Enzim dan Metabolisme

Manusia selalu membutuhkan yang namanya energi, lalu bagaimana caranya manusia agar dapat memperoleh energi? Dalam proses penyediaan energi, baik pada manusia maupun tumbuhan terjadi melalui proses yang disebut metabolisme. Lalu apakah metabolisme itu? Untuk mengetahui hal tersebut, yuk perhatikan pembahasan mengenai metabolisme serta peran enzim dalam proses metabolisme berikut ini.

Pengertian Enzim dan Metabolisme Sel

Enzim adalah senyawa organik yang dihasilkan oleh sel dan berperan sebagai biokatalisator. Sedangkan metabolisme sel adalah seluruh proses atau reaksi biokimia yang terjadi dalam sel. Metabolisme dibedakan menjadi dua, yaitu Katabolisme dan Anabolisme.

Baca juga: Perbedaan Metamorfosis Sempurna dan Metamorfosis Tidak Sempurna

Fungsi Enzim dalam Proses Metabolisme Sel

Enzim sangat berperan penting dalam proses metabolisme sel. Enzim ini nantinya akan berperan sebagai biokatalisator dalam proses metabolisme sel, maksudnya adalah senyawa organik yang mempercepat reaksi kimia. Jadi, dapat dikatakan bahwa enzim dapat mengatur kecepatan reaksi kimia yang berlangsung di dalam sel.

Struktur Enzim

Struktur enzim terdiri dari beberapa komponen. Penyusun utama suatu enzim adalah apoenzim (protein). Agar berfungsi dengan baik, enzim memerlukan komponen lain yang disebut kofaktor. Kofaktor adalah komponen nonprotein berupa ion atau molekul.

Berdasarkan ikatannya, kofaktor dapat dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu sebagai berikut.

Gugus Prostetik

Adalah struktur enzim yang terdiri dari molekul-molekul organik yang berperan untuk memberi kekuatan tambahan terhadap kerja enzim.

Koenzim

Terdiri dari molekul organik nonprotein kompleks yang terikat renggang dengan enzim. Berperan untuk memindahkan gugus kimia, atom atau elektron dari satu enzim ke enzim yang lain.

Ion-ion Anorganik

Terikat dengan enzim atau substrat kompleks dan berperan untuk mengefektifkan kerja enzim.

Sifat Enzim

Adapun sifat-sifat enzim adalah sebagai berikut.

1. Sifat enzim yang pertama adalah biokatalisator. Biokatalisator artinya enzim dapat mempercepat reaksi tanpa ikut bereaksi.
2. Mudah rusak akibat suhu panas karena protein penyusun enzim memiliki sifat thermolabil (peka terhadap suhu panas).
3. Dalam suatu reaksi kimia, enzim yang diperlukan sangat sedikit, tetapi pengaruhnya terhadap kecepatan reaksi sangat besar (cepat) dan dapat digunakan berulang-ulang.
4. Dapat bekerja di dalam dan di luar sel, contohnya enzim amilase dan maltase.
5. Dalam sebuah reaksi kimia, umumnya enzim bekerja searah, meskipun beberapa diantaranya mampu bekerja dalam dua arah. Contoh reaksi searah adalah lipase yang membantu pembentukan lemak.
6. Enzim mampu bekerja dengan bantuan kofaktor (nonprotein).
7. Sifat enzim yang terakhir yaitu bekerja pada bagian yang spesifik. Enzim akan berikatan dengan substrat yang mampu mengikat sisi aktif enzim.

Cara Kerja Enzim

Cara kerja enzim adalah untuk meningkatkan proses reaksi kimia. Cara kerja enzim sangat unik karena hanya mempengaruhi zat tertentu. Misalnya enzim amilase yang hanya bereaksi pada zat tepung dan mengubahnya menjadi glukosa. Cara kerja enzim dapat dijelaskan dengan dua teori berikut.

Lock and Key Theory atau Teori Kunci dan Gembok

Tokoh yang menemukan teori ini adalah Emil Fischer pada 1894. Teori ini menjelaskan bahwa enzim hanya berikatan dengan substrat yang memiliki bentuk yang sama dengan sisi aktif enzim, seperti kunci yang masuk kedalam gembok.

Induced Fit Theory atau Teori Kecocokan yang Terinduksi

Tokoh yang menggunakan teori ini adalah Daniel Koshland pada 1958. Menurut teori Induced Fit Theory, enzim memiliki sisi aktif yang mampu berikatan dengan substrat (bersifat fleksibel).Substrat yang memiliki bagian pengikatan yang sama, akan menginduksi sisi aktif enzim, sehingga cocok dan akan membentuk seperti substrat.

Agar lebih memahami mengenai teori cara kerja enzim, perhatikan gambar berikut ini.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kerja Enzim

Cara kerja enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor, dimana faktor-faktor tersebut sangat mempengaruhi kinerja enzim. Berikut akan dijelaskan mengenai faktor-faktor yang mempengaruhi kerja enzim.

Suhu

Suhu sangat berpengaruh terhadap cara kerja enzim. Pada suhu yang optimal, tumbukan antara enzim dan substrat terjadi pada kecepatan yang paling tinggi. Pada suhu yang jauh diatas suhu optimal, menyebabkan enzim terdenaturasi sehingga bentuk, struktur, serta fungsinya menjadi berubah. Sedangkan pada suhu jauh dibawah suhu optimal, misalnya pada 0⁰C, maka enzim tidak aktif.

Enzim pada manusia bekerja optimal pada 35-40⁰C, mendekati suhu normal tubuh. Adapun bakteri yang hidup di air panas, memiliki enzim yang bekerja optimal pada suhu 70⁰C.

Derajat Keasaman (pH)

pH yang optimal bagi kerja enzim umumnya mendekati pH netral, sekitar 6-8. Selain berada di pH tersebut, kerja enzim akan terganggu bahkan dapat terdenaturasi.

Hasil Akhir (Produk)

Jika sel menghasilkan produk lebih banyak daripada yang dibutuhkan, produk yang berlebih tersebut dapat menghambat kerja enzim. Hal ini dikenal dengan istilah feedback inhibitor. Mekanisme ini sangat penting dalam proses metabolisme, yaitu mencegah sel menghabiskan sumber molekul yang berguna menjadi produk yang tidak dibutuhkan.

Konsentrasi Enzim

Konsentrasi enzim sangat berpengaruh terhadap kinerja enzim. Apabila konsentarsi enzim dalam laju reaksi sedikit daripada substrat, maka penambahan enzim akan meningkatkan laju reaksi. Peningkatan laju reaksi ini terjadi secara linier. Sedangkan, jika konsentrasi enzim dan substrat sudah seimbang, maka laju reaksi akan relatif konstan.

Konsentrasi Substrat

Penambahan konsentrasi substrat pada reaksi yang dikatalis oleh enzim awalnya akan meningkatkan laju reaksi. Akan tetapi, setelah konsentrasi substrat dinaikkan lebih lanjut, laju reaksi akan mencapai titik jenuh dan tidak bertambah lagi.

Setelah mencapai titik jenuh, penambahan kembali konsentrasi substrat tidak berpengaruh terhadap laju reaksi. Peningkatan laju reaksi oleh peningkatan konsentrasi enzim akan meningkatkan laju reaksi hingga terbentuk titik jenuh baru.

Zat Penghambat/Inhibitor

Terdapat dua jenis inhibitor yang dapat menghambat kinerja enzim, yaitu inhibitor kompetitif dan inhibitor non-kompetitif.

a. Inhibitor Kompetitif

Inhibitor kompetitif adalah zat penghambat enzim yang menghambat dengan cara mengikat sisi aktif enzim. Oleh karena itu, inhibitor ini bersaing dengan substrat untuk menempati sisi aktif enzim. Inhibitor memiliki struktur yang mirip dengan substrat sehingga dapat berikatan dengan enzim dan mengakibatkan enzim tidak dapat menjalankan fungsinya sebagai biokatalisator.

Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar berikut ini.

b. Inhibitor Non-Kompetitif

Inhibitor non-kompetitif menghambat kerja enzim dengan cara mengikat enzim pada sisi yang berbeda (bukan sisi aktif). Apabila inhibitor telah berhasil mengikat enzim, maka sisi aktif enzim akan berubah. Hal tersebut mengakibatkan substrat tidak dapat berikatan dengan enzim. Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar berikut ini.

Peranan Enzim

Selain berperan dalam proses metabolisme sel, enzim juga berperan dalam proses-proses sebagai berikut.

1. Reduksi, yaitu proses terjadinya penambahan molekul hidrogen, elektron atau pelepasan oksigen.
2. Dehidrasi, yaitu pelepasan molekul uap air (H₂O).
3. Oksidasi, yaitu proses terjadinya pelepasan molekul hidrogen, elektron atau penambahan oksigen.
4. Hidrolisis, yaitu reaksi penambahan H₂O pada suatu molekul dan diikuti dengan pemecahan molekul pada ikatan yang ditambah H₂O.
5. Fosforilasi, yaitu reaksi pelepasan fosfat.

Baca juga: Contoh Bioteknologi dalam Kehidupan

Katabolisme dan Anabolisme

Katabolisme

Katabolisme adalah proses penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa yang lebih sederhana. Reaksi penguraian energi pada katabolisme dikenal dengan proses respirasi. Respirasi adalah proses pembebasan energi kimia dalam tubuh organisme melalui reaksi oksidasi (penambahan oksigen) pada molekul organik.

Dari proses respirasi tersebut, akan dihasilkan energi dalam bentuk Adenosin Trifosfat (ATP) dan CO₂ serta H₂O. Respirasi pada sel berlangsung di dalam mitokondria dengan bahan dasarnya glukosa. Respirasi sel ini disebut juga dengan oksidasi hidrat arang.

Dalam prosesnya, proses oksidasi hidrat arang ini berlangsung melalui beberapa tahap, yaitu glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, siklus Krebs, dan transpor elektron.

a. Glikolisis

Glikolisis bersangkutan dengan hal-hal berikut.

• Berlangsung di sitoplasma.
• Mengubah satu molekul glukosa (senyawa berkarbon 6) menjadi molekul asam piruvat (senyawa berkarbon 3).
• Menghasilkan 2 ATP dan 2 NADH untuk tiap molekul glukosa.

Berikut adalah skema glikolisis

b. Dekarboksilasi Oksidatif

Berhubungan dengan hal-hal berikut.

• Berlangsung pada mitokondria.
• Mengubah asam piruvat (senyawa berkarbon 3) menjadi Asetil Ko-A (senyawa berkarbon 2).
• Dihasilkan satu NADH untuk tiap pengubahan molekul asam piruvat menjadi Asetil Ko-A.

Berikut adalah skema dekarboksilasi oksidatif

c. Siklus Krebs

Siklus Krebs bersangkutan dengan hal-hal berikut.

• Berlangsung pada mitokondria.
• Mengubah Asetil Ko-A (senyawa berkarbon 2) menjadi CO₂ (senyawa berkarbon 1).
• Untuk tiap senyawa Asetil Ko-A dihasilkan 1 ATP, 1 FADH, dan 2 NADH.

d. Transpor Elektron

Sistem transpor elektron bersangkutan dengan hal-hal berikut.

• NADH dan FADH adalah senyawa pereduksi yang menghasilkan hidrogen.
• Melalui rantai respirasi, hidrogen dari NADH dan FADH yang dihasilkan pada proses glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, dan siklus Krebs dilepaskan ke oksigen (O₂) untuk membentuk H₂O dengan melepaskan energi secara bertahap.
• Dihasilkan3 ATP dari satu molekul NADH dan 2 ATP dari satu molekul FADH.

Berikut adalah skema transpor elektron.

Selain terjadi respirasi secara aerob, proses katabolisme juga dapat terjadi secara anaerob yaitu melalui proses fermentasi atau peragian. Respirasi anaerob (fermentasi) adalah proses pemecahan karbohidrat untuk mendapatkan energi tanpa menggunkan oksigen. Apabila sel kekurangan oksigen, maka asam piruvat hasil peristiwa glikolisis akan segera diubah menjadi senyawa lain untuk medapatkan energi.

Pada sel otot, asam piruvat akan bereaksi dengan NADH membentuk asam laktat dan energi (ATP), sehingga reaksinya disebut fermentasi asam laktat. Reaksi fermentasi asam laktat dapat ditulis sebagai berikut.

CH₃COCOOH + NADH⁺ => CH₃CHOHCOOH + NAD⁺ + Energi

Asam piruvat                         Asam laktat

Pada sel ragi dan tumbuhan yang kekurangan oksigen, maka asam piruvat akan bereaksi dengan NADH menghasilkan etanol, CO₂, dan energi sehingga reaksinya disebut fermentasi alcohol, yang dapat ditulis sebagai berikut.

CH₃COCOOH + NADH⁺  => CH₃CH₂ + CO₂ + NAD⁺ + Energi

Asam piruvat                       Alkohol

Anabolisme

Anabolisme adalah proses pembentukan atau penyusunan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks. Dalam proses penyusunan senyawa tersebut diperlukan yang namanya energi. Jika energi berasal dari sinar matahari akan digunakan untuk proses fotosintesis. Sedangkan jika energi berasal dari energi kimia, maka digunakan untuk proses kemosintesis.

a. Fotosintesis

Fotosintesis terjadi di dalam kloroplas. Kloroplas adalah organel plastida yang mengandung pigmen hijau daun (klorofil). Pigmen inilah yang dapat menyerap energi spektrum cahaya matahari. Kloroplas terdapat pada mesofil dan juga dapat ditemukan pada bagian lain seperti batang dan ranting yang berwarna hijau.

Struktur kloroplas terdiri dari stroma, tilakoid, dan grana. Stroma adalah ruangan kosong di dalam kloroplas. Fungsi stroma yaitu sebagai tempat berlangsungnya reaksi gelap fotosintesis. Kemudian, tilakoid adalah sistem membran dalam kloroplas dan berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi terang. Sedangkan grana adalah kumpulan tilakoid dalam kloroplas, yaitu satu tumpuk tilakoid. Grana ini berfungsi menangkap energi cahaya matahari.

Pada fotosintesis, terdapat proses reaksi terang dan reaksi gelap/siklus Calvin. Untuk lebih jelasnya, simak penjelasan berikut ini.

1. Reaksi Terang

Reaksi terang adalah tahapan fotosintesis yang mengkonversi energi matahari menjadi energi kimia. Proses reaksi terang yaitu sebagai berikut.

• Kloroplas menyerap cahaya.
• Cahaya menggerakkan transfer elektron dan hidrogen ke penerima, yaitu NADP⁺, pada proses ini air akan terurai.

2. Reaksi Gelap/Siklus Calvin

Siklus Calvin adalah nama untuk Melvin Calvin, dimana pada tahun 1940 bersama dengan rekan-rekannya telah menjelaskan sebuah proses reaksi gelap fotosintesis. Siklus Calvin disebut juga reaksi gelap karena tidak memerlukan cahaya secara langsung.

Proses reaksi gelap yaitu sebagai berikut.

• Pemasukan CO₂ kedalam molekul organik yang telah disiapkan di dalam kloroplas. Proses ini disebut dengan fiksasi karbon.
• Karbon terfiksasi direduksi menjadi karbohidrat melalui penambahan elektron. Energi untuk mereduksi berasal dari NADPH.
• CO₂ diubah menjadi karbohidrat dengan menggunakan ATP hasil dari reaksi terang.

b. Kemosintesis

Kemosintesis adalah salah satu contoh anabolisme yang menggunakan sumber energi yang berasal dari reaksi kimia eksergonik, yang melepaskan energi selama reaksi berlangsung.

Proses kemosintesis ini dilakukan oleh bakteri, contohnya sebagai berikut.

• Bakteri belerang, misalnya bakteri sulfur tak berwarna (Thiobacillus) memperoleh energi dengan cara mengoksidasi H₂S, reaksinya yaitu:

2H₂S + O₂   2H₂O + 2S + energi

Baca juga: Proses Pembelahan Sel

Pemahaman Akhir

Manusia membutuhkan energi untuk menjalankan berbagai proses dalam tubuhnya. Cara manusia memperoleh energi adalah dengan mengonsumsi makanan dan minuman yang mengandung nutrisi. Proses penyediaan energi, baik pada manusia maupun tumbuhan, terjadi melalui proses metabolisme.

Metabolisme adalah seluruh proses atau reaksi biokimia yang terjadi dalam sel. Metabolisme terbagi menjadi dua, yaitu katabolisme dan anabolisme. Katabolisme adalah proses penguraian senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana dengan menghasilkan energi. Anabolisme, sebaliknya, adalah proses pembentukan senyawa kompleks dari senyawa sederhana yang memerlukan energi.

Enzim berperan penting dalam proses metabolisme sel. Enzim adalah senyawa organik yang berperan sebagai biokatalisator dalam reaksi kimia sel. Enzim mempercepat kecepatan reaksi kimia tanpa ikut bereaksi. Struktur enzim terdiri dari apoenzim (protein) dan kofaktor (komponen nonprotein berupa ion atau molekul).

Cara kerja enzim dijelaskan melalui dua teori, yaitu teori kunci dan gembok (lock and key theory) dan teori kecocokan yang terinduksi (induced fit theory). Enzim bekerja secara spesifik pada substrat yang mampu mengikat sisi aktif enzim.

Beberapa faktor yang mempengaruhi kerja enzim antara lain suhu, pH, konsentrasi enzim, konsentrasi substrat, dan adanya zat penghambat (inhibitor).

Selain berperan dalam proses metabolisme, enzim juga berperan dalam proses reduksi, dehidrasi, oksidasi, hidrolisis, fosforilasi, serta dalam pembentukan lemak.

Dalam fotosintesis, tumbuhan menggunakan energi matahari untuk mengubah karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat dan oksigen. Sementara itu, dalam kemosintesis, bakteri menggunakan reaksi kimia untuk mendapatkan energi dengan mengoksidasi senyawa tertentu.

Dengan pemahaman mengenai metabolisme dan peran enzim, kita dapat lebih mengerti tentang bagaimana manusia dan makhluk hidup lainnya memperoleh energi dan menjalankan berbagai proses vital di dalam tubuhnya.

Nah, itulah pembahasan mengenai enzim dan metabolisme sel. Setelah mempelajari pembahasan tersebut, kini kamu bisa memahami mengenai peran enzim dalam proses metabolisme, struktur enzim, sifat enzim, dan peranannya.

Sumber:

Kistinnah, Idun dan Endang Sri Lestari. (2010). BIOLOGI. Bandung: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.

Safitri, Ririn. (2016). BIOLOGI. Surakarta: Mediatama.