ltm biokim mekanisme reaksi pada pertumbuhan sel
DESCRIPTION
Mekanisme reaksi yang terjadi pada sel disaat masa pertumbuhannya. Termasuk di dalamnya penghitungan laju pertumbuhan dengan rumus Monod.TRANSCRIPT
Nama : Muhammad Yusuf Arya Ramadhan
Kelompok/Program Studi : Kelompok 2 / Teknologi Bioproses
Materi : Reaksi Biokimia dalam Sel
Outline : (1) Michaelis-Menten
(2) Respirasi
(3) Fermentasi
(4) Nitrifikasi
(5) Hukum Laju
(6) Laju Reaksi menggunakan Diferensiasi Grafik
Pembahasan :
(1) Dalam masa pertumbuhannya, sel mungkin mengalami berbagai reaksi biokimia.
Sebagian besar reaksi yang terjadi dan dijalani oleh sel selama pertumbuhannya adalah reaksi
metabolisme. Beberapa contoh dari reaksi metabolisme ini adalah reaksi katabolisme gula
oleh sel, menghasilkan energi sehingga sel dapat membelah diri dan bereproduksi. Selain itu,
metabolisme sel juga dapat menghasilkan berbagai senyawa seperti etanol, asam levulinat,
dan sebagainya. Seluruh reaksi yang terjadi di dalam sel tersebut berlangsung karena adanya
senyawa katalis berupa enzim. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa reaksi yang terjadi
di dalam sel merupakan reaksi enzimatik yang secara umum dapat digambarkan sebagai:
Persamaan tersebut dapat dihitung lajunya dengan menggunakan pendekatan persamaan
Michaelis-Menten.
Pada pendekatan Michaelis-Menten, laju pembentukan produk diasumsikan lebih
lambat dibandingkan dengan reaksi reversible kompleks enzim subtrat. Dengan demikian,
laju reaksi dapat ditentukan oleh reaksi lambat, yaitu reaksi pembentukan produk. Pendekatan
ini sering digunakan pada reaksi heterogen, namun dapat digunakan pada reaksi enzim karena
enzim memiliki ukuran molekul yang besar sehingga dapat dianalogikan sebagai katalis padat
pada reaksi kimia. Selain itu, enzim membentuk kompleks enzim-substrat dengan interaksi
ikatan yang lemah sehingga lajunya akan menjadi sangat cepat.
Proses penurunan fungsi Michaelis-Menten adalah sebagai berikut:
Karena kompleks enzim-substrat terbentuk dengan sangat cepat, maka dengan pendekatan
PSSH dapat diasumsikan bahwa d(ES)/dt = 0.
( )
( )( ) ( ) ( )
( )
( )( )
Karena tidak mungkin mengetahui berapa konsentrasi enzim yang bereaksi, maka enzim
dinyatakan dalam konsentrasi enzim total, yaitu
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( )( )
( ) (
( )) ( )
( ) ( )
( )
Maka persamaan untuk kompleks enzim substrat akan menjadi
( )
( )
( )
( )
( ) ( )( )
( )
( ) ( )( )
( )
Dengan demikian, laju pembentukan produk dapat dihitung dengan
( )
( )( )
( )
Persamaan diatas dapat disederhanakan dengan menggunakan parameter Michaelis-Menten,
yaitu
Vmax=k3(Et)
KM=
Sehingga persamaannya menjadi
( )
( )
Persamaan diatas dapat digunakan apabila dalam reaksi tidak terjadi inhibisi. Seperti
yang telah dijelaskan sebelumnya, terdapat beberapa faktor dalam reaksi pada pertumbuhan
sel yang dapat mempengaruhi laju pertumbuhan sel. Beberapa hal tersebut adalah produk dan
substrat itu sendiri. Secara umum, faktor-faktor yang menyebabkan inhibisi dapat disebut
sebagai inhibitor (I). Terdapat tiga tipe inhibitor yang umum terjadi pada suatu reaksi, yaitu
inhibitor competitive, uncompetitive, noncompetitive.
Inhibitor competitive adalah inhibitor yang memiliki kesamaan struktural dengan
substrat yang tinggi, sehingga bersaing dengan substrat untuk memperebutkan sisi aktif dari
enzim. Hal ini mengakibatkan penurunan laju pembentukan produk karena terbentuknya
kompleks enzim-inhibitor. Mekanisme reaksinya dapat dituliskan sebagai:
Persamaan lajunya dapat dituliskan dengan pendekatan PSSH.
][][][][0][
521 SEkSEkESkdt
ESd
][][][52
1 ESkk
kES
][][][0][
43 EIkEIkdt
EId
][][][4
3 EIk
kEI
Karena konsentrasi enzim bereaksi tidak diketahui, digunakan konsentrasi enzim total.
52
1
4
3 ][][][][][][][][][][
kk
SEkEI
k
kEEESEIEE tt
][][1
][][
52
1
4
3 Skk
kI
k
k
EE t
Sehingga persamaan laju reaksinya akan menjadi:
][5 ESkrp
][][52
15 ES
kk
kkrp
][][)()(
][][
][][1
][][
1
4
35252
15
52
1
4
352
15
SkIk
kkkkk
ESkk
Skk
kI
k
k
ES
kk
kk tt
pr
][][
][][
4
3
1
52
1
52
5
SIk
k
k
kk
k
kk
ESkr t
p
][][
][][
4
3
5
SIk
kKK
SEkr
MM
tp
Konstanta laju reaksi dari pembentukan dan penguraian kompleks enzim-inhibitor dapat
dinyatakan dalam suatu konstanta kesetimbangan inhibitor, KI, yaitu:
3
4
k
kK i
][][
][][5
SK
IKK
SEkr
I
MM
tp
][][
1
][max
SK
IK
SVr
I
M
p
Jenis inhibitor berikutnya adalah inhibitor uncompetitive. Inhibitor jenis ini tidak
berkompetisi dengan substrat untuk berikatan dengan enzim, tetapi berikatan dengan
kompleks enzim-substrat sehingga membentuk kompleks inhibitor-enzim-sunstrat. Kompleks
ini mencegah pemisahan kompleks enzim-substrat sehingga tidak terbentuk produk.
Mekanisme reaksinya adalah:
Dengan PSSH, lajunya dapat diturunkan menjadi
][][][][][][][0][
54321 ESkEISkIESkESkESkdt
ESd
532
41
][
][][][][
kIkk
EISkESkES
][][][0][
43 EISkESIkdt
EISd
][][][4
3 ESIk
kEIS
532
31
][
][][][][][
kIkk
ESIkESkES
532
1
532
3
][
][][][
][
][][
kIkk
ESkES
kIkk
IkES
][][][52
1 ESkk
kES
Karena tidak diketahui berapa jumlah enzim yang bereaksi, maka digunakan neraca enzim
untuk mensubstitusi enzim bereaksi dengan enzim total.
][][][][ EISESEE t
][][][][][][4
3
52
1 ESIk
kES
kk
kEE t
][][][][][][][
52
1
4
3
52
1 ESkk
kI
k
kES
kk
kEE t
][][][1][][
52
1
4
3
52
1 Skk
kI
k
kS
kk
kEE t
][][][1
][][
52
1
4
3
52
1 Skk
kI
k
kS
kk
k
EE t
Setelah diketahui berapa enzim bereaksi dalam enzim total, persamaan dikembalikan ke
persamaan kompleks enzim-substrat. Dengan demikian dapat diketahui berapa laju
pembentukan produk.
][][][1
][][][
52
1
4
3
52
152
1
Skk
kI
k
kS
kk
k
ES
kk
kES t
][][][
][][][
1
4
3152
1
SkIk
kSkkk
ESkES t
][][][
][][][
4
3
1
52 SIk
kS
k
kk
ESES t
][][
][
][][][
SK
ISK
ESES
i
M
t
i
M
t
K
ISK
SEES
][1][
][][][
][5 ESkrp
i
M
tp
K
ISK
SEkr
][1][
][][5
i
M
p
K
ISK
SVr
][1][
][max
Jenis reaksi inhibisi yang terakhir adalah inhibisi noncompetitive. Inhibitor jenis ini
tidak berikatan pada sisi yang sama pada enzim sehingga inhibisi dapat terjadi dengan dua
skenario yang keduanya akan membentuk kompleks enzim-substrat-inhibitor. Skenario
pertama adalah Inhibitor menempel pada sisi inhibitor dari enzim setelah enzim berikatan
dengan substrat membentuk kompleks enzim-substrat. Skenario kedua adalah ketika substrat
menempel setelah inhibitor membentuk kompleks enzim-inhibitor. Dengan demikian,
inhibitor jenis ini seakan-akan adalah gabungan dari inhibitor competitive dan uncompetitive.
Karena baik substrat maupun inhibitor tidak berkompetisi dalam pembentukan kompleks
dengan enzim, maka dapat diasumsikan bahwa konstanta disosiasi dari persamaan
kesetimbangan 1 dan dua adalah sama. Asumsi ini juga berlaku pada persamaan
kesetimbangan dua dan empat. Dengan demikian, dapat diperoleh persamaan sebagai berikut:
Dengan menggunakan PSSH didapatkan
][][][ ESKES S
][][][ EIKEI I
][][][ 65 EISkSEIk
][][][][ SEIKEIS SI
][][][ 87 EISkIESk
][][][][ SEIKEIS IS
Dengan neraca enzim dapat diperoleh
][][][][][ EISEIESEE t
][][][][][][][][][ SEIKEIKESKEE SIiSt
][][][][1
][][
ISKIKSK
EE
SIiS
t
Dengan pendefinisian parameter sebagai
SiSIIS
I
i
S
M KKKKK
KK
K .;1
;1
Dapat dihitung laju pembentukan produknya sebagai
][9 ESkrp
i
m
p
K
IKS
SVr
][1)(
][max
(2) Respirasi adalah proses penguraian bahan makanan yang menghasilkan energy
yang dilakukan oleh semua penyusun tubuh. Respirasi dilakukan baik pada siang maupun
malam hari.
2.1 Aerobic Respiration
Pada respirasi pembakaran glukosa oleh oksigen akan menghasilkan energi
karena semua bagian tumbuhan dan hewan tersusun atas jaringan dan jaringan
tersusun atas sel, maka respirasi terjadi pada sel (Campbell, 2002).
Persamaan reaksi nya adalah sebagai berikut:
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 2900 kJ/mol
Glukose + Oksigen Karbon dioksida + air + energi
Pada persamaan diatas, dapat dilihat bahwa glukosa dipecah oleh
oksigen untuk menghasilkan energi dengan karbon dioksida dan air
diproduksi sebagai produk sampingan. Sekitar 2900 kJ energi diproduksi setip
1 mol glukosa yang dipecah. Energi yang dihasilkan tersebut akan digunakan
untuk memproduksi Adenosine triphosphate (ATP). ATP merupakan sumber
energy yang disimpan untuk kemudian digunakan. Respirasi aerob
berlangsung baik pada hewan maupun tumbuhan. Oksigen memasuki sel
tumbuhan melalui stomata. Tumbuhan memproduksi makanan mereka
sendiri melalui fotosintesis dan menghasilkan energy darinya. Berikut
persamaan reaksi fotosintesis.
Karbon dioksida + air Glukosa + Oksigen
Dengan membandingkan kedua persamaan reaksi tersebut, dapat dilihat
bahwa respirasi aerob merupakan kebalikan dari reaksi fotosintesis.
2.2 Anaerobic Respiration
Apabila pada lingkungan tidak tersedia oksigen yang cukup, baik
tumbuhan maupun hewan akan tetap melakukan respirasi tanpa oksigen atau
biasa disebut respirasi anaerob.
2.2.1 Hewan
Pada hewan, otot membutuhkan oksigen dan glukosa untuk
menghasilkan energi. Namun apabila tidak terdapat cukup oksigen,
sel-sel pada hewan akan melakukan respirasi secara anaerob.
Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:
Glukosa Asam Laktat + Energi
C6H12O6 2C3H6O3 + 120 kJ/mol
Respirasi anaerobik tidak lebih efisien dari respirasi aerobik, karena
hanya sejumlah kecil energi dihasilkan
2.2.2 Tumbuhan
Pasokan oksigen untuk tanaman juga dapat menurun, hal ini terjadi
sebagai contoh jika tanah mengalami waterlogged. Dalam hal ini
mereka harus mendapatkan energi mereka melalui respirasi
anaerob. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:
Glukosa Etanol + Karbon dioksida + Energi
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Energy
(3) 3.1 Fermentasi Alkohol
Fermentasi adalah proses penguraian bahan-bahan organik menjadi ATP
dengan hidrogen sebagai akseptornya. Sedangkan fermentasi alcohol adalah
fermentasi gula oleh semacam jamur, protista, dan beberapa bacteria yang
menghasilkan ethanol dan CO2. Proses fermentasi glukosa menjadi alkohol
adalah sebagai berikut:
C6H12O6 + khamir 2 C2H5OH +2 CO2
(Glukosa) (Etil alkohol) (Karbondioksida)
3.2 Fermentasi Asam Laktat
Fermentasi asam laktat adalah respirasi yang terjadi pada sel hewan atau
manusia, ketika kebutuhan oksigen tidak tercukupi akibat bekerja terlalu berat.
Di dalam sel otot asam laktat dapat menyebabkan gejala kram dan kelelahan.
Laktat yang terakumulasi sebagai produk limbah dapat menyebabkan otot
letih dan nyeri, namun secara perlahan diangkut oleh darah ke hati untuk
diubah kembali menjadi piruvat. Reaksinya adalah sebagai berikut:
C6H12O6 2 Asam Piruvat 2 Asam laktat + 2 ATP
3.3 Fermentasi Asam Cuka
Merupakan suatu contoh fermentasi yang berlangsung dalam keadaan aerob.
Fermentasi ini dilakukan oleh bakteri Acetobacter aceti dengan substrat etanol.
Energi yang dihasilkan 5 kali lebih besar dari energi yang dihasilkan oleh
fermentasi alkohol secara anaerob. Reaksinya adalah sebagai berikut:
C6H12O62 C2H5OH2 CH3COOH + H2O + 116 kal
(4) Nitrifikasi merupakan proses dimana ammonium (NH4+) atau ammonia (NH3)
dioksidasi menjadi Nitrit (NO2-) dengan bakteri pengoksidasi ammonia atau AOB, dan nitrit
dioksidasi menjadi nitrat (NO3-) oleh bakteri pengoksidasi nitrit atau NOB. Dua proses
pada nitrifikasi adalah nitrifikasi dan nitratasi. Kelompok bakteri yang bersifat kemo-
litho-autotrof, yang mendapatkan energi dari energi kimia. Donor elektron mereka
adalah senyawa anorganik dan sumber karbon mereka berasal dari karbon dioksida
(CO2), atau karbon dalam bikarbonat (HCO3-
).
4.1 Nitritasi
Proses pertama dari nitrifikasi adalah nitritasi. Dalam proses ini NH4+ dioksidasi
menjadi NO2-. Proses ini dibagi menjadi 3 tahap, yaitu:
Step 1: NH3, dioksidasi menjadi hydroxyl-amine (NH2OH) dengan bantuan
enzyme mono-oxygenase (NH3 + O2 + 2H+ +2e
- NH2OH + H2O).
Step 2: NH2OH dioksidasi menjadi NO2- (NH2OH + H2O NO2
- + 5H
+ + 4e
-)
Step 3: Elektron dan oksigen dan ion hydrogen bebas dikonversi menjadi air.
(½O2 + 2H+ + 2e
-H2O).
Sehingga total reaksinya menjadi:
NH3 + 1.5 O2 NO2- + H
+ + H2O
4.2 Nitratasi
Tahap kedua nitrifikasi adalah nitratasi. NOB menggunakan enzyme nitrite
oxidoreductase (NOR) untuk mempercepat prosesnya. Reaksi berlangsung melalui
2 tahap, yaitu:
Step 4: NO2- dioksidasi menjadi NO3
- dengan bantuan enzim NOR
Step 5: oksigen yang tersisa, electron, dan proton menyatu menjadi air.
Total Reaksi: NO2- + ½O2 NO3
-
Reaksi nitrifikasi total adalah:
NH3 + 2 O2 NO3- + H
+ + H2O
(5) Sel + Substrat Sel + Produk
Persamaan yang sering digunakan untuk exponential growth adalah persamaan monod, yaitu:
Dimana rg merupakan laju pertumbuhan sel (g/dm3.s), Cc merupakan konsentrasi sel (g/dm
3),
dan µ merupakan laju pertumbuhan spesifik (s-1
).
Dimana μmax adalah laju pertumbuhan spesifik maksimum (s-1
), Ks merupakan konstanta
Monod (g/dm3), dan Cs merupakan konsentrasi substrat.
Kedua persamaan diatas dapat digabungkan menjadi
Pada bakteri, K akan bernilai sangat kecil, sehingga persamaan diatas dapat disedehanakan
menjadi
Pada beberapa sistem, produk yang dihasilkan dapat menjadi penghambat bagi laju
pertumbuhan. Untuk menghitung penghambatan yang terjadi dapat digunakan persamaan:
Persamaan lainnya untuk menghitung laju pertumbuhan sel adalah
(6) Laju reaksi dapat dinyatakan sebagai berkurangnya jumlah konsentrasi pereaksi per
satuan waktu atau bertambahnya jumlah konsentrasi hasil reaksi per satuan waktu. Laju
volumetrik reaksi dalam system tertutup dapat ditentukan dengan mengukur perubahan laju
pada adanya reaktan, ketersediaan reaktan yang terlibat dalam satu reaksi. Salah satu cara
yang jelas untuk menentukan laju rekasi adalah untuk menarik garis singgung kurva pada
grafik 1 (a) pada berbagai waktu dan mengevaluasi lereng garis singgung yang ditunjukkan
pada grafik 1 (b).
Menggambar garis singgung kurva adalah prosedur yang sangat subjektif dan sangat rentan
terhadap ketidaktelitian, walaupun dengan perangkat gambar yang khusus sekalipun. Hasil
yang diperoleh sangat bergantung pada cara data dihaluskan dan garis dari tampilan kurva
di titik-titik yang dipilih. Teknik yang lebih dapat digunakan dengan baik adalah metode
diferensiasi grafis pada perhitungan data laju reaksi. Metode ini didasarkan ada diferensiasi
Grafik 1 (a) change in reactant concentration with time during reaction (b) graphical
differentiation of concentration data by drawing a tangent. Sumber: Doran, 1995
data-data percobaan (konsentrasi versus waktu) untuk memperoleh kecepatan reaksi yang
sebenarnya. Pada metode ini, analisis data kinetika dilakukan dengan menduga beberapa
hubungan antara kecepatan reaksi sebagai fungsi konsentrasi dan menguji dugaan-dugaan
tersebut melalui grafik-grafik yang bersesuaian.
A. Average Rate-Equal Area Method
Metode ini digunakan untuk menentukan laju didasarkan pada average rate-equal area
contruction, Langkah-langkah untuk metode ini adalah:
1. Mentabulasi data ∆CA dan ∆t dari data konsentrasi dan waktu yang telah
didapat.
2. Menghitung laju rata-rata, ∆CA/∆t, pada setiap interval waktu
3. Mem-plot ∆CA/∆t di grafik linier. Pada setiap interval waktu, garis horizontal
ditarik untuk mewakili ∆CA/∆t untuk interval tersebut
4. Menggambar kurva halus untuk memotong garis horizontal yang ada
sedemikian rupa sehingga daerah yang diarsir baik di bagian atas dan di bagian
bawah kurva tersebut adalah sama untuk setiap interval waktu. Kurva tersebut
kemudian dikembangkan sehingga nilai-nilai dCA/dt untuk semua titik dalam
fungsi waktu. Hasil untuk memberikan dCA/dt pada saat sampling dapat dibaca
dari kurva dan ikut ditabulasikan juga pada table sebelumnya.
Contoh:
Untuk mengilustrasikan metode ini bisa menggunakan data serapan oksigen oleh sel yang
diimobilisasi. Hasil dari pengukuran oksigen dalam system tertutup sebagai fungsi waktu
dan juga langkah-langkah dalam metode ini ditabulasikan pada tabel 1.
Time (t, min) Oxygen
Concentration
(CA, ppm)
∆CA ∆t ∆CA/∆t dCA/dt
0.0 8.00 -0.59
1.0 7.55 -0.45 1.0 -0.45 -0.38
2.0 7.22 -0.33 1.0 -0.33 -0.29
3.0 6.96 -0.26 1.0 -0.26 -0.23
4.0 6.76 -0.20 1.0 -0.20 -0.18
5.0 6.61 -0.15 1.0 -0.15 -0.14
6.0 6.49 -0.12 1.0 -0.12 -0.11
8.0 6.33 -0.16 2.0 -0.08 -0.06
10.0 6.25 -0.08 2.0 -0.04 -0.02
Tabel 1. Data Percobaan dan Hasil Pengolahan. Sumber: Doran, 1995
Kelemahan dari diferensiasi grafis dengan metode ini adalah akan sangat sulit untuk
diterapkan apabila data yang tersedia beragam atau acak. Bila perhitungan konsentrasi
tidak akurat, maka garis horizontal yang terbentuk tidak simetris secara simultan. Oleh
karena itu, pada langkah ke-4, penarikan garis kurva halus yang memotong tept tengah
pada garis harus berupa naik turun. Akan tetapi, differensiasi data yang seperti ini
termasuk tidak realistis untuk perhitungan laju reaksi.
B. Mid-Point Slope Method
Pada metode ini, data mentah dihaluskan dan nilai tersebut kemudian ditabulasikan pada
interval tertentu. Langkah-langkah untuk metode ini adalah:
1. Mem-plot data mentah ke grafik yang dihaluskan
2. Menandai kurva yang telah halus pada interval waktu (e – e) harus dipilih
sehingga jumlah interval kurang dari jumlah titik data yang diukur, semakin
kurang akurat data yang diukur, semakin sedikit interval yang diambil.
3. Dalam metode kemiringan mid point, laju reaksi dihitung pada titik pertengahan
antara dua interval yang berdekatan dengan lebar e. Oleh karena itu, penentuan
laju pertama ditentukan pada saat t = 1 menit. Hitung perbedaan [(CA)t+e - (CA)t-
e].
4. Kemiringan atau laju dapat ditentukan menggunakan rumus central-difference
( ) ( )
Grafik 2. (kiri) Graphical
differentiation using the
average rate-equal area
construction. (kanan)
average rate-equal area
method for data with
experimental error.
Sumber: Doran, 1995
Contoh:
Metode lereng mid point ini diilustrasikan dengan menggunakan data dari tabel pada
metode sebelumnya, yaitu hasil dari pengukuran oksigen dalam sIstem tertutup sebagai
fungsi waktu.
Tabel 2. Graphical Differentiation using the mid point slope methode
Time (t, min) Oxygen
Concentration
(CA, ppm)
∆t [(CA) t+e - (CA) t-e]. dCA/dt
0.0 8.00 - -
1.0 7.55 1.0 -0.78 -0.39
2.0 7.22 1.0 -0.59 -0.30
3.0 6.96 1.0 -0.46 -0.23
4.0 6.76 1.0 -0.35 -0.18
5.0 6.61 1.0 -0.27 -0.14
6.0 6.49 1.0 -0.22 -0.11
8.0 6.33 2.0 -0.24 -0.06
10.0 6.25 2.0 - -
Sumber: Doran, 1995
Grafik 3. Data yang telah
dihaluskan. Sumber: Doran,
1995