06/01/2012 ENZIM ADALAH BIOKATALISATOR. Tiga sifat utama enzim : ENZIM SEBAGAI BIOKATALISATOR SIFAT-SIFAT ENZIM SEBAGAI BIOKATALISATOR

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

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

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

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?

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]

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 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 KmA, kemudian

perlakuan dibalik, sehingga diperoleh KmB

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.

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 max max B K V A B K K K V V B m B m A s A 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

max max

B

V

K

A

V

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

• 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 (molL− 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.