Protease

Protease, disebut juga peptidase atau proteinase, merupakan enzim golongan hidrolase yang akan memecah protein menjadi molekul yang lebih sederhana, seperti menjadi oligopeptida pendek atau asam amino,^[1] dengan reaksi hidrolisis pada ikatan peptida.^[2] Hidrolisis ikatan peptida adalah suatu reaksi yang melibatkan pemindahan gugus fungsional peptida ke molekul air.^[3] Protease merupakan enzim proteolitik yang mengkatalisis pemutusan ikatan peptida pada protein.^[4] Enzim ini diperlukan oleh semua makhluk hidup karena bersifat esensial dalam metabolisme protein.^[2] Protease ialah enzim yang sangat kompleks, mempunyai sifat fisiko kimia dan sifat katalitik yang sangat bervariasi.^[5] Protease dapat dihasilkan secara ekstraseluler dan intraseluler dan mempunyai peranan penting dalam metabolisme sel dan keteraturan proses dalam sel.^[5]

Protease dalam reaksi hidrolisis ini bertindak sebagai nukleofili yang secara umum akan bereaksi dengan atom karbon karbonil pada ikatan peptida sehingga membentuk intermediet tetrahedral.^[3] Satu gugus amina dilepaskan dan dikeluarkan dari sisi aktif yang digantikan secara bersamaan dengan satu molekul air sehingga terbentuk intermediet tetrahedral kedua.^[3] Pada akhir reaksi dihasilkan produk berupa peptida yang mengandung asam amino, proton dan enzim yang telah diregenerasi.^[3]

Secara umum, enzim protease dapat dibedakan atas endopeptidase dan eksopeptidase.^[3][6] Endopeptidase adalah enzim yang mengkatalisis pemecahan ikatan peptida pada bagian dalam rantai polipeptida.^[3] Sedangkan eksopeptidase adalah enzim yang mengkatalisis pemecahan ikatan peptida pada ujung rantai polipeptida.^[3]

Berdasarkan pH, protease dapat diklasifikasikan menjadi basa, netral dan asam.^[6]

Terdapat enam jenis aktivitas katalitik spesifik dari enzim peptidase, yaitu serina-, treonina-, sisteina-, aspartat-, glutamat-, dan metalo-peptidase.^[1][2]

Enzim protease memiliki peranannya dalam tubuh antara lain membantu pencernaan protein dalam makanan, menggunakan kembali protein-protein intraseluler, koagulasi sel darah, dan akivasi berbagai jenis protein, enzim, hormon, serta neurotransmiter.^[2] Protease dibutuhkan secara fisiologi untuk kehidupan organisme pada tumbuhan, hewan maupun mikroorganisme.^[4] Protease berperan penting dalam berbagai proses fisiologis dan patologis seperti katabolisme protein, pembekuan darah, pertumbuhan dan migrasi sel, pengaturan jaringan, dan inflamasi.^[7]

Bromelin dan papain termasuk ke dalam protease golongan sufrihidil.^[7] Kegunaan enzim bromelin lebih banyak digunakan untuk penjernihan bir, pengempukkan daging, dan dalam bidang farmasi dapat dimanfaatkan sebagai bahan kontrasepsi KB untuk memperjarang kehamilan.^[7] Beberapa industri juga banyak yang menggunakan enzim papain antara lain industri farmasi, industrikosmetik, tekstil dan penyamakan kulit.^[7]

Ada berbagai teknik yang dapat digunakan untuk memproduksi enzim ini, yaitu dengan teknik sel bebas (misalnya dengan kultur terendam) ataupun dengan teknik sel imobil, yaitu dengan memerangkap sel dalam suatu membran atau matriks.^[8] Contoh bahan matriks yang dapat digunakan yaitu alginat dan nitroselulosa.^[8] Imobilisasi sel memiliki beberapa kelebihan dibanding teknik sel bebas dan sudah merupakan salah satu teknik yang umum digunakan untuk meningkatkan konsentrasi dan produktivitas sel.^[8]

Endopeptidase bekerja dengan menghidrolisis ikatan peptida pada bagian tengah rantai polipeptida.^[2] Contoh dari endopetidase adalah chymotripsin^[9] dan pepsin.^[10] Ketiga jenis enzim ini banyak digunakan dalam industri berbasis teknologi pangan.^[2]

Aktivitas enzim protease dipengaruhi oleh banyak faktor yairu suhu, pH, konsentrasi media, waktu inkubasi^[4].^[3] aktivitas protease semakin meningkat dengan bertambahnya suhu sampai suhu optimum tercapai, setelah itu kenaikan lebih lanjut akan menyebabkan aktivitas protease menurun.^[5]

Pada suhu yang lebih rendah dari suhu optimum, aktivitas enzim juga rendah, hal ini disebabkan rendahnya energi aktivasi yang tersedia.^[5] Energi tersebut dibutuhkan untuk menciptakan kondisi tingkat kompleks aktif, baik dari molekul enzim maupun dari molekul substrat.^[5] Perubahan pH yang ekstrim, enzim dapat mengalami denaturasi akibat gangguan terhadap berbagai interaksi non kovalen yang menjaga kestabilan struktur 3 dimensi enzim.^[5]

Masa inkubasi yang sesuai akan menghasilkan produksi protease yang maksimum ditandai dengan tingginya aktivitas enzim yang dihasilkan.^[3] Masa inkubasi merupakan waktu yang dibutuhkan enzim protease untuk memecah protein menjadi asam amino dan peptida sederhana lainnya.^[3]

PH berpengaruh terhadap kecepatan aktivitas enzim dalam mengkatalis suatu reaksi.^[11] Hal ini disebabkan konsentrasi ion hidrogen mempengaruhi struktur dimensi enzim dan aktivitasnya.^[11] Setiap enzim memiliki pH optimum di mana pada pH tersebut struktur tiga dimensinya paling kondusif dalam mengikat substrat.^[11] Bila konsentrasi ion hidrogen berubah dari konsentrasi optimal, aktivitas enzim secara progresif hilang sampai pada akhirnya enzim menjadi tidak fungsional.^[11] Aktivitas enzim yang menurun karena perubahan pH disebabkan oleh berubahnya keadaan ion substrat dan enzim.^[11] Perubahan tersebut dapat terjadi pada residu asam amino yang berfungsi untuk mempertahankan struktur tersier dan kuartener enzim aktif .^[11]

Faktor lain yang berpengaruh terhadap aktivitas protease adalah suhu.^[11] Adanya peningkatan suhu akan meningkatkan energi kinetik, sehingga menambah intensitas tumbukan antara substrat dan enzim.^[11] Akan tetapi, peningkatan suhu lebih lanjut akan menurunkan aktivitas enzim.^[11] Hal ini disebabkan karena enzim akan mengalami denaturasi.^[11] Enzim mengalami perubahan konformasi pada suhu yang terlalu tinggi, sehingga substrat terhambat dalam memasuki sisi aktif enzim.^[11]

Enzim proteolitik ada di mana-mana, ditemukan di semua organisme hidup, dan sangat penting untuk pertumbuhan dan diferensiasi sel.^[12] Protease merupakan salah satu dari tiga kelompok enzim esensial industri terbesar.^[12] Protease dapat dihasilkan oleh tumbuhan, hewan, dan mikroorganisme^[5].^[4] Penggunaan tumbuhan sebagai sumber protease terbatas oleh tersedianya lahan tanam dan kondisi pertumbuhan yang sesuai, serta memerlukan waktu produksi enzim yang lama.^[4] Produksi protease dari hewan juga dibatasi oleh ketersediaan ternak penghasil enzim.^[4] Mikroorganisme merupakan sumber enzim yang paling potensial dibandingkan tanaman dan hewan.^[4] Penggunanan mikroorganisme lebih menguntungkan karena pertumbuhannya cepat, dapat tumbuh pada substrat yang murah, lebih mudah ditingkatkan hasilnya melalui pengaturan kondisi pertumbuhan dan rekayasa genetik.^[4][3]

Protease mikroba dapat diklasifikasikan sebagai protease serin, protease sulfhydril, protease asam.^[5] Beberapa mikroorganisme yang telah diketahui sebagai penghasil protease untuk aplikasi komersial adalah Bacillus^[5][4], Lactobacillus^[4][5], Streptomyces^[4], Pseudomonas^[4], Pyrococcus^[5], Termonospora Rhizopus^[5], Mucor^[5], Endothia and Aspergillus^[5]. Bakteri penghasil protease alkali banyak ditemukan di alam dan lingkungan buatan manusia.^[6]

Enzim protease dari tumbuhan memiliki spesifisitas substrat, stabilitas dan aktivitas yang tinggi dalam berbagai variasi pH, temperatur, ion logam dan pelarut organik.^[13] Beberapa jenis tanaman yang selama ini banyak dikenal sebagai sumber enzim protease, antara lain pepaya menghasilkan papain, nanas menghasilkan bromelin, famili ficus menghasilkan fisin.^[14] Pada beberapa tumbuhan seperti Ficus, pepaya, enzim protease diambil dari getah.^[13] Enzim protease yang pada getah merupakan enzim ekstraseluler yang dapat dilakukan tanpa pemecahan sel tumbuhan sehingga lebih sederhana dan lebih efisien.^[13]

Salah satu mikroorganisme yang mampu memproduksi enzim protease adalah marine yeast.^[3] Banyak spesies yeast terrestrial dilaporkan mampu memproduksi enzim protease di antaranya adalah Candida albicans, Yarrowia lipolytica dan Cryptococcus dimennae 2, Candida humicola dan Rhodotorula glutinis K-24 .^[3]

Protease tidak hanya berperan dalam proses metabolisme seluler, namun juga dapat diaplikasikan dalam bidang industri.^[4] Enzim ini merupakan salah satu enzim skala industri dengan tingkat penjualan hingga 60% dari total penjualan enzim di dunia.^[4][15][3] Aplikasi enzim protease di antaranya pada industri pembuatan detergen, industri penyamakan kulit, bahan aditif pada industri pangan, dan zat terapeutik pada bidang farmasi.^[4][15] Protease alkalin merupakan jenis protease yang paling banyak diaplikasikan dalam bidang industri.^[15] Protease alkali cukup penting dalam industri karena mereka memiliki kemampuan untuk menahan kondisi pH yang lebih tinggi.^[6] Dibandingkan dengan tumbuhan dan hewan sebagai sumber protease, penggunaan mikroba lebih menguntungkan karena keanekaragamannya yang sangat besar, pertumbuhannya yang cepat, kebutuhan ruang yang terbatas selama budidaya dan manipulasi genetik yang mudah.^[6]

Peptidase merupakan salah satu jenis enzim yang banyak digunakan dalam berbagai jenis industri,^[2] seperti roti, daging, tekstil, detergen,^[1] dan keju.^[2] Rennet merupakan enzim golongan peptidase yang digunakan dalam mengkoagulasikan protein susu dalam pembuatan keju.^[2] Jenis peptidase lain, seperti papain dan bromelain, banyak digunakan dalam mengempukkan tekstur daging.^[16] Peptidase juga dapat diaplikasikan dalam industri tekstil untuk membuat benang yang berkualitas baik.^[2]

Aplikasi komersial enzim tergantung pada karakteristik, biaya, dan ketersediaannya.^[6] Produksi enzim industri skala besar membutuhkan fermentor di mana berbagai parameter seperti komponen media, suhu, pH, ukuran inokulum, agitasi, dll.^[6] Memiliki dampak signifikan terhadap produksi produk dan biaya operasinya.^[6]

• Bakteri proteolitik
• Papain
• Bromelin
• Protein
• Asam amino
• Peptida