enzim sebagai biokatalisator - elisajulianti | just ... 3 perbedaan antara energi reaktan (fase...
TRANSCRIPT
06/01/2012
1
T U J U A N I N S T R U K S I O N A L K H U S U S :
•M A H A S I S W A M A M P U M E N J E L A S K A N P E R A N E N Z I M S E B A G A I B I O K A T A L I S A T O R
ENZIM SEBAGAI BIOKATALISATOR
ENZIM ADALAH BIOKATALISATOR
Enzim : molekul protein tak hidup yang dihasilkan oleh sel hidup
Protein enzim melangsungkan ribuan reaksi kimia di dalam sel.
Reaksi kimia yang dikatalisis enzim di dalam sel:
- mengekstrak energi dari lingungam
-mengubah sumber energi menjadi molekul yang bermanfaat
- memperbaiki dan membangun diri sendiri
- melakukan pembuangan hasil samping
- melakukan replikasi diri
SIFAT-SIFAT ENZIM SEBAGAI BIOKATALISATOR
Katalis yg paling efisien mampu mempercepat reaksi 1020 kali lbh cepat
Enzim bersifat sangat spesifik, baik jenis reaksi maupun substratnya ,
Trombin
Enzim tidak ikut bereaksi dgn substrat atau produknya
Aktifitas dapat dikontrol sesuai dengan kebutuhan organisme itu sendiri
Contoh : enzim yg mengkatalisis reaksi pertama pada suatu siklus biosintesis biasanya di hambat oleh produk akhirnya(feedback inhibition)
bbrp enzim disintesis dlm btk tidak aktif. Dan akan diaktifkan oleh kondisi dan waktu yang sesuai (enzim allosterik) . prekursor yg tidak aktif disebut zymogen
Tiga sifat utama enzim :
Kemampuan katalitiknya
Spesifisitas
Kemampuan untuk diatur (regulasi)
06/01/2012
2
Bagian-bagian enzim
Kita mengenal istilah:
Holoenzim
Apoenzim/ apoprotein
Gugus prostetik
Koenzim
Kofaktor
Bagian-bagian enzim (lanjutan)
Seperti halnya protein lain, enzim memiliki BM antara 12,000 – 1 juta kd
Beberapa enzim tidak membutuhkan molekul kimiawi lain untuk aktifitasnya, beberapa membutuhkan kofaktor / koenzim
Kofaktor ion-ion inorganik yg dibutuhkan enzim untuk melakukan fungsinya
Koenzim molekul organik (komplek) yang dibutuhkan enziim untuk melakukan fungsinya
Tabel 1. Berbagai koenzim yang berasal dari vitamin
Vitamin Koenzim Fungsi enzimatik
Thiamin (B1) Thiamin pirofosfat Dekarboksilasi oksidatif
Riboflavin (B2) Flavin nukleotida Memindahkan H
Niasin (B5) Nikotinamid nukleotida Memindahkan H
Piridoksin (B6) Piridoksal fosfat Transaminasi
Asam Pantotenat Koenzim A Dekarboksilasi oksidatif, metabolisme asetil Ko A
Biotin Biotin Karboksilasi
Folat Tetrahidrofolat Memindahkan 1 karbon
Koenzim atau kofaktor yang terikat sangat kuat bahkan terikat dengan ikatan kovalen dengan enzim gugus prostetik
Enzim aktif lengkap dengan semua komponennya holoenzim
Bagian yang terdiri dari protein saja pada suatu enzim Apoenzim / apoprotein
Fungsi koenzim adalah sebagai karier sementara dari gugus fungsional yg berperan dalam reaksi ensimatis tersebut.
Bagaimana enzim bekerja
Reaksi tanpa enzim: Lambat
Membutuhkan suhu yang tinggi
Tekanan yang tinggi
Reaksi enzimatis
Enzim memberikan suatu lingkungan yg spesifik di dalam sisi aktifnya, sehingga reaksi secara energetik dapat lebih mudah terjadi
06/01/2012
3
Perbedaan antara energi reaktan (fase awal) dgn energi produk (fase akhir) selisih energi bebas standar (ΔGº)
Agar reaksi berjalan
spontan, bagaimanakah
nilai ΔGº
Enzim mempercepat reaksi tetapi tidak mengubah
keseimbangan reaksi atau ΔGº
Kesetimbangan reaksi antara Reaktan dan produk
mencerminkan perbedaan energi bebas pada fase awal
Kecepatan reaksi tergantung energi aktifasi ΔGº≠
suatu pasokan energi dibutuhkan untuk mengawali suatu
reaksi
Energi aktifasi untuk reaksi yg dikatalis dengan ensim lebih
rendah dr reaksi tanpa ensim
Glukosa + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O ΔGº = -2880 kJ/mol
Enzim penting untuk menurunkan energi aktifasi untuk
memulai suatu reaksi
Enzim mengikat substrat menciptakan jalan reaksi yg
berbeda yg mempunyai fase transisi lebih rendah dbanding
reaksi tanpa enzim
Inti dr reaksi katalisis ikatan yg spesifik pd fase transisi
Substrat terikat interaksi nonkovalen
E + S ↔ ES ↔ EP ↔ E + P
Kekuatan enzim dlm mengkatalisis suatu reaksi kemampuan enzim membawa substrat bersama-sama pd orientasi yang tepat untuk terjadinya suatu reaksi
Substrat terikat pd sisi aktif yi cekukan pd protein yg berisi asam amino yg penting untuk tjdnya suatu reaksi kimia
06/01/2012
4
Karakteristik sisi aktif enzim
merupakan bagian kecil dari enzim
sisi aktif merupakan suatu cekukan yang bersifat 3 dimensi. memberikan lingkungan mikro yg sesuai utk terjadinya suatu reaksi kimia
substrat terikat pada sisi aktif dengan interaksi / ikatan yang lemah.
Spesifitas enzim dipengaruhi oleh asam amino yg menyusun sisi aktif suatu enzim
Gambar sisi aktif ensim dan asam amino yang
terlibat
Sisi aktif mempunyai 2 bagian yg penting: Bagian yang mengenal substrat dan kemudian mengikatnya
Bagian yang mengkatalisis reaksi, setelah substrat diikat oleh enzim
Asam amino yang membentuk kedua bagian tersebut tidak harus berdekatan dalam urutan secara linear, tetapi dalam konformasi 3D mereka berdekatan
Teori untuk menjelaskan kerja enzim:
Lock and Key analogy Enzim memiliki struktur sisi spesifik yang cocok dengan
substrat. Mampu menerangkan spesifitas ensim ttp tidak dapat
menerangkan stabilitas fase transisi ensim
Induced Fit theory mempertimbangkan fleksibilitas protein, sehingga
pengikatan suatu substrat pada enzim menyebabkan sisi aktif mengubah konformasinya sehingga cocok dgn substratnya. dpt menerangkan fase transisi ES komplek
Perbandingan model “induced fit” dan
“kunci dan anak kunci” pada pengikatan substrat oleh enzim?
06/01/2012
5
FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KERJA ENZIM
pH dan suhu
Konsentrasi Substrat
Faktor-faktor yg mempengaruhi kerja enzim
pH setiap enzim mempunyai pH optimum utk bekerja.
contoh : pepsin pH 2, amylase pH 7.0
Temperatur setiap kenaikan suhu 10˚C (sampai 40˚C), kecepatan reaksi naik 2 x lipatnya dan reaksi terhambat dan berhenti pada 60˚C. Mengapa?
[S] dan atau [E]
PENGARUH pH dan suhu
Protein memiliki banyak gugus ionik perubahan pH akan mempengaruhi sisi katalitik dari enzim
Aktivitas enzim max terjadi pada kisaran pH tertentu pH opt 4,5 – 8,0
Beberapa enzim memiliki pH opt yang ekstrim, misal : pepsin 0H 1,8 dan arginase pH 10,0
Pada kisaran pH ekstrim, asam dan basa mengalami inaktivasi yang irreversible, sedang diluar itu terjadi inaktivasi yang reversible
Enzim yang sama tapi asalnya berbeda bisa mempunyai pH opt yang berbeda, misal : metil esterase dari kapang pH opt nya 5,0, sedangkan dari kacang merah pH opt 8,5.
Jika suhu meningkat maka laju reaksi enzimatis akan semakin meningkat, tetapi laju denaturasi thermal juga meningkat perlu dibuat suhu opt
Pengaruh suhu terhadap reaksi katalitik enzim dan denaturasi dinyatakan dengan Per Arrhenius :
k = Ae-E/RT
k = konstanta laju reaksi
A = konstanta Arrhenius
E = energi aktivasi
R = konstanta ketetapan gas
T = suhu absolut
Kinetika Reaksi Enzimatis
E + S ES E + P
K1 K2
K-1
K1 : kecepatan konstan pembentukan ES komplek
K2 : kecepatan konstan konfersi ES komplek ke P
K-1 : kecepatan konstan pemecahan ES komplek ke E bebas
Enzim sangat efisien dalam mengkatalis suatu reaksi, steady
state (keseimbangan reaksi) segera dapat tercapai apabila :
Kecepatan pembentukan ES komplek sama dengan
kecepatan pemecahannya
K-1 + K2
= Km konstanta Michaelis
K1
Vmax [S]
V = Persamaan Michaelis-Menten Km + [S]
06/01/2012
6
Ketika kondisi diatur sehingga [S] = Km maka
Vmax [S]
V = dan V = Vmax / 2
[S] + [S]
Lineweaver-Burk double reciprocal plot
Y = m x + b
Penghambatan Reaksi Enzimatis
Kerja enzim dapat dihambat secara reversible atau irreversible
Irreversible pembentukan atau pemecahan ikatan kovalen dalam enzim
Reversible suatu senyawa dapat terikat dan kemudian dpt lepas kembali
Reversible inhibitor ini dpt dibagi :
competitive
non-competitive
un-competitive
PENGATURAN ENZIM
Penghambat kompetitif
(competitive inhibitor):
molekul inhibitor
berkompetisi dengan
substrat untuk
menempati sisi aktif
enzim.
Penghambat non
kompetitif
(allosteric inhibition)
Molekul penghambat
bergabung dengan
enzim di luar sisi aktif,
menyebabkan
konformasi enzim
berubah
Penghambatan umpan balik (Feedback Inhibition) Penumpukan produk akhir menghambat kerja enzim pertama dalam rangkaian reaksi tersebut sehingga
produksi enzim selanjutnya ditunda
penghambatan competitive
inhibitor bersaing dgn substrat untuk terikat pd sisi aktif
Biasanya inhibitor berupa senyawa yg menyerupai substratnya, & mengikat enzim membentuk komplek EI
krn terikat scr reversible penghambatan nya bias, yaitu ketika ditambah substrat maka penghambatan berkurang
06/01/2012
7
penghambatan non-competitive
inhibitor terikat pada sisi lain dari enzim (bkn sisi aktif)
jadi tidak memblok pembtkan enzim-substrat komplek
Enzim mjd tidak aktif ketika inhibitor terikat walau enzim mengikat substrat
Inhibitor mengurangi konsentrasi enzim yg aktif, sehingga mempengaruhi Vmax –nya
Penghambatan un-competitive
Terikat pd sisi selain sisi aktif enzim
Berbeda dgn non-competitive inhibitor ini hanya terikat pd ES komplek
Sehingga tidak terikat pd enzim bebas
Vmax berubah, dan Km juga berubah
REAKSI ENZIMATIS DUA SUBSTRAT
Model reaksi :
A + B P + Q
Umumnya terjadi pada enzim transferase
Cara penentuan nilai Km dan Vmax sama dengan penentuan pada substrat tunggal
Diperlukan rangkaian percobaan yang menggunakan salah satu substrat tetap (misal B) sedang yang kedua divariasi untuk menentukan pengaruhnya terhadap Km, sehingga diperoleh Km
A, kemudian perlakuan dibalik, sehingga diperoleh Km
B
Ada 2 keadaan yang mungkin terjadi jika 2 substrat bereaksi dengan bantuan enzim, yaitu :
- reaksi pergantian tunggal
- reaksi pergantian ganda
REAKSI PERGANTIAN TUNGGAL
Kedua substrat A dan B secara simultan harus terdapat pada sisi aktif enzim sehingga diperoleh senyawa terner EAB
Ada 2 cara reaksi pergantian tunggal (RPT), yaitu :
- RPT- acak
- RPT - teratur
Pada RPT-acak, reaksi enzim dengan substrat maupun produk terjadi secara acak :
E + A EA EQ E + Q
EAB EPQ
E + B EB EP E + P A
B
Q
P
Pada RPT-teratur terdapat substrat utama yang harus terikat terlebih dahulu sebelum substrat kedua bereaksi Bi Bi Mechanism
E + A (Substrat utama) EA
EA + B EAB
E EA (EAB) EQ E
(EPQ)
Setelah A terikat pada E, maka B terikat oleh EA menjadi EAB. Baik A maupun B kemudian mengalami transformasi menjadi P dan Q yang masih terikat dengan E. P dilepas lebih dahulu kemudian Q.
A Q P B
06/01/2012
8
Beda RPT-teratur dengan RPT-acak : pada RPT teratur, hasil reaksi pertama akan menghambat secara kompetitif reaksi total.
Persamaan untuk menghitung V pada RPT-teratur :
)1(
1)
1((
1
maxmax B
K
VAB
KKK
VV
B
m
B
m
A
sA
m
REAKSI PERGANTIAN GANDA (RPG)
Salah satu substrat utama terikat pada enzim yang kemudian dilepas sebagai hasil sebelum substrat kedua masuk terikat pada enzim
Contoh : reaksi yang dikatalis oleh aspartat amino transferase
Aspartat + -ketoglutarat oksaloasetat + Glutamat
Mekanismenya disebut : Ping-Pong Bi Bi Mechanism
Ping-Pong Bi Bi Mechanism :
Substrat utama (asam aspartat) terikat terlebih dahulu pada enzim
Gugus amino pada asam aspartat dipindahkan pada gugus prostetis (piridoksal fosfat) yang terikat pada enzim
Aspartat akan berubah menjadi asam oksaloasetat dan dilepas dari sisi aktif
Substrat kedua masuk pada sisi yang sama dan terjadi penempelan gugus amino pada asam tersebut membentuk glutamat
Asam glutamat meninggalkan sisi aktif
A E Q
E *A E*B
P E* B
Persamaan untuk menghitung V pada reaksi pergantian ganda :
)1
)(1()1
(1
maxmax VB
K
AV
K
V
B
m
A
m
Enzim allosterik
Enzim allosterik mengalami perubahan konformasi sebagai respon terhadap pengikatan modulator efektor
Allosterik enzim biasanya lebih komplek dari non allosterik enzim, memiliki sub unit lebih dari satu
Memiliki satu atau lebih sisi allosterik / regulator untuk mengikat modulator.
Seperti halnya substrat, setiap regulator memiliki sisi pengikatan yang berbeda
Untuk enzim homotropik sisi aktif dan sisi regulator sama
06/01/2012
9
• specific activity is the amount of product formed by an enzyme in a given amount of time under given conditions per milligram of enzyme.
• The rate of a reaction is the concentration of substrate disappearing (or
product produced) per unit time (mol L − 1s − 1) • The enzyme activity is the moles converted per unit time (rate × reaction
volume). Enzyme activity is a measure of quantity of enzyme present. The SI unit is the katal, 1 katal = 1 mol s-1, but this is an excessively large unit. A more practical value is 1 enzyme unit (EU) = 1 μmol min-1 (μ = micro, x 10-6).
• The specific activity is the moles converted per unit time per unit mass of
enzyme (enzyme activity / actual mass of enzyme present). The SI units are katal kg-1, but more practical units are μmol mg-1 min-1. Specific activity is a measure of enzyme efficiency, usually constant for a pure enzyme.
• If the specific activity of 100% pure enzyme is known, then an impure sample
will have a lower specific activity, allowing purity to be calculated. • The % purity is 100% × (specific activity of enzyme sample / specific activity
of pure enzyme). The impure sample has lower specific activity because some of the mass is not actually enzyme.