HADIAH Nobel Kimia tahun ini diberikan pada tiga orang yaitu Profesor Paul D Boyer (University of California, AS), Dr John E Walker (Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology, Inggris) dan Profesor Jens C Skou (Aarhus University, Denmark).
Prof Boyer (79) dan Dr Walker (56) dinilai berjasa, karena dapat menjelaskan bagaimana enzim ATP sintase memproduksi ATP (senyawa berenergi tinggi) dalam sel. Sedangkan Prof Skou (79) berjasa karena menemukan enzim natrium-kalium adenosin trifosfatase (Na, K+-ATPase) yang berfungsi menjaga keseimbangan jumlah ion natrium dan kalium dalam sel hidup (Kompas, 16 Oktober 1997).
Dimanakah letak menariknya penemuan itu sampai panitia hadiah Nobel memberikan penghargaan yang tinggi pada ketiga peneliti itu?
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
ATP (adenosin trifosfat) yang ditemukan oleh ahli kimia Jerman, Karl Lohman pada tahun 1929 merupakan senyawa yang berenergi tinggi. Senyawa ini berfungsi sebagai pembawa energi kimia pada semua organisme hidup mulai dari bakteri dan fungi sampai pada tanaman dan manusia.
Energi kimia itu berasal dari pemecahan zat makanan, yakni protein, karbohidrat, dan lemak. Apabila satu molekul karbohidrat sederhana, yaitu glukosa, diubah secara sempurna menjadi karbon dioksida dan air, akan dihasilkan 38 buah ATP.
ATP diperlukan untuk pembentukan komponen sel (biosintesis protein, DNA), kontraksi, dan relaksasi otot, pengiriman pesan sel syaraf, untuk melakukan kerja osmotik pada ginjal dan berbagai fungsi lainnya.
Selama tahun 1940-an sampai 1950-an, telah ditemukan ATP dibentuk di mitokondria pada manusia (melalui rangkaian metabolisme rantai pemapasan) dan di kloroplas pada tanaman (melalui rangkaian metabolisme fotosintesis).
Pada tahun 1960, peneliti Amerika bernama Efraim Racker dan rekan kerjanya mengisolasi enzim ATP sintase dari mitokondria. Kemudian pada tahun 1961, Peter Mitchell dari Inggris menunjukkan bahwa sel mitokondria memiliki perbedaan konsentrasi ion hidrogen (pH) di dalam dan di luar membran. Perbedaan inilah yang menyebabkan ion hidrogen mengarahkan pembentukan ATP.
Mekanisme ATP sintase
Paul D Boyer memulai risetnya tentang pembentukan ATP pada awal tahun 1950-an dengan bantuan teknik pela John E Walker. Sedangkan John E Walker melakukan riset awalnya mengenai enzim ATP sintase pada tahun 1983. Ia menentukan urutan asam amino penyusun berbagai sub-unit yang terdapat di bagian kepala/F1.
Selanjutnya pada tahun 1990-an, ia bekerja sama dengan ahli kristalografi menentukan struktur tiga dimensi enzim ATP sintase. Ia menerangkan sub-unit gamma, delta, dan epsilon, yang tidak simetris. Pekerjaan Walker ini sangat menunjang pendapat yang diajukan oleh Boyer tentang mekanisme sintesis ATP.
Boyer berpendapat, mekanisme sintesis ATP diakibatkan oleh adanya rotasi sub-unit gamma, delta, dan epsilon. Rotasi ini menyebabkan terjadinya perubahan struktur sub unit beta, sehingga sub unit beta memiliki kemampuan afinitas yang berbeda terhadap ADP dan ATP. Terjadinya rotasi pada sub unit gamma, dalta, dan epsilon ini akibat terobosan ion hydrogen.
Bagian dalam sel mitokondria memiliki banyak ion hidrogen (H+), akibat berlangsungnya transfer elektron sepanjang rantai pernapasan. Apabila ion hidrogen ini menerobos keluar membran mitokondria melewati ”piringan” protein sub unit c (sebanyak 9 buah) pada Fo, maka ”piringan” itu berputar dua kali (lihat gambar 1).
Sub-unit gamma yang terikat pada Fo juga ikut berotasi. Karena sub-unit gamma tidak simetris, maka rotasi sub-unit gamma ini menyebabkan sub-unit beta mengalami perubahan struktur. Akibatnya, ADP dan fosfat yang menempel pada sub unit beta akan diubah menjadi ATP.
Perihal mekanisme kerja enzim ATP sintase bisa dilihat tulisan Prof Boyer yang dimuat di Annual Review in Biochemistry Vol 66, tahun 1997 dengan judul, The ATP synthase – a splendid melecular machine.
Enzim Na dan K ATPase
Sudah lama diketahui, adanya perbedaan konsentrasi ion-ion di dalam sel dan di luar sel. Di dalam sel, konsentrasi ion natrium lebih rendah dan kansentrasi ion kalium lebih tinggi dibandingkan konsentrasinya di luar sel. Adanya perbedaan konsentrasi ion ini semakin jelas diungkapkan, berkat penelitian yang dilakukan oleh Skou mengenai aktivitas enzim ATP-ase yang dipengaruhi oleh ion natrium dan kalium.
Risetnya dipublikasikan di jurnal Biochemica et Biophysica Acta, Vol 23, tahun 1957. Ia yang pertama kali menjelaskan suatu enzim secara langsung terlibat dalam mentransfer ion melewati membran sel.
Sejak temuannya itu, kemudian banyak peneliti yang melakukan riset tentang kanal ion dan enzim yang membantu transfer ion itu, sehingga kini persoalan transfer ion itu mudah dipahami, walaupun masih ada beberapa pertanyaan mendasar yang belum terjawab.
Enzim yang membantu ion natrium dan kalium menyeberangi membran sel disebut emzim Na-K ATPase. Enzim yang terdapat di membran sel ini tersusun dari dua sub-unit polipeptida, disebut alfa dan beta. Sub-unit alfa menunjang aktivitas enzim, sedangkan sub unit beta menjaga supaya struktur enzim tetap stabil.
Polipeptida alfa mempunyai berat molekul 112.000 dan disusun oleh rangkaian 1020 asam amino. Pada palipeptida ini terdapt tempat untuk mengikat ATP dan menghidrolisisnya menjadi ADP dan fosfat. Juga terdapat tempat untuk mengikat tiga ion natrium dan tempat untuk mengikat dua ion kalium.
Polipeptida beta, berat molekulnya 50.000, disusun oleh 300 asam amino. Polipeptida ini tidak terlibat pada siklus keluar masuknya ion Na dan K+. Sekitar 30 persen berat molekulnya disumbang oleh adanya karbohidrat yang terikat pada polipeptida ini. Pergerakan masuknya ion kalium ke dalam sel dan keluarnya ion natrium dari sel dikendalikan oleh enzim Na, K ATPase itu.
Ion natrium di dalam sel jumlahnya lebih sedikit dibandingkan di luar sel. Kebalikannya, ion kalium di dalam sel jumlahnya lebih banyak dibandingkan di luar sel. Ion natrium masuk ke dalam sel melalui kanal khusus, bersamaan dengan masuknya glukosa ke dalam sel. Glukosa (karbohidrat sederhana) dari bahan makanan yang kita makan ini akan dipakai sebagai sumber energi kita.
Berhubung masuknya glukosa ke dalam sel dibantu oleh adanya ion natrium, maka lama kelamaan ion natrium dalam sel jadi banyak. Kita bisa repot. Untunglah, ada enzim Na, K ATPase yang akan memindahkan ion natrium dalam sel ke luar sel.
Mari kita lihat gambar 2. Pada gambar ini senyawa ATP di dalam sel diubah oleh enzim Na, K ATPase menjadi ADP dan fosfat. Pengikatan fosfat pada asam amino asparagin di enzim ini menyebabkan ion natrium mudah menempati ruang yang khusus disediakan untuknya, lalu terjadi perubahan konformasi enzim, sehingga ion natrium itu dilepaskan ke luar sel. Sebaliknya ion kalium masuk ke dalam sel. Perpindahan ion natrium dan kalium yang konstan ini membantu menjaga keseimbangan osmosa di sel.
Kerja enzim memompa ion natrium dan ion kalium ini dapat dihambat oleh senyawa ouabain. Begitu ada senyawa ouabain, kerja enzim ini berhenti, sel menjadi mengembang dan meletup akibat banyaknya air yang masuk ke dalam sel.
Aktivitas enzim ini juga terganggu akibat ulah racun tetrodotoxin yang juga ada pada ikan puffer dan sumber lainnya. Racun yang mematikan ini akan menghentikan aktivitas perpindahan ion natrium, tanpa mempengaruhi aktivitas perpindahan ion kalium.
Selain itu aktivitas enzim ini juga terganggu oleh adanya ion tetraetil amonium yang hanya menghentikan aktivitas perpindahan ion kalium tanpa mengganggu aktivitas perpindahani ion natrium.
Pemahaman terhadap enzim Na, K ATPase dan enzim lain yang khusus melewatkan ion pada membran, sangat panting guna menunjang aplikasi terapan yang menguntungkan bagi kesehatan tubuh. Misalnya enzim Ca ATPase di otot, yang berpartisipasi mengontrol konstraksi otot. Juga enzimH, K ATPase yang berperan menghasilkan asam klorida di lambung.
Markus G Subiyakto peminat biokimia tinggal di Jakarta
Sumber: Kompas, Kamis, 23 Oktober 1997
