Enzim: struktur, fungsi dan aksi

Enzim sangat penting untuk berfungsinya semua organisme hidup di Bumi. Mereka berpartisipasi dalam sebagian besar, jika tidak semua, transformasi kimiawi di alam, yaitu dalam jutaan reaksi di dunia tumbuhan dan dunia hewan. Penting untuk mengetahui apa itu enzim, bagaimana mereka bekerja dan apa signifikansinya bagi pengobatan modern.

Daftar Isi

1. Enzim: Struktur
2. Pengaturan aktivitas enzim
3. Enzim: Peran
4. Enzim: Nomenklatur
5. Enzim dan obat
6. Penyakit akibat enzim disfungsional
7. Enzim: penggunaan diagnostik
8. Enzim dan Pengobatan

Enzim adalah molekul protein yang mempercepat atau bahkan memungkinkan terjadinya berbagai reaksi kimia pada organisme hidup, termasuk tubuh manusia.

Dari sudut pandang kimia, ini adalah katalis, yaitu partikel yang mengintensifkan reaksi, tetapi tidak aus selama reaksi. Peningkatan efisiensi transformasi kimia ini seringkali sangat besar, katalis alami dapat mempersingkat waktu reaksi dari beberapa tahun menjadi beberapa detik.

Enzim ditemukan di semua area tubuh: di dalam sel, di ruang ekstraseluler, di jaringan, di organ dan dalam cahayanya, katalis apa yang dihasilkan jaringan tertentu menentukan sifat spesifiknya dan peran yang dimainkannya di dalam tubuh.

Sebagian besar enzim sangat spesifik, yang berarti bahwa masing-masing enzim bertanggung jawab hanya untuk satu jenis reaksi kimia di mana partikel tertentu - substrat, terlibat, dan hanya mereka yang dapat berinteraksi dengan enzim tertentu.

Aktivitas katalis alami bergantung pada banyak faktor: lingkungan reaksi, misalnya suhu, pH, keberadaan ion tertentu, aktivator - katalis meningkatkan aksi enzim dan inhibitor yang melawan aktivitas ini.

Enzim: Struktur

Seperti yang telah disebutkan, kebanyakan enzim adalah protein, mereka memiliki struktur yang sangat beragam: dari beberapa lusin asam amino hingga beberapa ribu yang tersusun dalam struktur spasial yang beragam.

Ini adalah bentuk pembentukannya (yang disebut struktur kuaterner) dan fakta bahwa sebagian besar enzim jauh lebih besar daripada reaktan reaksinya sebagian besar bertanggung jawab atas aktivitasnya.

Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa hanya daerah tertentu dalam struktur enzim yang disebut tapak aktif, yaitu fragmen yang bertanggung jawab untuk melaksanakan reaksi.

Tugas dari sisa fragmen molekul adalah menempelkan substrat tertentu, lebih jarang senyawa lain yang memengaruhi aktivitas enzim.

Perlu diketahui bahwa struktur katalis dirancang sedemikian rupa sehingga substrat penyambung idealnya cocok dengan istilah "kunci untuk pengunci".

Seperti semua protein, enzim diproduksi di ribosom dari materi genetik yang dikemas rapat dalam nukleus - DNA, sehingga menciptakan apa yang disebut struktur primer.

Kemudian mengalami pelipatan beberapa kali - mengubah bentuknya, terkadang menambahkan gula, ion logam, atau residu lemak.

Hasil dari semua proses ini adalah pembentukan struktur kuaterner aktif, yaitu bentuk yang sepenuhnya aktif secara biologis.

Dalam banyak kasus, beberapa partikel enzim bergabung untuk melakukan serangkaian reaksi kimia dan dengan demikian mempercepat prosesnya.

Kebetulan di beberapa jaringan ada enzim yang mengkatalisis reaksi yang sama, tetapi secara struktural tidak selalu mirip satu sama lain, kami menyebutnya isoenzim.

Nama-nama isoenzim sama, meskipun lokasi dan strukturnya berbeda, tetapi perbedaan ini memiliki penerapan praktis. Dengan demikian, dimungkinkan untuk menentukan dalam uji laboratorium hanya fraksi enzim yang berasal dari organ tertentu.

Mekanisme kerja enzim berbeda-beda, tetapi dari sudut pandang kimia, tugas mereka selalu untuk mengurangi energi aktivasi reaksi. Ini adalah jumlah energi yang harus dimiliki substrat agar proses berlangsung.

Efek ini dapat dicapai dengan menciptakan lingkungan yang sesuai untuk melaksanakan reaksi, menggunakan jalur kimia yang berbeda untuk mendapatkan produk yang sama, atau pengaturan spasial substrat yang sesuai.

Masing-masing mekanisme ini dapat digunakan oleh enzim.

Pengaturan aktivitas enzim

Tindakan enzim tergantung pada parameter lingkungan: suhu, pH, dan lainnya. Setiap katalis alami memiliki kinerja optimumnya sendiri dalam kondisi tertentu, yang mungkin sangat berbeda tergantung pada toleransinya terhadap kondisi lingkungan.

Dalam kasus suhu, sebagian besar reaksi enzimatik berjalan lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi, tetapi pada suhu tertentu efisiensi reaksi turun tajam, yang disebabkan oleh kerusakan termal pada enzim (denaturasi).

Dari segi strukturnya, hormon dapat dibagi menjadi dua kelompok:

• sederhana - ini hanya partikel protein
• kompleks - yang membutuhkan keterikatan kelompok non-protein - kofaktor untuk aktivitas mereka

Yang terakhir memainkan peran kunci dalam aktivitas dan regulasi enzim yang tepat.

Pada gilirannya, kofaktor dapat dibagi menjadi dua kelompok: yang diperlukan agar enzim berfungsi, sangat terkait dengannya - inilah yang disebut kelompok prostetik, bisa berupa logam, molekul organik, seperti, misalnya, heme.

Kelompok kedua adalah koenzim, mereka biasanya bertanggung jawab untuk transfer substrat atau elektron, dan ikatannya ke enzim lemah, kelompok ini termasuk, misalnya, asam folat, koenzim A. Perlu diketahui bahwa banyak vitamin berperan sebagai kofaktor.

Inhibitor melakukan tugas yang sama sekali berbeda, mereka adalah partikel yang menghambat aktivitas enzimatik dengan mengikat enzim.

Ada beberapa jenis inhibitor:

• ireversibel - menyebabkan inaktivasi permanen molekul dan reaksi hanya dapat berlangsung setelah produksi enzim baru
  
  
• kompetitif - dalam hal ini, inhibitor memiliki struktur yang mirip dengan substrat, sehingga mereka bersaing untuk situs aktif. Jika penghambat dipasang, reaksi gagal selama substrat normal
  
  
• non-kompetitif - inhibitor semacam itu mengikat enzim di tempat selain substrat menempel, sehingga dapat menempel pada enzim, tetapi reaksinya tidak berlangsung

Pada konsentrasi substrat yang jauh lebih tinggi daripada inhibitor, efek inhibitor kompetitif dapat diatasi karena melebihi "kompetisi" untuk situs aktif, dalam kasus non-kompetitif, efeknya tidak dapat diatasi dengan meningkatkan konsentrasi substrat.

Selain pengaturan sistem aktivator dan inhibitor, ada banyak metode lain untuk mengontrol aktivitas enzim.

Mereka menyangkut kontrol produksi sel pada tingkat pembentukan protein, serta pengaturan yang disebut pemrosesan pasca-translasi, yaitu perubahan dalam struktur molekul protein yang terjadi segera setelah sintesisnya di ribosom. Modifikasi ini, misalnya memperpendek rantai polipeptida.

Metode regulasi lainnya terkait dengan pemisahan dan penempatan enzim di area yang sesuai: seluler dan organel tertentu, atau di kompartemen ekstraseluler.

Ada mekanisme pengaturan penting lainnya - umpan balik negatif - ini adalah sistem kendali utama dalam sistem endokrin. Ia bekerja berdasarkan prinsip penghambatan.

Ini berarti bahwa jika enzim menghasilkan terlalu banyak hormon tertentu, ia mengikatnya, menghambat aktivitasnya dan mengurangi sintesis, sehingga produk reaksi itu sendiri menghambat produksinya.

Enzim: Peran

Setiap jaringan tubuh manusia menghasilkan sekumpulan enzim tertentu, yang menentukan peran sel-sel ini dalam fungsi tubuh. Enzim apa ini ditentukan oleh kode genetik dan daerah mana yang aktif dalam sel tertentu.

Ribuan reaksi kimia terjadi di dalam tubuh manusia setiap saat, yang masing-masing membutuhkan enzim tertentu, jadi akan sulit untuk membuat daftar semua partikel yang ada di tubuh kita ini.

Namun, perlu diketahui tentang beberapa dari yang paling khas:

• Enzim pencernaan - diproduksi oleh jaringan sistem pencernaan, mereka memecah makanan menjadi senyawa sederhana, karena hanya ini yang dapat diserap ke dalam darah. Mereka adalah enzim ekstraseluler, jadi mereka memenuhi tugas utamanya di luar sel tempat mereka diproduksi. Beberapa enzim ini terbentuk dalam bentuk tidak aktif, yang disebut proenzim atau zimogen, dan diaktifkan di saluran pencernaan. Enzim pencernaan termasuk misalnya amilase, lipase, tripsin.
  
  
• Miosin adalah enzim yang ditemukan di otot, ia memecah molekul ATP yang merupakan pembawa energi, yang menyebabkan serat otot berkontraksi.
  
  
• Peroksidase adalah enzim pengoksidasi dan katalase, yaitu enzim pereduksi
  
  
• Asetilkolinesterase adalah enzim yang memecah asetilkolin, salah satu pembawa pesan dalam sistem saraf
  
  
• Monoamine oksidase adalah enzim yang paling melimpah di hati dan bertanggung jawab atas pemecahan adrenalin, norepinefrin dan beberapa obat.
  
  
• Sitokom oksidase, enzim intraseluler yang sangat penting yang bertanggung jawab atas perubahan energi
  
  
• Lisozim, zat yang ada misalnya dalam air mata atau air liur yang memenuhi fungsi pelindung, menghancurkan patogen
  
  
• Alkohol dehidrogenase, enzim di hati yang bertanggung jawab untuk memecah etanol
  
  
• Alkali fosfatase, berpartisipasi dalam pembentukan tulang oleh osteoblas

Enzim: Nomenklatur

Nama enzim seringkali cukup rumit karena berasal dari nama reaksi yang mereka lakukan dan substrat yang terlibat dalam reaksi, misalnya 5-hydroxytryptophan dekarboksilase.

Biasanya, akhiran "-aza" ditambahkan ke nama umum reaksi, dan bagian kedua dari nama enzim membentuk nama senyawa yang mengalami reaksi ini.

Kebetulan namanya tunggal, kemudian berasal dari substrat, misalnya laktase (enzim yang memecah laktosa).

Lebih jarang, nama enzim berasal dari proses umum yang terjadi dengan partisipasinya, misalnya DNA gyrase, yaitu enzim yang bertanggung jawab untuk memutar untaian DNA.

Beberapa enzim akhirnya memiliki nama umum, atau yang diberikan oleh penemunya, seperti pepsin (yang memecah protein di saluran pencernaan) atau lisozim (enzim bakterisida yang terkandung dalam air mata).

Ada juga sekelompok kecil enzim restriksi yang bertanggung jawab untuk memotong untaian DNA, dalam hal ini namanya berasal dari mikroorganisme tempat enzim tersebut diisolasi.

Persatuan Internasional Biokimia dan Biologi Molekuler telah memperkenalkan aturan penamaan enzim dan membaginya menjadi beberapa kelas untuk menstandarisasi tata nama.

Itu tidak menggantikan nama yang dijelaskan sebelumnya, itu lebih merupakan suplemen yang digunakan terutama oleh para ilmuwan.

Menurut aturan Uni Eropa, setiap enzim dijelaskan dengan urutan karakter: EC x.xx.xx.xx - di mana digit pertama mewakili kelas, subkelas dan subkelas berikutnya, dan terakhir nomor enzim. Kelas enzim yang disebutkan adalah:

• 1 - oksidoreduktase: mengkatalisis reaksi oksidasi dan reduksi
• 2 - transferase: mentransfer gugus fungsi (misalnya fosfat)
• 3 - hidrolase: sesuai dengan hidrolisis (dekomposisi) ikatan
• 4 - lyases: memutuskan ikatan dengan mekanisme selain hidrolisis
• 5 - isomerase: mereka bertanggung jawab atas perubahan spasial molekul
• 6 - ligase: menghubungkan molekul dengan ikatan kovalen

Enzim dan obat

Pentingnya enzim bagi kesehatan manusia sangat besar. Pengoperasian yang tepat memungkinkan hidup sehat, dan berkat pengembangan perangkat analitik, kami telah belajar untuk mendiagnosis berbagai penyakit dengan cara penentuan enzim. Terlebih lagi, kami berhasil mengatasi kekurangan beberapa enzim dan penyakit yang diakibatkannya, tetapi sayangnya masih banyak yang harus dilakukan dalam hal ini.

Pengobatan penyebab penyakit metabolik masih belum memungkinkan, karena kita tidak dapat secara aman dan efektif memodifikasi materi genetik untuk memperbaiki gen yang rusak, dan karenanya enzim yang diproduksi secara tidak tepat.

Penyakit akibat enzim disfungsional

Berfungsinya tubuh kita sangat bergantung pada berfungsinya enzim. Dalam banyak kasus, keadaan penyakit memengaruhi jumlah enzim, menyebabkan mereka dilepaskan secara berlebihan dari sel atau, sebaliknya, kekurangan.Berikut ini hanya contoh penyakit yang disebabkan oleh fungsi enzimatik yang tidak normal, masih banyak lagi.

• Blok metabolik atau penyakit metabolik

Blok metabolik atau penyakit metabolik adalah sekelompok penyakit bawaan yang disebabkan oleh penumpukan zat di dalam sel karena kurangnya enzim yang bertanggung jawab untuk metabolisme mereka. Ada begitu banyak substrat yang terakumulasi dari waktu ke waktu sehingga menjadi racun bagi sel dan seluruh organisme.

Ada beberapa ribu penyakit ini, jumlahnya mencerminkan banyaknya enzim yang ditemukan dalam tubuh manusia, karena penyakit metabolik dapat mempengaruhi sebagian besar gen yang mengkode enzim.

Contohnya adalah galaktosemia atau homosistinuria, yang merupakan penyakit langka, paling sering muncul segera setelah lahir atau pada tahun-tahun pertama kehidupan.

• Tumor

Kelompok penyakit lain di mana kerusakan enzim mungkin terlibat adalah kanker. Selain banyak fungsi lainnya, enzim juga bertanggung jawab untuk mengatur pembelahan sel, yang disebut tirosin kinase. Jika enzim ini gagal di area ini, pembelahan sel yang tidak terkendali dan oleh karena itu proses neoplastik dapat terjadi.

• Empisema

Penyakit yang kurang umum adalah emfisema, di mana elastase menjadi terlalu aktif. Ini adalah enzim yang ada di jaringan paru-paru yang bertanggung jawab untuk pemecahan protein elastin yang ada di paru-paru, antara lain.

Jika terlalu aktif, keseimbangan antara kehancuran dan bangunan terganggu, jaringan parut terjadi dan timbul emfisema.

Enzim: penggunaan diagnostik

Diagnosis medis modern didasarkan pada penggunaan enzim dalam penentuannya. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa keadaan penyakit secara langsung atau tidak langsung menyebabkan ketidakseimbangan enzim, menyebabkan peningkatan atau penurunan jumlahnya di dalam darah.

Hal ini dapat terjadi tidak hanya dari gangguan produksi, tetapi juga misalnya dari pelepasan sejumlah besar enzim intraseluler ke dalam darah atau urin sebagai akibat kerusakan pada membran selnya.

Contoh enzim yang digunakan dalam uji laboratorium adalah:

• Creatine kinase - enzim yang ada di otot, juga di otot jantung, peningkatan kelipatannya dapat mengindikasikan serangan jantung, miokarditis, penyakit otot - cedera, distrofi.
  
  
• Laktat dehidrogenase - hadir di semua sel tubuh, terutama di otak, paru-paru, sel darah putih, dan otot. Peningkatannya yang besar terlihat pada infark miokard, penyakit otot dan hati atau kanker.
  
  
• Alkali fosfatase banyak ditemukan di hati dan tulang, ini dia dilepaskan oleh osteoblas. Penyakit pada organ-organ ini dapat menyebabkan pertumbuhannya, tetapi kelebihan alkali fosfatase juga dapat mengindikasikan proses regenerasi tulang - setelah pembedahan atau patah tulang.
  
  
• Asam fosfatase terjadi di banyak organ - hati, ginjal, tulang, prostat, dari sudut pandang diagnostik peningkatannya dapat mengindikasikan penyakit tulang dan prostat.
  
  
• Aspartate aminotransferase dan alanine aminotransferase - ini adalah karakteristik enzim hati, yang terjadi hampir secara eksklusif di hepatosit, digunakan dalam diagnosis skrining dasar untuk penyakit hati, dan peningkatan nilainya beberapa kali lipat selalu mendorong diagnosis penyakit hati lebih lanjut.
  
  
• Glutamat dehidrogenase dan gammaglutamyltransferase - enzim hati lainnya, serupa dengan yang disebutkan sebelumnya, penting dalam diagnosis penyakit pada organ dan saluran empedu ini.
  
  
• Amilase adalah enzim yang ada di banyak organ, tetapi konsentrasi tertinggi dicapai di sel-sel pankreas dan kelenjar ludah, diagnosisnya adalah yang terpenting dalam penyakit mereka.
  
  
• Lipase adalah enzim pankreas lain, ia berbeda dalam spesifisitas dari amilase, yang berarti bahwa lipase hanya ada di pankreas dan penyimpangan dari norma dalam penentuan enzim ini menunjukkan penyakit pankreas.
  
  
• Cholinesterase adalah enzim yang memecah asetilkolin - pemancar dalam sistem saraf, di mana ia juga hadir dalam jumlah tertinggi, dalam diagnostik digunakan untuk meracuni senyawa organofosfor.
  
  
• Faktor koagulasi dan fibrinolisis - ini adalah zat yang diproduksi oleh hati yang terlibat dalam pembekuan darah, penentuannya penting tidak hanya dalam penilaian proses ini, tetapi juga dalam memantau fungsi hati.
  
  
• Alpha-fetoprotein - enzim hati, yang jumlahnya meningkat pada penyakit organ ini, termasuk kanker.
  
  
• Protein C-reaktif - diproduksi oleh hati, mengambil bagian dalam respons imun, jumlahnya meningkat dalam darah dalam kondisi inflamasi - infeksi, cedera, penyakit autoimun.
  
  
• Ceruloplasmin - enzim hati lain, peningkatan yang merupakan karakteristik penyakit Wilson.
  
  
• Pyridinoline dan deoxypyridinoline adalah penanda resorpsi tulang (destruksi) dan mereka mencirikan fungsi osteoklas (sel osteogenik).
  
  
• Mioglobin - seperti yang telah disebutkan sebelumnya, merupakan senyawa karakteristik otot, sehingga peningkatannya akan mengindikasikan kerusakan pada otot rangka atau jantung.
  
  
• Troponin - yang disebut sebagai penanda serangan jantung, adalah enzim yang mengatur kontraksi serat otot, terutama terdapat berlimpah di otot jantung. Kerusakannya menyebabkan pelepasan sejumlah besar troponin ke dalam darah, yang digunakan dalam diagnosis penyakit jantung. Namun, perlu diingat bahwa peningkatan troponin dapat mengindikasikan tidak hanya serangan jantung, tetapi juga insufisiensi, cacat katup, atau emboli paru.

Semua enzim yang tercantum di atas dapat diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok:

• Enzim sekretori - batas bawah norma bersifat diagnostik. Ini adalah enzim yang secara fisiologis diproduksi oleh organ, tetapi dalam kasus penyakit jumlahnya menurun, misalnya faktor pembekuan
  
  
• Enzim indikator - pertumbuhan itu penting. Kelompok enzim ini muncul dalam jumlah besar karena kerusakan organ dan kebocoran enzim, termasuk misalnya troponin
  
  
• enzim ekskresi - ini adalah enzim yang diproduksi secara normal ke dalam lumen berbagai organ - mulut, usus, dan saluran kemih. Jika saluran keluarnya tersumbat, mereka masuk ke dalam darah, misalnya amilase

Perlu diingat bahwa enzim digunakan dalam diagnosis medis itu sendiri. Analisis biokimia dilakukan dengan menggunakan enzim, dan interpretasi yang tepat dari hasil reaksi enzimatik memungkinkan untuk memberikan hasil uji laboratorium.

Enzim dan Pengobatan

Banyak obat bekerja dengan mempengaruhi kerja enzim, baik dengan menyebabkannya bekerja, atau sebaliknya, dengan menjadi inhibitor. Ada pengganti enzim seperti pankreatin yang mengandung lipase dan amilase untuk insufisiensi pankreas.

Di sisi lain, beberapa kelompok obat menghambat kerja enzim, misalnya penghambat enzim pengubah angiotensin, yang digunakan, antara lain, pada hipertensi dan gagal jantung, atau beberapa antibiotik, misalnya amoksisilin, yang menghambat transpeptidase bakteri enzim, yang mencegah pembentukan dinding sel bakteri, dan dengan demikian menghambat infeksi.

Beberapa racun juga bekerja dengan mempengaruhi enzim. Sianida adalah penghambat sitokrom oksidase yang kuat, komponen penting dari rantai pernapasan. Memblokirnya mencegah sel mendapatkan energi, yang menyebabkan kematiannya.

Untuk proses kehidupan sel yang tepat, perlu adanya banyak zat kimia, tetap dalam proporsi yang ketat di antara mereka sendiri, dan di antaranya reaksi kimia terus terjadi.

Tugas ini dilakukan oleh enzim yang berfungsi dengan baik, yang diperlukan untuk hampir semua reaksi kimia berlangsung dengan kecepatan dan efisiensi yang diperlukan untuk berfungsinya tubuh manusia.

Tindakan enzim mempercepat proses ini berkali-kali, seringkali bahkan ratusan kali, yang penting, enzim itu sendiri tidak rusak selama reaksi berlangsung.

Kurangnya katalis atau fungsinya yang tidak tepat dapat menyebabkan munculnya banyak penyakit. Di sisi lain, modifikasi yang terampil dari aktivitas mereka memungkinkan Anda untuk berhasil mengobati banyak penyakit.

Enzimologi (ilmu tentang enzim) sangat luas, dan perkembangannya tidak hanya membawa kemajuan ilmiah, tetapi juga secara aktif berkontribusi pada perkembangan kedokteran tidak hanya dalam hal pengobatan, tetapi juga diagnostik.

Tentang Penulis

Busur. Maciej Grymuza Lulusan Fakultas Kedokteran Universitas Kedokteran K. Marcinkowski di Poznań. Dia lulus dengan hasil yang sangat baik. Saat ini beliau adalah seorang doktor di bidang kardiologi dan mahasiswa doktoral. Dia sangat tertarik pada kardiologi invasif dan perangkat implan (stimulator).