Penggolongan Enzim Berdasarkan Ekspresi Gen

Enzim adalah senyawa protein yang bersifat katalisator yang dihasilkan melalui ekspresi gen tertentu di dalam suatu gen. Enzim bekerja secara spesifik dalam reaksi metabolisme. Hampir semua reaksi metabolisme diatur dan dikendalikan oleh enzim. Begitu juga regulasi metabolisme yang berjalan secara dinamis juga melibatkan interaksi DNA dan RNA serta karakteristik dari suatu organisme masing-masing. Oleh karena itu, dalam artikel membahas penggolongan enzim yang didasarkan melalui regulasi suatu metabolisme yang terdiri dari enzim inducible, enzim kontitutif, dan enzim regulator. 

1. Enzim Indusibel

Enzim Indusibel atau disebut juga dengan enzim adaptif adalah enzim yang hanya diekspresikan pada kondisi tertentu dan diproduksi secara terus menerus. Pada bakteri bisa mensintesis enzim spesifik yang berbeda-beda sebagai respon terhadap perubahan lingkungan (Voet & Judith, 2009). Enzim ini jarang terdapat dalam sel atau ada namun dalam kuantitas yang sangat sedikit, tetapi akan disintetis dalam jumlah yang cukup banyak sebagai respon terhadap penginduksi dalam proses induksi enzim (Pudjaatmaka, 2002).

Contoh dari enzim ini adalah fungsinya 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 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 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 (Yuwono, 2007).

Mekanisme kerja Model Operon (Lactose Operon) dapat dijumpai pada bakteri E.coli yang menggunakan ketiga jenis enzim tersebut 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. Gen pengatur yang berupa lacI terletak di luar operon yang mengkode represor. Molekul represor ini bersifat allosterik yang mampu mengikatkan diri pada operator (Gambar 1). Ketika represor menempel pada operator, maka seluruh operon lac tidak bisa mengekspresikan untuk mensintesis enzim untuk metabolisme laktosa. Pada tahap inilah operon lac dalam keadaan off (Campbell, 2009; Murray, 2009).

Gambar 1. (A) Ada laktosa, represor tidak aktif, operon dalam keadaan on, (B) Tidak ada laktosa, represor aktif, operon dalam keadaan off (Campbell et al, 2009).

Ketika terdapat subtasansi yang memulai untuk menginduksi dalam metabolisme, maka disebut inducer yang berupa laktosa. Inducer akan menonaktifkan represor. Pada saat ada penambahan laktosa pada bakteri E.coli, maka represor menjadi tidak aktif yang selanjutnya metabolisme laktosa akan terinduksi dan operon lac dalam keadaan “on” yang mampu menghasilkan enzim untuk metabolisme laktosa.

Jika suatu kultur E.coli yang diberi media glukosa dan laktosa, maka bakteri tersebut akan menggunakan glukosa terleih dahulu sampai habis. Selanjutnya setelah mengalami fase lag yang pendek (Gambar 2), maka bakteri tersebut akan menggunakan laktosa sebagai sumber karbon. Hal ini dikarenakan enzim untuk metabolisme glukosa lebih konstitutif daripada enzim untuk metabolisme laktosa yang bersifat indusibel (Prescott, 2002).

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).

Enzim regulator adalah enzim yang berada dalam jalur reaksi biokimia yang bekerja bersama-sama dalam rangkaian metabolisme. Enzim ini berada pada konsentrasi yang tinggi (Vmaks rendah), sehingga aktivitas enzim ini dipengaruhi oleh tinggi rendahnya konsentrasi subtrat. Dalam sistem multienzim, enzim yang berada pada urutan pertama disebut sebagai enzim regulator. Enzim regulator ini memiliki dua tipe yakni enzim allosterik (noncovalent) dan enzim pengatur kovalen (covalently modulated enzyme) (Lehninger, 2004).

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.

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 (Lehninger, 2004).

Berdasarkan modulasinya, enzim allosterik dibedakan menjadi dua kelompok yakni enzim allosterik homotropik dan enzim allosterik heterotropik. Pada enzim allosterik homotropik substrat berperan sebagai modulator. Hal ini dikarenakan subtrat identik dengan modulator. Sementara pada enzim allosterik heterotropik, modulasinya tidak dipengaruhi oleh substratnya sendiri.

Golongan enzim ini merupakan enzim pengatur yang bentuk aktifnya dipengaruhi oleh modifikasi kovalen molekul enzim. 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).