makalah biokimia

I.       PENDAHULUAN

A.    LATAR BELAKANG

Sejak jaman dahulu manusia sudah mengenal Bioteknologi. Dahulu bioteknologi

diasumsikan berupa pengolahan makanan dan minuman menggunakan mikroba. Dahulu

bioteknologi hanya menghasilkan tempe, keju, anggur, yogurt, dsb. Seiring dengan

perkembangan jaman, Bioteknologi menghasilkan alkohol, penicilin, sampai kemudian

antibbodi monoklonal.

Bioteknologi itu sendiri merupakan penerapan asas-asas sains (ilmu pengetahuan

alam) dan rekayasa (teknologi) untuk pengolahan suatu bahan dengan melibatkan aktivitas

jasad hidup untuk menghasilkan barang dan/atau jasa (Bull, et all, 1982). Jasad hidup yang

dimaksud dalam pengertian tersebut adalah agen biologi. Bioteknologi di era modern

sekarang banyak menghasilkan produk dalam skala industri. Dalam memanfaatkan agen

biologi, bioteknologi menggunakan peranan penting enzim, sehingga enzim memegang

peranan penting dalam industri.

Enzim adalah protein tidak beracun namun mampu mempercepat laju reaksi kimia

dalam suhu dan derajat keasaman yang lembut. Produk yang dihasilkannya sangat spesifik

sehingga dapat diperhitungkan dengan mudah. Walaupun berat mikroba, seperti contohnya

bakteri hanya mencapai sepersejuta gram, kemampuan kimiawinya cukup mengagumkan.

Selnya tersusun atas ribuan jenis zat kimia, kebanyakan diantaranya bersifat sangat

kompleks. Semua zat ini tentunya dibangun dengan reaksi kimia dari bahan-bahan penyusun

yang relatif sederhana yang ditemukan mikroba di lingkungannya. Semua reaksi kimia harus

terkoordinasi secara harmonis dan protein yang disebut enzim memainkan peran utama pada

setiap tahap.

Enzim menjadi primadona industri bioteknologi saat ini dan di masa yang akan datang

karena melalui penggunaannya, energi dapat dihemat dan akrab dengan lingkungan. Saat ini

penggunaan enzim dalam industri makanan dan minuman, industri tekstil, industri kulit dan

kertas di Indonesia semakin meningkat. Dilaporkan, enzim amilase yang digunakan dalam

industri tekstil di Bandung - Jawa Barat, jumlahnya tidak kurang dari 4 ton per bulan atau

sekitar 2- 3 juta dolar Amerika setiap bulannya dan semuanya diimpor.

B.     TUJUAN

Berdasarkan latar belakang tersebut, makalah ini bertujua untuk:

1. Mengetahui pengertian enzim dan peranan enzim

2. Mengetahui sumber enzim

3. Mengetahui produksi dan legislasi enzim

4. Mengetahui immobilisasi enzim

5. Mengetahui aplikasi bioteknologi enzim

II.    PEMBAHASAN

A.    Pengertian dan Peranan Enzim

Enzim adalah protein yang berfungsi sebagai katalisator (protein katalitik) untuk

reaksi-reaksi kimia di dalam sistem biologi. Katalisator mempercepat reaksi kimia. Walaupun

katalisator ikut serta dalam reaksi, ia kembali ke keadaan semula bila reaksi telah selesai.

Suatu katalis adalah suatu agen kimiawi yang mengubah laju reaksi tanpa harus dipergunakan

oleh reaksi tersebut. Aktivitas enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor, diantaranya

konsentrasi substrat, pH, suhu, dan inhibitor (penghambat). (Campbell, 1987: 98).

Berbeda dengan katalisator nonprotein (H+, OH-, atau ion-ion logam), tiap-tiap enzim

mengkatalisis sejumlah kecil reaksi, kerapkali hanya satu. Jadi enzim adalah katalisator yang

reaksi-spesifik karena semua reaksi biokimia perlu dikatalis oleh enzim, sehingga terdapat

banyak jenis enzim.

Menurut Smith (1981: 39), enzim merupakan komplek molekul organik yang berada

dalam sel hidup yang beraksi sebagai katalisdalam mempercepat laju reaksi kimia. Tanpa

enzim, tidak akan ada kehidupan. Meskipun enzim hanya dibentuk dalam sel hidup, namun

beberapa dapat dipisahkan dari selnya dan melanjutkan fungsinya dalam kondisi in vitro.

Menurut Steve Prentis (1990: 12), enzim adalah katalisator biologis, karena suatu

katalisator merupakan suatu senyawa yang mempercepat laju reaksi kimia. Hampir semua

reaksi kimia yang penting bagi kehidupan akan berlangsung sangat lambat tanpa adanya

katalisator yang sesuai.

Bisa disimpulkan bahwa enzim merupakan senyawa organik bermolekul besar yang

berfungsi untuk mempercepat jalannya reaksi metabolisme di dalam tubuh tanpa

memperngaruhi keseimbangan reaksi. Dari beberapa pengertian tersebut jelaslah bahwa

enzim sangat berperan dalam sebagian besar reaksi kimia dalam tubuh makhluk hidup, tak

terkecuali mikroba yang banyak digunakan sebagai agen biologi dalam bioteknologi.

Mekanisme kerja enzim berlangsung dalam dua tahap. Banyak enzim menggunakan

lebih dari satu substrat tetapi untuk memahami prinsip dasar kerja enzim dengan mudah

dengan memperhatikan reaksi enzim dengan satu substrat seperti berikut (Primrose, 1987:

40):

Enzim (E) + Substrat (S) ═ kompleks ═ enzim + produk (P)

Substrat (ES)

Segera setelah enzim bergabung dengan substratnya, akan bebas kembali.

Gambar 1. Reaksi Enzim dan Substrat

Kemampuan enzim yang unik, spesifik terhadap substrat meningkatkan

penggunaannya dalam proses industri secara kolektif yang dikenal dengan istilah teknologi

enzim. Teknologi enzim mencakup produksi, isolasi, purifikasi, menggunakan bentuk yang

dapat larutdan akhirnya sampai pada immobilisasi dan penggunaan enzim dalam skala yang

lebih luas melalui sistem reaktor.

Peranan teknologi enzim berkontribusi pada pemecahan beberapa masalah vital di era

modern seperti sekarang, misalnya produksi makanan, kekurangan dan pemeliharaan energi,

dan peningkatan lingkungan. Teknologi baru ini dasarnya dari biokimia tetapi diterangkan

lebih luas dengan mikrobiologi, kimia, dan proses alat teknologi yang mendukung

keberadaan sains.

B.     Sumber Enzim

Berbagai enzim yang digunakan secara komersial berasal dari jaringan tumbuhan,

hewan, dan dari mikroorganisme yang terseleksi. Enzim yang secara tradisional diperoleh

dari tumbuhan termasuk protease (papain, fisin, dan bromelain), amilase, lipoksigenase, dan

enzim khusus tertentu. Dari jaringan hewan, enzim yang terutama adalah tripsin pankreas,

lipase dan enzim untuk pembuatan mentega. Dari jaringan hewan, enzim yang terutama

adalah tripsin pankreas, lipase, dan enzim untuk pembuatan mentega. Dari kedua sumber

tumbuhandan hewan tersebut mungkin timbul banyak persoalan, yakni: untuk enzim yang

berasal dari tumbuhan, persoalan yang timbulantara lain variasi musim, konsentrasi rendah

dan biaya proses yang tinggi. Sedangkan yang diperoleh dari hasil samping industri daging,

mungkin persediaan enzimnya terbatas dan ada persaingan dengan pemanfaatan lain.

Sekarang jelas bahwa banyak dari sumber enzim yang tradisional ini tidak memenuhi syarat

untuk mencukupi kebutuhan enzim masa kini. Oleh karena itu, peningkatan sumber enzim

sedang dilakukan yaitu dari mikroba penghasil enzim yang sudah dikenal atau penghasil

enzim-enzim baru lainnya.

Program pemilihan produksi enzim sangat rumit, dan dalam hal tertentu jenis kultivasi

yang digunakan akan menentukan metode seleksi galur. Telah ditunjukkan dahwa galur

tertenttu hanya akan menghasilkan konsentrasi enzim yang tinggi pada permukaan atau

media padat, sedangkan galur yang lain memberi respon pada teknik kultivasi terbenam

(submerged), jadi teknik seleksi harus sesuai dengan proses akhir produksi komersial.

Beberapa sumber enzim disajikan dalam tabel berikut:

Enzim Sumber

α-amilase Aspergillus oryzae

Bacillus amyloliquefaciens

Bacillus licheniformis

β-glukonase Aspergillus niger

Bacillus amyloliquefaciens

Glucoamylase Aspergillus niger

Rhizopus sp

Glukosa isomerase Arthobacter sp

Bacillus sp

Lactase Kluyveromyces sp

Lipase Candida lipolytica

Pectinase Aspergillus sp

Penicilin acylase Eschericia coli

Protease, asam Aspergillus sp

Protease, alkali Aspergillus oryzae

Bacillus sp

Protease, netral Bacillus amyloliquefaciens

Bacillus thermoproteolyticus

Pullulanase Klebsiela aerogenes

Tabel 1. Enzim dan sumbernya (Primrose, 1987: 80)

C.    Produksi Enzim

Produksi enzim secara industri saat ini sangat mengandalkan metode fermentasi

tangki dalam (deep tank). Penggunaan mikroorganisme sebagai sumber bahan produksi

enzim dikembangkan dengan beberapa alasan penting, yaitu:

1.      Secara normal mempunyai aktivitas spesifik yang tinggi per unit berat kering produk.

2.      Fluktuasi musiman dari bahan mentah dan kemungkinan kekurangan makanan kaitannya

dengan perubahan iklim.

3.      Mikroba mempunyai karakteristik cakupan yang lebih luas, seperti cakupan pH, dan

resistansi temperatur.

4.      Industri genetika sangat meningkat sehingga memungkinkan mengoptimalisasi hasil dan tipe

enzim melalui seleksi strain, mutasi, induksi dan seleksi kondisi pertumbuhan, yang akhir-

akhir ini, menggunakan inovasi teknologi transfer gen.

Bahan mentah (raw material) untuk industri fermentasi enzim biasanya terbatas pada

unsur-unsur dimana bahan tersedia dengan harga yang murah, dan aman secara nutrisi.

Beberapa yang lazim menggunakan substrat amilum hidrolase, mollase, air dadih, dan

beberapa gandum.

Dalam produksi enzim, menggunakan batch untuk proses fermentasi dengan aerasi

yang baik (diagram 1), tetapi proses mungkin ditingkatkan dengan memelihara satu atau

beberapa komponen selama fermentasi.

Diagram 1. Penggambaran tahap dalam persiapan produksi enzim cair

Beberapa enzim yang digunakan dalam skala industri adalah enzim ekstraseluler,

enzim yang secara normal dihasilkan oleh mikroorganisme sesuai dengan substratnya dalam

lingkungan eksternal dan dapat disamakan dengan enzim pencernaan pada manusia dan

hewan. Kemudian ketika mikroorganisme memproduksi enzim untuk memisahkan molekul

eksternal besar agar bisa dicerna biasanya digunakan media fermentasi. Dalam fermentasi

sari dari kultivasi mikroorganisme tertentu, seperti contoh, bakteri, yeast atau filamentous

jamur, dijadikan sumber utama protease, amilase dan sedikit selolosa, lipase, dsb.

Kebanyakan industri enzim hidrolase mampu bertindak tanpa komplek kofaktor, yang segera

dipisahkan dari mikroorganisme tanpa merusak dinding sel dan larut dalam air. Beberapa

enzim intraseluler, sekarang juga banyak diproduksi secara industri dan diantaranya glukosa

oksidase untuk pengawetan makanan, asparginase untuk terapi kanker, dan penicilin asilase

untuk antibiotikTahap pemulihan standar untuk enzim ekstraseluler seperti berikut:

memindah mikroorganisme, mengkonsentrasikan, penambahan bahan pengawet, standarisasi

dan pengepakan. Untuk ekstraksi enzim intraseluler memerlukan cara mekanis, fisik atau

gangguan kimiapada dinding sel atau membran.

Pada akhir proses fermentasi, kondisi ideal adalah cairan dengan konsentrasi enzim

tinggi, sebuah organisme biomass yang mudah dipisahkan.

Produk enzim yang aman sebaiknya mempunyai potensi alergi yang rendah, dan

dalam partikelnya terbebas dari kontaminan.

4. Legislasi Enzim

Produk enzim dari mikroba harus memenuhi spesifikasi yang ketat berkenaan dengan

sifat racun dan aspek keamanan yang lain. Lingkup pemikiran penting yang berhubungan

dengan penentuan keamanan dari enzim komerisal teruatam adalah :

1. Reaksi alergenik yang disebabkan oleh suatu protein yang ada dalam produk

termasuk protein enzim dan bahan lainnya.

2. Aktivitas katalisis dari enzim.

3. Terjadinya senyawa racun, seperti mikotoksin dan antibiotika.

Mikroorganisme yang digunakan utuk memproduksi enzim dpat diklasifikasikan

menjadi 3 kelompok. Tergantung pada kelompoknya, maka ada tingkatan yang berbeda

dalam pengujian sifat racunnya. Kelompok mikroorganisme yang secara tradisional

digunakan dalam makanan dan mikroorganisme yang dianggap sebagai kontaminan tidak

berbahaya yang ada dalam makanan umumnya pengujian tidak dibutuhkan. Tetapi

mikroorganisme yang tidak termasuk dalam dua kelompok tersebut perlu penyelidikan sifat

racun yang lebih ekstensif.

5. Immobilisasi Enzim

Sebagai molekul bebas yang laruut dalam air, enzim sulit dipisahkan dari substrat dan

produk, selain itu enzim sulit untuk digunakan secara berulang-ulang. Dewasa ini, berbagai

usaha telah dilakukan untuk mengatasi hambatan tersebut, yaitu dengan proses immobilisasi

enzim. Immobilisasi biasanya dapat dianggap sebagai perubahan enzim dari yang larut dalam

air, keadaan bergerak menjadi keadaan tak bergerak yang tidak larut. Immobilisasi mencegah

difusi enzim ke dalam campuran reaksi dan mempermudah memperoleh kembali enzim

tersebut dari aliran produk dengan teknik pemisahan padat atau cair yang sederhana.

Immobilisasi enzim dapat dicapai dengan mengikat enzim secara kovalen ke

permukaan bahan yang tak larut dalam air: pengikatan silang dengan bahan yang cocok untuk

menghasilkan partikel yang baru; penjebakan di dalam suatu matrik atau gel yang permeabel

terhadap enzim, substrat, dan produk; enkapsulasi; dan dengan absorbsi pada zat pendukung.

Keuntungan immobilisasi enzim antara lain;

1. Memungkinkan penggunaan kembali enzim yang sudah pernah digunakan.

2. Ideal untuk proses berkelanjutan (continous procces).

3. Memungkinkan kontrol yang lebih akurat untuk proses katalisis.

4. Meningkatkan stabilitas enzim.

5. Memungkinkan pengambangan sistem reaksi multienzim.

6. Aplikasi Enzim

Ribuan tahun yang lalu proses seperti membuat bir, membuat roti, dan produksi keju

melibatkan enzim yang belum diketahui jenisnya. Dalam cara konvensional ini, teknologinya

dipercayakan pada konversi enzim sebelum bangun pengetahuan yang koheren

dikembangkan.

Di negara barat, industri menggunakan enzim pada produksi yeast dan ragi dimana

pembuatan bir dan roti secara tradisional sudah jarang dikembangkan. Beberapa

perkembangan awal biokimia dipusatkan pada fermentasi yeast dan konversi energi pada

glukosa. Di negara timur, industri yang sama memproduksi sake dan banyak makanan

fermentasi, semuanya dibuat dari filamentous fungi sebagai sumber aktivitas enzim.

Pada tahun 1896, memperlihatkan permulaan yang sebenarnya dari teknologi

mikrobia enzim dengan pemasaran pertama takadiastase, campuran kasar dari enzim

hidrolitik yang disiapkan pada pertumbuhan jamur Aspergillus oryzae pada tepung gandum.

Perkembangan lebih lanjut dari penggunaan enzim meningkatkan proses secara konvensional

ke era baru. Meskipun sebagian besar produksinya masih menghasilkan enzim kasar.

Sampai saat ini lebih dari 200 enzim telah diisolasi dari mikroorganisme, tumbuhan

dan hewan, tetapi kurang dari 20 macam enzim yang digunakan pada skala komersial atau

industri. Kini, produsen enzim komersial memasarkan enzim dalam bentuk kasar karena

proses isolasinya lebih sederhana, terutama digunakan dalam makanan dan dalam industri

detergen (menggunakan enzim amilase), industri roti (menggunakan enzim proteinase),

industri pembuatan bir (menggunakan enzim betaglukanase, amiloglukosidase), industri

tekstil (menggunakan enzim amilase), industri kulit (menggunakan enzim tripsin), industri

farmasi dan obat-obatan (menggunakan enzim tripsin, enzim pankreatic tripsin)

III.   PENUTUP

A.    Kesimpulan

1. Pengertian enzim secara umum yaitu enzim merupakan senyawa organik bermolekul

besar yang berfungsi untuk mempercepat jalannya reaksi metabolisme di dalam tubuh

tanpa memperngaruhi keseimbangan reaksi. Enzim banyak berperan pada pemecahan

beberapa masalah vital di era modern seperti sekarang, misalnya produksi makanan,

kekurangan dan pemeliharaan energi, dan peningkatan lingkungan dan beberapa

industri.

2. Berbagai enzim yang digunakan secara komersial berasal dari jaringan tumbuhan,

hewan, dan dari mikroorganisme yang terseleksi.

3. Produksi enzim secara industri saat ini sangat mengandalkan metode fermentasi

tangki dalam (deep tank). Dalam produksi enzim, menggunakan batch untuk proses

fermentasi dengan aerasi yang baik (diagram 1), tetapi proses mungkin ditingkatkan

dengan memelihara satu atau beberapa komponen selama fermentasi.

4. Produk enzim dari mikroba harus memenuhi spesifikasi yang ketat berkenaan dengan

sifat racun dan aspek keamanan yang lain dengan legislasi.

5. Untuk mengatasi hambatan pemisahan enzim dari substratnya dan produk, serta

enzim yang sulit untuk digunakan secara berulang-ulang, maka dilakukan proses

immobilisasi.

6. Saat ini, produsen enzim komersial memasarkan enzim dalam bentuk kasar karena

proses isolasinya lebih sederhana, terutama digunakan dalam makanan dan dalam

beberapa industri.

DAFTAR PUSTAKA

Buku :

Albert Lehninger. 1982. Dasar-dasar Biokimia. Jakarta: Erlangga.

Campbel and Reece. 2002. Biologi Edisi Kelima. Jakarta: Erlangga.

John E. Smith. 1981. Biotechnology. London: Edward Arnold Publisher.

Primrose. 1987. Modern Biotechnology. London: Blackwell Scientific Publications.