalisator yang berperan menjalankan proses reaksi di dalam tubuh. Keberadaan enzim akan menentukan berjalannya proses reaksi. Sehingga enzim sangat berperan penting dalam kelangsungan reaksi di dalam tubuh. Adapun berbagai reaksi enzimatis tidaklah berjalan secara mekanis begitu saja, tanpa ada pengendaliannya. Misalnya saja bila suatu
metabolisme di dalam sel sudah mencapai kuantitas yang mencukupi maka reaksi tersebut harus dihentikan, sehingga diperlukanlah sebuah pengaturan untuk menghentikannya, atau biasa disebut sebagai regulasi.

Dimana regulasi adalah aturan energi yang ada di dalam tubuh makhluk hidup untuk dapat hidup seimbang, mempertahankan keadaan teratur, konservasi energi, dan sebagai respon terhadap perubahan lingkungan. Dalam sel-sel tubuh, supaya kerja enzim tidak tumpang tindih maka diperlukan pengaturan kerja enzim. Pengaturan ini dilakukan dengan tujuan menjamin supaya enzim hanya bekerja ketika dibutuhkan, sehingga reaksi enzimatis berjalan secara sangat terkoordinasi satu sama lain. Pengaturan aktivitas enzim inilah yang disebut sebagai regulasi enzim.

 Pengendalian atau pengaturan reaksi enzimatis berlangsung pada berbagai tingkat di dalam sel, semenjak dari gen sampai molekul enzim itu sendiri. Adapun regulasi aktivitas enzim dilakukan oleh 3 pengendalian diantaranya yaitu :  

1.        Pengendalian pada tingkat Gen

2.        Pengendalian di tingkat molekul enzim oleh produk

3.        Pengendalian enzim melalui perubahan struktur molekul

URAIAN MATERI

1.        Pengendalian pada tingkat Gen

Sebagai protein, informasi genetik enzim terekam dalam gen. Sel hanya akan mensintesis suatu enzim, jika sel mengandung gen yang menyandikan enzim yang dimaksud. Contoh, manusia tidak bisa mensintesis vitamin C kerena tidak mempunyai gen yang menyandikan enzim untuk mensintesis vitamin C. Terdapat 2 mekanisme pengaturan secara genetik yaitu inducible enzyme dan represi enzim.

a.    Inducible Enzyme (Enzim Terbangkitkan)

Enzim Indusibel atau disebut juga dengan enzim adaptif adalah enzim yang hanya diekspresikan pada kondisi tertentu dan diproduksi secara terus menerus. jika sel memerlukan enzim dalam keadaan tertentu untuk metabolisme, maka sel akan membuat enzim tersebut. Ini artinya, enzim tersebut dalam keadaan normal tidak ada, baru dibuat setelah diperlukan oleh sel.

Mekanisme pengaturan sintesis enzim telah banyak dipelajari pada bakteri dengan menggunakan model operon (dikemukakan oleh Francois Jacob dan Jackues Monod, 1961). Operon terdiri atas serangkaian gen struktural yang mengkode protein yang terlibat dalam suatu proses metabolisme tertentu. Situs operator ialah sekuen DNA yang mengatur transkripsi gen struktural dan gen regulator yang mengkode protein yang mengenali daerah operator. Pada banyak bakteri, gen-gen struktural yang menentukan sintesis enzim dalam suatu lintasan metabolik tertentu ditempatkan menurut urutan sesuai dengan rangkaian reaksi pada lintasan tersebut. Hal ini menunjukkan bahwa urutan reaksi pada lintasan metabolik dikendalikan oleh kromosom.

Contoh dari enzim ini adalah berfungsi sebagai pemecah bagian sel dan juga termasuk bagian dari Model Operon (Lactose Operon) yang diilustrasikan sebagai tombol “On” dan “Off” pada gen oleh Jacob dan Monod. Enzim yang terlibat dalam Model Operon (Lactose Operon) antara lain β-galaktosidase, permease galaktosidase, dan galaktosidase transasetilase (Palmer, 1991). Enzim β-galaktosidase (tetramerik dengan empat sub-unit identik berukuran 116,4 kDa adalah enzim utama yang digunakan untuk memotong ikatan β-galaktosida (ikatan β-1,4) yang ada pada molekul laktosa (β-galaktosida) sehingga dihasilkan dua monosakarida, yaitu glukosa dan galaktosa. Enzim permease galaktosidase (berukuran 46,5 kDa) adalah enzim yang berperan dalam pengangkutan laktosa dari luar ke dalam sel. Sementara enzim galaktosidase transasetilase (berukuran 30 kDa) masih belum diketahui secara pasti kegunaannya dalam metabolisme.

Mekanisme kerja Model Operon (Lactose Operon) dapat dijumpai pada bakteri E.coli yang menggunakan tiga jenis enzim untuk melakukan metabolisme laktosa. Gen-gen untuk tiga jenis enzim tersebut berada di dalam operon lac. Gen pertama, lacZ mengkode enzim β-galaktosidase, yang menghidrolisis laktosa menjadi galaktosa dan glukosa; gen kedua, lacY mengkode permease,  protein membran yang mengangkut laktosa ke dalam sel; gen ketiga, lacZ mengkode transasetilase. Keseluruhan unit transkripsi ini di bawah satu operator dan satu promoter. Suatu gen pengatur berupa lacI terletak di luar operon yang mengkode represor. Molekul represor ini bersifat allosterik yang mampu mengikatkan diri pada operator (Gambar 2). Saat represor menempel pada operator, maka seluruh operon lac tidak bisa mengekspresikan untuk mensintesis enzim untuk metabolisme laktosa. nah pada tahap inilah operon lac dalam keadaan off.

 

Gambar 1. Struktur lac operon.

Gambar 2. (A) Ada laktosa, represor tidak aktif, operon dalam keadaan on, (B) Tidak ada laktosa, represor aktif, operon dalam keadaan off

b.   Enzyme Repression (Pembungkaman Enzim)

Enzyme repression adalah penghentian sintesis enzim sebagai respon terhadap keberadaan suatu molekul (repressor). Enzim yang disintesis dengan mekanisme ini disebut repressible enzyme. Enzim yang bersifat repressible umumnya terlibat dalam jalur biosintesis dan hanya disintesis ketika molekul hasil sintesis jalur tersebut tidak tersedia. Enzim yang bersifat repressible merupakan produk gen yang bersifat repressible. Gen tersebut memiliki kecepatan basal transkripsi yang tinggi, sehingga akumulasi produk akhir (repressor) akan menghentikan sintesis enzim.

Dalam keadaan tidak memerlukan enzim tersebut, gen untuk enzim tersebut mengalami pembungkaman atau represi. Ini artinya, dalam keadaan normal enzim tersebut ada tetapi jika tidak diperlukan maka gen akan menghentikan pembentukan enzim tersebut.

Contohnya pada biosintesis triptofan dengan pengaturan trp operon. trp operon terdiri dari 5 gen struktural yang mengkode enzim untuk biosintesis triptofan. Bagian operator tumpang tindih dengan bagian promoter. Gen dalam operon ditranskripsi ketika sel kekurangan triptofan. Gen trp repressor mengkode Trp repressor yang secara alami bersifat inaktif, sehingga tidak dapat menempel pada trp operator. Ketika triptofan tidak tersedia, Trp repressor tetap bersifat inaktif, sehingga trp operon ditranskripsikan untuk menghasilkan enzim yang digunakan untuk biosintesis triptofan.

Ketika triptofan tersedia, enzim untuk biosintesis triptofan tidak diperlukan sehingga ekspresi gen tersebut harus dihentikan. Triptofan akan menempel pada Trp repressor, sehingga menyebabkan Trp repressor berada dalam konformasi aktifnya. Trp repressor yang aktif mampu berikatan dengan operator sehingga menghentikan transkirpsi trp operon. Dalam hal ini, triptofan disebut co-repressor dan mekanisme pengaturan ini disebut pengaturan negatif karena terikatnya repressor mencegah transkripsi (Gambar 3).

Gambar 3. Mekanisme represi pada pengaturan trp operon.

Selain Terdapat 2 mekanisme pengaturan secara genetik di atas, ada juga yang disebut sebagai enzim konstitutif  yang terus menerus disintesis semua sel selama daur hidupnya. Enzim konstitutif adalah enzim yang terdapat dalam sel tertentu dalam kuantitas yang hampir konstan tanpa memperdulikan komposisi, baik dari jaringan maupun dari medium tempat sel itu berada (Murray et al., 2009; Pudjaatmaka, 2002).

Enzim ini dapat dijumpai pada berbagai macam jaringan vertebrata, yakni constitutive nitric oxide synthase, cNOS. Enzim ini merupakan kelompok enzim oksidoreduktase yang berfungi untuk menghasilkan molekul Nitrit Oksida (NO). Nitrit oksida dihasilkan melalui oksidasi L-arginin. NO sangat berperan dalam sinyal transduksi kimiawi baik dalam sel maupun antar sel. Adanya sinyal kimiawi tersebut, maka dapat mengontrol tekanan darah, sekresi insulin, angiogenesis, serta perkembangan sistem saraf. Pada mamalia, sinyal NO dimediasi oleh kalsium/kalmodulin (Berg et al., 2006; Guzik, 2003; Lamas, 1992).

2.        Pengendalian di Tingkat Molekul Enzim Oleh Produk

Dalam sistem biologis, kecepatan kerja enzim dapat dipengaruhi oleh kehadiran suatu molekul lain yang dapat berperan sebagai pemicu (activator) atau penghambat (inhibitor), keduanya biasanya disebut secara bersama-sama sebagai efektor. Pola umum pengontrolan jalur metabolisme biasanya terjadi ketika enzim pertama (enzim alosterik) pada jalur metabolisme tersebut dihambat kerjanya oleh hasil akhir dari jalur metabolism tersebut. Penghambatan ini biasanya dinamakan alosterik  kontrol  atau  feedback  inhibition.

 Pada  sistim  ini  hasil akhir (end  product) akan menghambat pembentukan enzim  pertama yang mengawali jalur ini bilamana hasil akhir melebihi yang kebutuha sel. Gambar 1 adalah bagan contoh pengaturan metabolisme melalui penghambatan oleh produk akhir terhadap suatu enzim alosterik atau feedback inhibition. Dalam Gambar 5 dapat dijelaskan, huruf J,K,L  dan seterusnya menunjukkan senyawa kimia antara (intermediet) pada lintas ini dan E1-E5 menunjukan enzim yang bekerja pada setiap tahap. Enzim pertama pada lintas ini (E1) adalah enzim alosterik. Enzim ini dihambat oleh produk akhir urutan reaksi. Penghambatan alosterik ditunjukkan seperti pada gambar sebelumnya oleh tanda titik-titik yang berasal dari metabolit penghambat menuju reaksi yang dikatalis oleh enzim alosterik (E1). Tahap regulasi yang  dikatalisis oleh enzim E1 biasanya bersifat tidak dapat balik di dalam sel.

.

Gambar 5. Mekanisme feedback inhibition

Enzim alosterik ini disebut juga enzim pengatur. Enzim allosterik merupakan enzim regulator yang memiliki dua sisi katalik. Salah satu sisi ikatannya untuk substrat dan yang satunya sisi regulator atau sisi allosterik (allo=lain, stereos=sisi) yang berfungsi untuk memodulasi aktivitas enzim. Sisi allosterik memiliki ikatan nonkovalen pada dan interaksinya bersifat reversible. Sisi allosterik ini akan mengikat senyawa pengatur yang disebut efektor atau modulator. Enzim allosterik ini dapat dipacu atau dihambat oleh modulatornya. Enzim dengan sisi alosterik sering muncul pada awal jalur biosintesis biomolekul. Enzim diatur oleh produk akhir dari jalur biosintesis. Produk akhir terikat pada sisi alosterik dan menginaktifkan enzim. Inhibitor dapat memiliki struktur yang mirip dengan produk akhir.

Sebagai contoh mekanisme penghambatan balik pada pengubahan L-teronin menjadi L-isoleusin yang menggunakan lima macam enzim. Enzim yang pertama adalah dehidratase treonin (E1) akan dihambat oleh L-isoleusin yang merupakan produk akhir dari reaksi multienzim tersebut (Gmabar 6).

Gambar 6.  Penghambatan balik pengubahan L-teronin menjadi L-isoleusin

Enzim alosterik sering berbentuk protein yang memiliki beberapa subunit protein dan memiliki satu atau lebih sisi aktif pada masing-masing subunitnya. Terikatnya substrat pada sisi aktif enzim akan menginduksi perubahan konformasi protein pada enzim tersebut yang memungkinkan sisi aktif lainnya memiliki afinitas untuk berikatan dengan molekul substrat.  Enzim alosterik dikontrol oleh molekul efektor (activator dan inhibitor) yang berikatan pada enzim pada bagian tertentu dari enzim tersebut di luar sisi aktif enzim, dan selanjutnya dapat menyebabkan perubahan konformasi sisi aktif enzim yang dapat mempengaruhi kecepatan enzim tersebut. Molekul activator alosterik dapat meningkatkan laju kerja enzim, sedangkan molekul nhibitor alosterik dapat menurunkan kerja enzim.

Alosterik kontrol atau Feedback inhibition dapat dibedakan menjadi 4 bagian yaitu : Simple feedback, Concerted feedback, Multiple enzim feedback, dan Commulative feedback

a.      Simple feedback

Simple feedback : contohnya pada biosintesis asam amino isoleusin (oleh E. coli).  Sintesis Isoleusin dihambat oleh aktivitas enzim threonine deaminase (Gambar 2)

Gambar 7. Simple feedback inhibition

b.      Concerted feedback

Concerted feedback. Pada kasus ini enzim pengatur pada suatu cabang pathway memiliki tempat ganda (multiple site) untuk efektor alosterik yang berbeda yang akan menghambat aktivitas enzim tersebut. Penghambatan akan terjadi sempurna apabila kedua efektor terdapat pada pathway tersebut.

Gambar 8. Concerted feedback inhibition

c.       Multiple enzim control

Multiple enzim control :  Bentuk kontrol dari sistim ini sedikit berbeda dari yang lain. Enzim yang ada pada cabang patway tidak hanya satu tetapi lebih dari satu bentuk. Masing‐masing akan dihambat oleh produk akhir yang berbeda. Contohnya pada sintesis lysine, methyonine dan isoleucine oleh E. coli.

d.      Comulative feedback

Comulative feedback, Kontrol ini unik dan melibatkan tidak hanya satu senyawa sebagai produk akhir dari suatu pathway. Enzim alosterik memiliki berbagai tempat untuk mengikat senyawa dari produk akhir pathway. Masing‐masing efektor mengambil bagian hanya partial inhibition. Apabila jumlah efektor terakumulasi secara jenuh, maka akan tejadi penghambatan secara sempurna. Contohnya terjadi pada enzim glutamine sintetase yang mengkonversi glutamate menjadi glutamine.

3.        Pengendalian Enzim Melalui Perubahan Struktur Molekul (Modifikasi Kovalen)

Pengaturan akitivitas enzim dengan modifikasi kovalen yaitu menambahkan gugus fosfat pada suatu enzim atau biasa disebut fosforilasi. Pada  fosforilasi enzim, kita akan melihat enzim mengkatalisis enzim, tepatnya dalam reaksi fosforilasi atau mengikatkan gugus fosfat pada suatu enzim. Sebagian besar enzim di dalam tubuh kita kerjanya sangat terpengaruh dengan apa yang disebut sebagai kesetimbangan substrat-produk. Enzim memang dapat mempercepat reaksi perubahan substrat menjadi produk, namun tidak kuasa untuk mengubah proporsi alamiah dari keberadaan substrat-produk. Inilah kesetimbangan, suatu nilai tetap proporsi campuran substrat dengan produk. Seringkali ketika suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim sudah akan mencapai nilai kesetimbangan reaksinya, maka produk tersebut akan menghambat kerja enzim persis seperti regulasi alosterik. Regulasi seperti ini memang perlu ada, namun pada kondisi-kondisi tertentu hal ini perlu dihindari sehingga tercipta mekanisme seperti ini. Terdapat satu enzim khusus yang tugasnya memfosforilasi enzim regulator tersebut. Ketika enzim regulator tersebut terfosforilasi, maka enzim tersebut tidak akan dapat dihambat secara alosterik lagi. Tentu saja keadaan enzim yang terfosforilasi ini ada jangka waktunya dan juga terdapat enzim yang bertugas untuk mencopot gugus fosfat dari enzim regulator apabila sudah tidak diperlukan lagi.

Adanya fosforilasi enzim ini akan  mengubah konformasi (bentuk) dan permukaan sisi akitif enzim sehingga mampu berfungsi dalam proses katalisis. Pengaturan ini bersifat reversible. artinya ketika enzim sudah tidak dibutuhkan, fosfat pada enzim dapat dihilangkan sehingga menyebabkan enzim tersebut inakitif. Contohnya, enzim glikogen fosforilase.

Kelompok dari modifikasi kovalen meliputi phosphoryl, adenylyl, uridylyl, methyl, dan adenosine diphosphateribosyl. Kelompok modifikasi kovalen tersebut secara umum terikat atau terlepas dari enzim regulator melalui enzim pemisah. Kelompok enzim ini diperkirakan memiliki jumlah lebih dari 1.100 protein kinase dalam genom manusia (Lehninger, 2004; Traut, 2007).

Contoh dari enzim pengatur kovalen dapat dijumpai tipe fosforilasi yang akan mempengaruhi enzim dalam jumlah sedikit atau dalam jumlah yang banyak seperti diilustrasikan dalam Gambar 4. Pada gambar tersebut terdapat 10 macam jenis enzim yang terlibat dalam suatu sintesis glikogen dan katabolisme glikogen. Enzim-enzim tersebut dipengaruhi oleh fosforilasi. Enzim yang terfosforilasi akan memiliki kestabilan dalam konformasinya. Hal ini penting untuk keperluan reaksi-reaksi yang melibatkan enzim-fosfat (Traut, 2007).

Gambar 11. Gambar 10. Contoh enzim yang diregulasi oleh fosforilasi. (*) enzim dihambat  oleh fosforilasi; (**) enzim diaktivasi oleh fosforilasi

DAFTAR PUSTAKA

Kusumaningtyas, A.S. 2011. Tugas Makalah Kelompok 06 “Enzim III” .  Universitas Brawijaya Fakultas Pertanian Agroekoteknologi Malang.

Lehninger, A. L. 1982. Dasar-Dasar Biokimia  jilid 1 (diterjemahkan oleh : Maggy Thenawijaya) Jakarta : Erlangga.

Murray, RK, et al. 2009. Biokimia Harper Edisi 27.  Jakarta : EGC.

Pudjaatmaka, A. H. 2002. Kamus Kimia. Jakarta : Balai Pustaka

Suarsana, I. 2013. Enzim dan Koenzim-2.  Fakultas Kedokteran Hewan Universitas Udayana