Metabolisme sel adalah seluruh reaksi kimia
yang dilakukan oleh organisme. Metabolisme juga dapat dikatakan sebagai proses
yang dilakukan oleh sel untuk mengatur sumber daya materi dan energi yang
dimilikinya. Dalam prosesnya, sel melakukan berbagai reaksi kimia dalam
berbagai jalur yang merubah molekul melalui beberapa tahapan.
Terdapat dua macam jalur yang dimiliki oleh
sel yaitu:
- Jalur katabolik proses yang memecah senyawa
kompleks menjadi senyawa sederhana dengan melepaskan energi (eksergonik)
- Jalur anabolik proses yang memerlukan
energi (endergonik) untuk membentuk senyawa kompleks dari senyawa sederhana
Sebagian besar proses di atas dilakukan
oleh sel dengan bantuan Adenosin trifosfat (ATP) dan enzim.
Struktur dan Hidrolisis Adenosin trifosfat
(ATP)
ATP merupakan suatu tipe nukleotida yang
dapat ditemukan pada asam nukleat. ATP memiliki basa nitrogen adenin yang berikatan
dengan ribosa, sebagaimana sebuah nukleotida adenin RNA. Perbedaannya adalah
pada RNA hanya terdapat satu gugus fosfat yang menempel pada ribosa, sementara
pada ATP terdapat suatu rantai yang terdiri dari tiga gugus fosfat yang berikatan
dengan ribosa.
(Struktur ATP)
Ikatan antara fosfat pada ekor ATP dapat
diputus melalui proses hidrolisis. Melalui proses ini, satu molekul fosfat anorganik
dilepaskan dari ATP sehingga ATP berubah menjadi ADP. Reaksi ini merupakan
reaksi eksergonik dan dalam kondisi laboratorium melepaskan 7,3 kkal untuk
setiap mol ATP yang terhidrolisis berdasarkan reaksi:
ATP + H2O -> ADP + Pi
ΔG = -7,3 kkal/mol (atau -31 kJ/mol)
Bagaimana ATP bekerja dalam sel?
Apabila ATP terlarut di dalam air maka
energi yang dilepaskan ATP memiliki kemampuan untuk memanaskan air yang
terdapat disekelilingnya. Bila ini terjadi dalam sel, selain memboroskan energi,
maka hal ini merupakan suatu yang membahayakan kehidupan. Oleh sebab itu, sel
memerlukan bantuan enzim tertentu yang memiliki kemampuan mengikat energi yang
dihasilkan proses hidrolisis ATP dan membawa fosfat yang dihasilkan proses
tersebut ke lokasi yang membutuhkan energi. Senyawa penerima ATP ini kemudian
disebut terfosforilasi (phosporylated).
Regenerasi ATP
Suatu sel terus menerus menggunakan dan
menghasilkan ATP. Mereka menghasilkan ATPdengan menambahkan satu gugus fosfat
pada ADP. Energi bebas yang diperlukan untuk membentuk ATP tersebut berasal
dari reaksi katabolik yang terjadi di dalam sel berdasarkan reaksi:
ADP + Pi -> ATP + H2O
ΔG = +7,3 kkal/mol (kondisi standar)
Hukum termodinamika yang menjadi dasar
seluruh proses perpindahan energi di alam tidak memberi informasi tentang
kecepatan aliran energi dan perubahan senyawa. Suatu reaksi kimia spontan yang
berjalan sangat lambat dapat terjadi dalam waktu singkat dengan bantuan enzim.
Bagaimana enim dapat melakukan hal tersebut?
Enzim adalah protein katalis. Katalis
merupakan suatu agen kimia yang merubah kecepatan reaksi tanpa ikutberubah akibat
reaksi tersebut. Enzim mampu melakukan hal tersebut berdasarkan pengaruhnya terhadap
energi aktivasi yang dibutuhkan oleh setiap reaksi kimia. Energi aktivasi
adalah energi yang dibutuhkan untuk memecahkan molekul senyawa reaktan. Ikatan
pada senyawa tersebut hanya dapat puyus apabila molekul tersebut telah menyerap
energi dari lingkungan sekitarnya dan menjadikannya sebagai molekul yang tidak
stabil. Pada umumnya energi tersebut adalah panas yang terdapat di lingkungan
sekitar molekul. Panas yang diserap oleh molekul meningkatkan kecepatan atom-atom
di dalam molekul yang kemudian meningkatkan probabilitas atom-atom tersebut
saling bertumbukan sehingga menurunkan kestabilan molekul.
(Grafik Energi Aktivasi)
Peranan enzim adalah menurunkan batasan
energi aktivasi yang dibutuhkan untuk memulai reaksi. Turunnya batasan energi
ini memungkinkan reaksi kimia terjadi pada temperatur yang lebih rendah. Hal
ini menjadi sangat penting karena sebagian besar molekul yang berkaitan dengan
proses kehidupan sangat sensitif terhadap suhu tinggi. Namun hal yang harus
diingat adalah enzim tidak merubah ΔG reaksi dan juga tidak merubah reaksi
kimia endergonik (memelukan energi) menjadi reaksi kimia eksergonik
(menghasilkan energi). Selain itu, hal terpenting lainnya adalah enzim
merupakan senyawa yang sangat selektif dalam memilih reaksi yang akan dikatalis
olehnya sehingga kehadiran enzim sangat menentukan proses kimia yang terjadi di
dalam sel pada waktu tertentu.
(Siklus Katalik Oleh Enzim)
Aktivitas enzim sangat dipengaruhi oleh
kondisi lingkungan secara umum, seperti pH dan temperatur, dan juga oleh
senyawa kimia tertentu yang dapat mempengaruhi kerja enzim.
Pengaruh temperatur dan pH
Pengaruh Temperatur dan pH
Karena enzim merupakan suatu protein maka
temperatur dan pH merupakan faktor penting bagi aktivitas enzim. Kemampuan
enzim akan meningkat sejalan dengan peningkatan temperatur lingkungan karena
tumbukan antar substrat dengan sisi aktif (active site) meningkat seiring dengan
meningkatnya pergerakan molekul. Akan tetapi, kemampuan kerja enzim akan
menurun di atas suhu tertentu. Hal ini karena panas akan menggangu ikatan hidrogen,
ion dan berbagai ikatan yang menstabilkan bentuk aktif dari enzim dan dengan
demikian enzim menjadi terdenaturasi. Setiap enzim memiliki temperatur optimum
dimana kecepatan reaksi mencapai titik tertinggi. Pada temperatur tersebut
jumlah molekul yang berikatan dengan sisi aktif mencapai titik tertinggi tanpa
terjadi proses denaturasi protein enzim.
(Beberapa Faktor yang Mempengaruhi Enzim)
Kofaktor
Kofaktor adalah ion atau molekul yang
diperlukan oleh bebrrapa enzim untuk melakukan proses katalis. Kofaktor berupa
molekul organik seringkali dikenal sebagai koenzim.
Inhibitor
Senyawa kimia tertentu memiliki kemampuan
untuk menghambat kerja sebagian enzim. Jika senyawa ini berikatan dengan ikatan
kovalen pada enzim maka inhibisi (proses peghambatan kerja) ini bersifat
permanen atau tidak dapat dihiangkan. Beberapa inhibitor yang tidak terlalu
kuat memiliki kemampuan merubah bentuk molekulnya sehingga menyerupai substrai
dan bersaing dengan substrat untuk berikatan pada sisi aktif enzim. Senyawa ini
dikenal sebagai inhibitor kompetiti (competitive inhibitor). Proses peghambatan
ini dapat diatasi dengan meningkatkan konsentrasi substrat.
Inhibitor lainnya dikenal dengan istilah
inhibitor non kompetitif (noncompetitive inhibitor). Inhibitor ini tidakbersaing
dengan substrat untuk berikatan dengan sisi aktif enzim melainkan berikatan
dengan enzim dan merubah bentuk molekul enzim. Kondisi ini menyebabkan
terjadinya perubahan sisi aktif enzim sehingha enzim tidak dapat menggunakan sis
aktifnya untuk berikatan dengan substrat.
Kontrol sel terhadap metabolisme
Sebagai enzim mengalami perubahan bentuk
senyawa regulator, baik aktivtor maupun inhibitor, berikatan dengan daerah
tertentu dari sisi allosentrik (bagian enzim yang tidak berikatan dengan
substrat). Pada proses "feedback inhibition" (inhibisi umpan balik)
produk akhir dari suatu jalur metabolisme menghambat kerja enzim pada tahap awal
jalur metabolisme tersebut. Sementara pada proses koomperatif, molekul substrat
berikatanpada salah satu sisi aktif suatu subunit enzim yang selanjutnya
mengaktifkan subunit yang lain.
