Metabolisme dan Enzim — Nota JomSkor

Metabolisme: Anabolisme dan Katabolisme

Metabolisme merujuk kesemua tindak balas kimia dalam organisma hidup. Katabolisme ialah penguraian bahan kompleks kepada bentuk ringkas, membebaskan tenaga (contoh: penguraian glukosa semasa respirasi sel). Anabolisme ialah sintesis molekul kompleks daripada molekul ringkas, menggunakan/menyerap tenaga (contoh: penghasilan glukosa semasa fotosintesis).

Katabolisme: A → B + C (bebas tenaga); Anabolisme: A + B → C (guna/serap tenaga)

Enzim, Substrat dan Tapak Aktif

Enzim ialah mangkin organik (kebanyakannya protein) yang dihasilkan oleh sel hidup. Bahan tindak balas yang diperlukan oleh enzim dikenali sebagai substrat. Substrat bergabung dengan enzim pada tapak spesifik (tapak aktif) membentuk kompleks enzim-substrat sebelum menghasilkan produk.

Penamaan Enzim

IUBMB memperkenalkan sistem penamaan enzim berdasarkan substrat/tindak balas yang dimangkinkan, dengan menambah "-ase" pada nama substrat. Sesetengah enzim yang ditemui sebelum sistem ini (tripsin, pepsin, renin) tidak mengikut penamaan ini.

nama substrat + "-ase" (contoh: laktosa → laktase)

Sifat-sifat Umum Enzim

(1) Bertindak dengan pantas. (2) Diperlukan dalam kuantiti kecil dan boleh digunakan semula. (3) Struktur kekal tidak berubah/tidak dimusnahkan selepas tindak balas. (4) Spesifik — hanya substrat yang saling berpelengkap dengan tapak aktif boleh bergabung. (5) Kebanyakan tindak balas yang dimangkin adalah berbalik. (6) Sesetengah enzim memerlukan kofaktor (contoh: vitamin B, ion magnesium) untuk berfungsi lebih berkesan. (7) Aktiviti enzim boleh diperlahankan/dihentikan oleh perencat (contoh: logam berat plumbum, merkuri).

Enzim Intrasel vs Enzim Ekstrasel

Enzim intrasel disintesis untuk kegunaan sel itu sendiri (contoh: heksokinase dalam glikolisis). Enzim ekstrasel dirembes keluar sel (contoh: tripsin daripada sel pankreas ke duodenum). Penghasilan enzim ekstrasel: (1) Ribosom mensintesis protein. (2) Protein memasuki lumen jalinan endoplasma kasar. (3) Membran RE kasar membentuk tunas → vesikel angkutan. (4) Vesikel angkutan bergerak ke Jasad Golgi dan bercantum. (5) Dalam Jasad Golgi, protein diubah suai jadi enzim dan dirembes dalam vesikel rembesan. (6) Vesikel rembesan bergerak ke membran plasma, bercantum dan merembeskan enzim keluar sel.

Ribosom → RE kasar → vesikel angkutan → Jasad Golgi → vesikel rembesan → membran plasma → luar sel

Mekanisme Tindakan Enzim: Hipotesis Mangga dan Kunci

Enzim (mangga) mempunyai tapak aktif berkonfigurasi spesifik yang saling berpelengkap dengan substrat (kunci) yang spesifik. Langkah: (1) Substrat spesifik menghampiri enzim. (2) Substrat bergabung pada tapak aktif membentuk kompleks enzim-substrat. (3) Tindak balas berlaku, produk terhasil dan meninggalkan tapak aktif; enzim kekal tidak berubah untuk digunakan semula.

Tenaga Pengaktifan

Tenaga pengaktifan ialah tenaga yang diperlukan untuk memecah ikatan dalam molekul substrat sebelum tindak balas boleh berlaku. Enzim berfungsi MENGURANGKAN tenaga pengaktifan yang diperlukan, lalu mempercepatkan kadar tindak balas biokimia tanpa enzim itu sendiri diubah.

Kesan Suhu terhadap Aktiviti Enzim

Suhu rendah → kadar tindak balas rendah. Suhu meningkat → tenaga kinetik molekul meningkat → frekuensi perlanggaran berkesan enzim-substrat meningkat → kadar tindak balas meningkat sehingga suhu optimum (37°C dalam badan manusia). Selepas suhu optimum, peningkatan suhu selanjutnya MENGURANGKAN aktiviti enzim dengan cepat sehingga enzim ternyahasli (~60°C) — ikatan kimia enzim terputus, bentuk 3D & tapak aktif berubah, substrat tidak lagi saling berpelengkap.

Setiap kenaikan 10°C → kadar tindak balas meningkat 2× (sehingga suhu optimum); suhu optimum badan manusia = 37°C; enzim ternyahasli ~60°C

Kesan pH terhadap Aktiviti Enzim

Setiap enzim mempunyai pH optimum untuk bertindak paling berkesan. Perubahan pH mengubah cas (ion H+) pada tapak aktif dan permukaan substrat, menghalang pembentukan kompleks enzim-substrat. Jika pH kembali ke optimum, cas dipulihkan dan enzim berfungsi normal semula. Perubahan pH ekstrem memutuskan ikatan kimia struktur enzim dan mengubah tapak aktif secara kekal — enzim ternyahasli.

Kebanyakan enzim: pH optimum 6-8 (contoh amilase air liur pH 6.8); pepsin: pH 1.5-2.5; tripsin: pH ~8.5

Kesan Kepekatan Substrat dan Kepekatan Enzim

Kepekatan substrat ditambah (kepekatan enzim malar): kadar tindak balas meningkat kerana peluang perlanggaran berkesan meningkat, sehingga mencapai tahap maksimum (malar) apabila semua tapak aktif tepu — pada titik ini KEPEKATAN ENZIM jadi faktor pengehad. Kepekatan enzim ditambah (substrat berlebihan): kadar tindak balas meningkat selaras (kepekatan enzim digandakan → kadar/produk digandakan) sehingga tahap maksimum, di mana KEPEKATAN SUBSTRAT jadi faktor pengehad.

Aplikasi Enzim dalam Kehidupan Harian

Enzim diekstrak daripada sumber semula jadi (contoh bakteria) atau dihasilkan secara sintetik. Teknologi imobilisasi enzim (enzim tersekat gerak): enzim digabungkan dengan bahan lengai/tak larut supaya kekal di kedudukan sama, meningkatkan rintangan terhadap perubahan suhu/pH dan mudah diasingkan daripada hasil. Contoh aplikasi: enzim pencernaan dalam perubatan, laktase untuk susu bebas laktosa, pektinase/selulase untuk penghasilan jus, amilase/lipase/protease/selulase dalam bio detergen, tripsin untuk mengeluarkan bulu kulit haiwan, protease untuk mengasingkan kulit ikan.

Contoh soalan

Y ialah enzim yang memangkinkan hidrolisis sukrosa kepada glukosa dan fruktosa. Namakan enzim Y dan terangkan bagaimana namanya diperoleh.

• Enzim Y ialah sukrase.
• Nama enzim diperoleh dengan menambah hujung "-ase" pada nama substrat yang dimangkinkan, iaitu sukrosa, menghasilkan nama "sukrase".
• Ini selaras dengan sistem penamaan enzim oleh IUBMB berdasarkan substrat atau tindak balas yang dimangkinkan.

Contoh soalan

Terangkan kesan suhu terhadap kadar tindak balas yang dimangkinkan oleh enzim, dari suhu rendah sehingga 60°C.

• Pada suhu rendah, kadar tindak balas adalah rendah kerana tenaga kinetik molekul substrat dan enzim adalah rendah.
• Apabila suhu meningkat, tenaga kinetik molekul meningkat, menyebabkan frekuensi perlanggaran berkesan antara substrat dan enzim meningkat, lalu kadar tindak balas meningkat.
• Bagi setiap kenaikan 10°C, kadar tindak balas meningkat dua kali ganda sehingga mencapai suhu optimum (37°C dalam badan manusia), di mana kadar tindak balas adalah maksimum.
• Selepas suhu optimum, peningkatan suhu selanjutnya mengurangkan aktiviti enzim dengan cepat.
• Pada suhu 60°C, enzim ternyahasli — ikatan kimia dalam molekul enzim terputus, bentuk tiga dimensi tapak aktif berubah.
• Substrat tidak lagi dapat saling berpelengkap dengan tapak aktif, jadi tindak balas terhenti.

Contoh soalan

Apakah yang akan berlaku sekiranya ribosom dalam suatu sel pankreas tidak berfungsi? Jelaskan.

• Ribosom merupakan tapak sintesis protein, jadi protein (termasuk enzim pencernaan seperti tripsin) tidak dapat disintesis.
• Tanpa protein yang disintesis, proses seterusnya (pengangkutan melalui RE kasar, pengubahsuaian di Jasad Golgi, dan rembesan sebagai enzim ekstrasel) tidak dapat berlaku.
• Akibatnya, sel pankreas tidak dapat menghasilkan dan merembeskan enzim pencernaan ekstrasel ke dalam duodenum, menjejaskan proses pencernaan makanan.