Enzim adalah protein dalam sistem biologis yang membantu mempercepat reaksi yang seharusnya berlangsung jauh lebih lambat daripada tanpa bantuan enzim. Dengan demikian, mereka adalah semacam katalis. Lainnya, katalis non-biologis berperan dalam industri dan di tempat lain (misalnya, bantuan katalis kimia dalam pembakaran bensin untuk meningkatkan kemampuan mesin bertenaga gas). Enzim, bagaimanapun, unik dalam mekanisme aksi katalitiknya. Mereka bekerja dengan menurunkan energi aktivasi reaksi tanpa mengubah keadaan energi reaktan (input dari reaksi kimia) atau produk (output). Sebaliknya, mereka pada dasarnya menciptakan jalur yang lebih mulus dari reaktan ke produk dengan menurunkan jumlah energi yang perlu "diinvestasikan" untuk menerima "pengembalian" dalam bentuk produk.
Mengingat peran enzim dan fakta bahwa banyak dari protein alami ini telah dikooptasi untuk penggunaan terapeutik manusia (salah satu contohnya adalah laktase, enzim yang membantu pencernaan gula susu yang gagal diproduksi oleh jutaan tubuh manusia), tidak mengherankan bahwa para ahli biologi telah datang dengan alat formal untuk menilai seberapa baik enzim tertentu melakukan pekerjaan mereka di bawah diberikan, kondisi yang diketahui - yaitu, menentukan katalitik mereka efisiensi.
Dasar-dasar Enzim
Atribut penting dari enzim adalah spesifisitasnya. Enzim, secara umum, berfungsi untuk mengkatalisis hanya satu dari ratusan reaksi metabolisme biokimia yang terjadi di dalam tubuh manusia setiap saat. Jadi enzim tertentu dapat dianggap sebagai kunci, dan senyawa spesifik yang bekerja, yang disebut substrat, dapat disamakan dengan kunci. Bagian enzim yang berinteraksi dengan substrat dikenal sebagai situs aktif enzim.
Enzim, seperti semua protein, terdiri dari rangkaian panjang asam amino, yang jumlahnya sekitar 20 dalam sistem manusia. Oleh karena itu, situs aktif enzim biasanya terdiri dari residu asam amino, atau potongan kimia yang tidak lengkap dari asam amino tertentu, yang mungkin "kehilangan" proton atau atom lain dan membawa muatan listrik bersih sebagai hasil.
Enzim, secara kritis, tidak berubah dalam reaksi yang dikatalisisnya – setidaknya tidak setelah reaksi selesai. Tetapi mereka mengalami perubahan sementara selama reaksi itu sendiri, fungsi yang diperlukan untuk memungkinkan reaksi yang sedang berlangsung berlangsung. Untuk membawa analogi kunci-dan-kunci lebih lanjut, ketika substrat "menemukan" enzim yang diperlukan untuk reaksi tertentu dan mengikat enzim aktif situs ("penyisipan kunci"), kompleks enzim-substrat mengalami perubahan ("pemutaran kunci") yang menghasilkan pelepasan yang baru terbentuk produk.
Kinetika Enzim
Interaksi substrat, enzim, dan produk dalam reaksi tertentu dapat direpresentasikan sebagai berikut:
E + S ES → E + P
Sini, E mewakili enzim, S adalah substrat, dan P adalah produk. Dengan demikian, Anda dapat membayangkan prosesnya seperti segumpal tanah liat pemodelan (S) menjadi mangkuk yang terbentuk sempurna (P) di bawah pengaruh pengrajin manusia (E). Tangan pengrajin dapat dianggap sebagai situs aktif dari "enzim" yang diwujudkan orang ini. Ketika gumpalan tanah liat menjadi "terikat" ke tangan orang tersebut, mereka membentuk "kompleks" untuk sementara waktu, di mana tanah liat dibentuk menjadi bentuk yang berbeda dan telah ditentukan sebelumnya oleh tindakan tangan yang bergabung dengannya (ES). Kemudian, ketika mangkuk sudah berbentuk penuh dan tidak ada lagi pekerjaan yang diperlukan, tangan (E) lepaskan mangkuk (P), dan proses selesai.
Sekarang perhatikan panah pada diagram di atas. Anda akan melihat bahwa langkah di antara E + S dan ES memiliki panah yang bergerak ke dua arah, menyiratkan bahwa, seperti halnya enzim dan substrat dapat mengikat bersama untuk membentuk kompleks enzim-substrat, kompleks ini dapat berdisosiasi ke arah lain untuk melepaskan enzim dan substratnya dalam bentuk asli.
Panah searah antara ES dan P, di sisi lain, menunjukkan bahwa produk P tidak pernah secara spontan bergabung dengan enzim yang bertanggung jawab untuk penciptaannya. Ini masuk akal mengingat kekhususan enzim yang dicatat sebelumnya: Jika suatu enzim berikatan dengan substrat tertentu, maka ia melakukannya tidak juga mengikat produk yang dihasilkan atau enzim itu kemudian akan spesifik untuk dua substrat dan karenanya tidak spesifik pada semua. Juga, dari sudut pandang akal sehat, tidak masuk akal bagi enzim tertentu untuk membuat reaksi tertentu bekerja lebih baik dalam kedua arah; ini akan menjadi seperti mobil yang menggelinding dengan baik menanjak dan menurun dengan sama mudahnya.
Nilai Konstanta
Pikirkan reaksi umum di bagian sebelumnya sebagai jumlah dari tiga reaksi bersaing yang berbeda, yaitu:
1) \; E + S → ES \\ 2) \; ES → E + S \\ 3) \; ES → E + P
Masing-masing reaksi individu ini memiliki konstanta lajunya sendiri, ukuran seberapa cepat reaksi tertentu berlangsung. Konstanta ini khusus untuk reaksi tertentu dan telah ditentukan secara eksperimental dan diverifikasi untuk sejumlah besar substrat-plus-enzim dan kompleks-plus-produk enzim-substrat yang berbeda pengelompokan. Mereka dapat ditulis dalam berbagai cara, tetapi umumnya, konstanta laju untuk reaksi 1) di atas dinyatakan sebagai k1, bahwa dari 2) sebagai k-1, dan 3) sebagai k2 (ini terkadang ditulis kkucing).
Konstanta Michaelis dan Efisiensi Enzim
Tanpa menyelami kalkulus yang diperlukan untuk menurunkan beberapa persamaan berikut, Anda mungkin dapat melihat bahwa kecepatan akumulasi produk, v, adalah fungsi dari konstanta laju reaksi ini, k2, dan konsentrasi ES hadir, dinyatakan sebagai [ES]. Semakin tinggi konstanta laju dan semakin banyak kompleks substrat-enzim yang ada, semakin cepat produk akhir dari reaksi terakumulasi. Karena itu:
v = k_2[ES]
Namun, ingatlah bahwa dua reaksi lain selain yang menghasilkan produk P sedang terjadi pada waktu yang sama. Salah satunya adalah pembentukan ES dari komponennya E dan S, sedangkan yang lain adalah reaksi yang sama secara terbalik. Mengambil semua informasi ini bersama-sama, dan memahami bahwa laju pembentukan ES harus sama dengan laju hilangnya (oleh dua proses yang berlawanan), Anda memiliki
k_1[E][S] = k_2 [ES] + k_{-1}[ES]
Membagi kedua suku dengan k1 hasil
[E][S] = {(k_2 + k_{-1}) \atas{1pt} k_1} [ES]
Karena semua"k" istilah dalam persamaan ini adalah konstanta, mereka dapat digabungkan menjadi satu konstanta, Ksaya:
K_M= {(k_2 + k_{-1}) \atas{1pt} k_1}
Hal ini memungkinkan persamaan di atas untuk ditulis
[E][S] = K_M[ES]
Ksaya dikenal sebagai konstanta Michaelis. Ini dapat dianggap sebagai ukuran seberapa cepat kompleks enzim-substrat menghilang melalui kombinasi menjadi tidak terikat dan produk baru terbentuk.
Kembali ke persamaan kecepatan pembentukan produk, v = k2[ES], substitusi memberikan:
v = [E][S] \Bigg( {k_2 \above{1pt} K_M}\Bigg)
Ekspresi dalam kurung, k2/Ksaya, dikenal sebagai konstanta spesifisitas_, _ juga disebut efisiensi kinetik. Setelah semua aljabar sial ini, Anda akhirnya memiliki ekspresi yang menilai efisiensi katalitik, atau efisiensi enzim, dari reaksi tertentu. Anda dapat menghitung konstanta langsung dari konsentrasi enzim, konsentrasi substrat dan kecepatan pembentukan produk dengan mengatur ulang menjadi:
\Bigg( {k_2 \above{1pt} K_M}\Bigg)= {v \above{1pt}[E][S]}