CHAR A AC A TER E IS I T S IC I S S O F O

LECTURE 3:

LECTURE 3:

CHARACTERISTICS OF

CHARACTERISTICS OF

ENZYME

ENZYME CATALYSIS

CATALYSIS



IsoenzymeIsoenzyme



Enzymes that perform the same catalytic Enzymes that perform the same catalytic function in different body tissues or different function in different body tissues or different organisms, but which have different organisms, but which have different sequences of amino acids in various portions sequences of amino acids in various portions of their polypeptide chain are called of their polypeptide chain are called isoenzymes

isoenzymes. . IsoenzymesIsoenzymes can be separated can be separated from one another by electrophoresis from one another by electrophoresis..



ProenzymeProenzyme or or zymogenzymogen



ProenzymeProenzyme (or (or zymogenzymogen) is the name given to ) is the name given to the inactive form of an enzyme. Enzymes the inactive form of an enzyme. Enzymes (especially digestive enzymes) are often (especially digestive enzymes) are often secreted in their inactive form, transported to secreted in their inactive form, transported to the place where activity is desired, and then the place where activity is desired, and then converted to their active forms.

converted to their active forms.



 EnzimEnzim monomerikmonomerik; yang ; yang memilikimemiliki hanyahanya satu

satu rantairantai polipeptidapolipeptida dimanadimana terdapatterdapat tempat

tempat aktifaktif..



 EnzimEnzim oligomerikoligomerik; ; yang yang memilikimemiliki paling paling

sedikit

sedikit 2 2 dandan sebanyaksebanyak 60 60 atauatau lebihlebih subunit yang

subunit yang terikatterikat kuatkuat dalamdalam pembentukan

pembentukan protein protein enzimenzim aktifaktif..



 KompleksKompleks multienzimmultienzim; ; yang yang terdiriterdiri daridari

sejumlah

sejumlah enzimenzim yang yang terikatterikat kuatkuat

Enzyme

Enzyme--Substrate Interaction

Substrate Interaction



Lock and Key" HypothesisLock and Key" Hypothesis



The "Induced Fit" Hypothesis The "Induced Fit" Hypothesis

"Lock and Key" Hypothesis "Lock and Key" Hypothesis 

Emil Fischer in 1890 proposed Emil Fischer in 1890 proposed "Lock and Key" "Lock and Key" Hypothesis

Hypothesis



The shape, or configuration, of the active site The shape, or configuration, of the active site is especially designed for the specific substrate is especially designed for the specific substrate involved.



 Because the configuration is determined by Because the configuration is determined by the amino acid sequence of the enzyme, the the amino acid sequence of the enzyme, the native configuration of the entire enzyme native configuration of the entire enzyme molecule must be intact for the active site to molecule must be intact for the active site to have the correct configuration. In such a case, have the correct configuration. In such a case, the substrate then fits into the active site of the substrate then fits into the active site of the enzyme in much the same way as a key the enzyme in much the same way as a key fits into a lock.

fits into a lock.

Lock & Key Model

Lock & Key Model

E n z i m S u b str a t

The "Induced Fit" Hypothesis The "Induced Fit" Hypothesis



 Enzymes are highly flexible, Enzymes are highly flexible, conformationallyconformationally dynamic molecules, and many of their dynamic molecules, and many of their remarkable properties, including substrate remarkable properties, including substrate binding and catalysis, are due to their binding and catalysis, are due to their structural pliancy.

structural pliancy.



 Realization of the conformational flexibility of Realization of the conformational flexibility of proteins led Daniel

proteins led Daniel KoshlandKoshland to hypothesize to hypothesize that the binding of a substrate (S) by an that the binding of a substrate (S) by an enzyme is an interactive process. That is, the enzyme is an interactive process. That is, the shape of the enzyme's active site is actually shape of the enzyme's active site is actually modified upon binding S, in a process of modified upon binding S, in a process of dynamic recognition between enzyme and dynamic recognition between enzyme and substrate aptly called induced fit. substrate aptly called induced fit.



 In essence, substrate binding alters the In essence, substrate binding alters the conformation of the protein, so that the protein conformation of the protein, so that the protein and the substrate "fit" each other more and the substrate "fit" each other more precisely. The process is truly interactive in precisely. The process is truly interactive in that the conformation of the substrate also that the conformation of the substrate also changes as it adapts to the conformation of the changes as it adapts to the conformation of the enzyme.

enzyme.

Induced Fit Model

Enzyme Kinetics

Enzyme Kinetics



 Enzymes follow zero order kinetics when Enzymes follow zero order kinetics when substrate concentrations are high. Zero order substrate concentrations are high. Zero order means there is no increase in the rate of the means there is no increase in the rate of the reaction when more substrate is added. reaction when more substrate is added.



 Given the following breakdown of sucrose to Given the following breakdown of sucrose to glucose and fructose

glucose and fructose

Sucrose + H20

→

Glucose + Fructose

O H HO H HO H OH OH H H OH OH HO H H OH O H H HO H H H OH 

 ReaksiReaksi bersifatbersifat dapatdapat balik

balik yaituyaitu sebagiansebagian senyawa

senyawa dapatdapat disintesis

disintesis kembalikembali daridari zat

zat yang yang terdapatterdapat dalam

dalam reaksireaksi



 JikaJika faktorfaktor lingkunganlingkungan tetap

tetap, , kecepatankecepatan pembentukan pembentukan produkproduk ((kecepatankecepatan reaksireaksi) ) ditentukan ditentukan oleholeh konsentrasi konsentrasi enzimenzim dan

dan substratsubstrat •• V = V = kecepatankecepatan reaksireaksi, , •• [E] = [E] = konsentrasikonsentrasi

enzim enzim & &

•• [S] = [S] = konsentrasikonsentrasi substrat substrat

V

W aktu

[E]

[E] 2 1 3 4

V

Gambar 6. Hubungan antara kecepatan reaksi (V) dengan konsentrasi enzim (kiri), dan dengan waktu pada [E] yang berbeda (kanan)

Apabila [S] tetap, kecepatan reaksi me-ningkat sebanding dengan peningkatan [E]



 ApabilaApabila konsentrasikonsentrasi enzimenzim tetaptetap dandan substratsubstrat meningkat

meningkat, V , V akanakan meningkatmeningkat mulamula--mulamula dandan proporsional

proporsional dengandengan peningkatanpeningkatan [S], [S], tapitapi padapada [S] yang

[S] yang lebihlebih tinggitinggi, , lajulaju peningkatanpeningkatan V V menurun

menurun secarasecara perlahanperlahan--lahanlahan hinggahingga kemudian

kemudian V V hampirhampir tidaktidak tergantungtergantung padapada [S]. [S].

Vmax V

KM [S]

Gambar 2.2. Hubungan antara kecepatan reaksi (V) dengan konsentrasi substrat ([S]) pada reaksi yang dikatalisis oleh suatu enzim



 Leonor Leonor MichaelisMichaelis dandan Maud Maud MentenMenten padapada tahuntahun 1913

1913 mengusulkanmengusulkan suatusuatu model model untukuntuk menjelaskan

menjelaskan kinetikkinetik reaksireaksi enzimatisenzimatis untukuntuk satu

satu substratsubstrat dandan satusatu enzimenzim ((UniUni--UniUni reaction)reaction)

Hipotesisnya

Hipotesisnya adalahadalah bahwabahwa Enzim

Enzim (E), yang (E), yang bertindakbertindak sebagaisebagai reaktan

reaktan tapitapi tidaktidak digunakandigunakan dalamdalam reaksi

reaksi, , menyatumenyatu dengandengan substratsubstrat (S) (S) dalam

dalam suatusuatu komplekskompleks ES ES dalamdalam pembentukan

pembentukan produkproduk

MICHAELIS

MICHAELIS--MENTEN MODEL

MENTEN MODEL

E = Enzyme, S = Substrate, P = Product ES = Enzyme-Substrate complex

k1, k2, k3 & k4 = rate constants

3

k

1

k

E

S

E+

S

k

E+

P

2

k

4

When the substrate concentration becomes large enough to force the equilibrium to form completely all ES the second step in the reaction becomes rate limiting because no more ES can be made and the enzyme-substrate complex is at its maximum value.

 

_{ }

ES

P

2

k

dt

d

v





[ES] is the difference between the rates of ES formation minus the rates of its disappearance.

 

_{  }

_{ }

_{ }

ES

ES

S

E

ES

2 1 1

k

k

k

dt

d







_ 1

Assumption of equilibrium

k-1>>k2 (k2>>k3) the formation of product is so much slower than the formation of the ES complex. That we can assume:

Ks is the dissociation constant for the ES complex. 3

k

1

k

ES

E+S

k

E+P

2

k

4

]

ES

[

]

S

][

E

[

K

K

K

1 2 S





Assumption of steady state

Transient phase where in the course of a reaction the concentration of ES does not change

 

0

ES



dt

d

V

V

S

K

_M

S





max

[ ]

[ ]

Michaelis-Menten Model

 

E

T



   

E



ES

The Km is the substrate concentration where vo equals one-half Vmax

There are a wide range of KM, Vmax , and efficiency seen in enzymes

Penetuan

Penetuan K

K

_M

_M

dan

dan Vmax

Vmax



HargaHarga KK_MMbervariasibervariasi sangatsangat besarbesar, , tapitapi

dari

dari kebanyakankebanyakan enzimenzim berkisarberkisar diantaradiantara 10

10--11_{-- 1010}--66_{M (M (TabelTabel 2.1) 2.1) tergantungtergantung} substrat

substrat dandan lingkunganlingkungan sepertiseperti suhusuhu dandan kuantitas

kuantitas ionion



UntukUntuk mendapatkanmendapatkan hargaharga KKMMdandan VmaxVmax, , analisis

analisis langsunglangsung persamaanpersamaan diatasdiatas dapat

dapat dilakukandilakukan, , tapitapi caracara iniini membutuhkan

membutuhkan waktuwaktu yang lama, yang lama, dandan bantuan

bantuan komputerkomputer sangatsangat pentingpenting untukuntuk mengoptimasi

mengoptimasi hargaharga parameter parameter persamaan

persamaan dengandengan cepatcepat. .

Tabel 2.1 Parameter beberapa enzim

Tabel 2.1 Parameter beberapa enzim

*“C = Competitive, NC = Non-competitive & UC = Uncompetitive”

PENDEKATAN LAIN

PENDEKATAN LAIN





Linierisasi

Linierisasi persamaan

persamaan

Modifikasi

Modifikasi persamaan

persamaan ke

ke bentuk

bentuk

linier

linier sehingga

sehingga dapat

dapat dianalisis

dianalisis

dengan

dengan mudah

mudah

1.

1. Persamaan

Persamaan “double

“double--reciprocal”

reciprocal”

atau

atau ““Lineweaver

Lineweaver--Burk”

Burk”

2.

2. Persamaan

Persamaan ““Eadie

Eadie--Hofstee

Hofstee”

”

3.

3. Persamaan

Persamaan “Hanes

“Hanes--Woolf”

Woolf”

Persamaan

Persamaan “double

“double--reciprocal”

reciprocal”

atau

atau ““Lineweaver

Lineweaver--Burk”

Burk”



 JikaJika ruasruas kirikiri dibalikdibalik dandan demikiandemikian jugajuga ruasruas kanankanan, , maka

maka



 SekarangSekarang persamaanpersamaan iniini akanakan mudahmudah dianalisisdianalisis dengan

dengan metodemetode linier linier sedehanasedehana max max M

V

1

]

S

[

1

.

V

K

V

1





V

V

S

K

M

S





max

[ ]

[ ]





Sekarang

Sekarang

y = 1/V ; x = 1/[S]

y = 1/V ; x = 1/[S]

a = 1/

a = 1/Vmax

Vmax ; b = K

; b = K

_MM

//Vmax

Vmax

dapat

dapat dianalisis

dianalisis dengan

dengan y = a +

y = a + bx

bx





Jika

Jika 1/V

1/V dihubungkan

dihubungkan dengan

dengan 1/[S],

1/[S],

suatu

suatu garis

garis lurus

lurus akan

akan dihasilkan

dihasilkan

yang

yang memotong

memotong sumbu

sumbu y

y pada

pada

1/

1/Vmax

Vmax dan

dan sumbu

sumbu x

x pada

pada --1/K

1/K

_MM

serta

serta membentuk

membentuk sudut

sudut terhadap

terhadap

sumbu

sumbu x

x sebesar

sebesar K

K

MM

//Vmax

Vmax.

.

-1/KM

1/[S]

KM/Vmax

1/Vmax

Persamaan

Persamaan ““Eadie

Eadie--Hofstee

Hofstee”

”

]

S

[

V

])

S

[

K

(

V

_M





_max

V

V

S

K

M

S





max

[ ]

[ ]

]

S

[

V

VK

]

S

[

V





M



max ] S [ ] S [ V VK V _  M  max

max

M

V

]

S

[

V

K

V







 

Sekarang

Sekarang

y = V ; x = V/[S]

y = V ; x = V/[S]

a = Vmax ; b =

a = Vmax ; b = --K

K

_MM

dapat dianalisis dengan y = a + bx

dapat dianalisis dengan y = a + bx





Jika V dihubungkan dengan V/[S], suatu garis

Jika V dihubungkan dengan V/[S], suatu garis

lurus akan dihasilkan yang memotong sumbu

lurus akan dihasilkan yang memotong sumbu

y pada Vmax dan sumbu x pada Vmax/K

y pada Vmax dan sumbu x pada Vmax/K

MM

serta membentuk sudut terhadap sumbu x

serta membentuk sudut terhadap sumbu x

sebesar K

V/[S]

Persamaan

Eadie-Hofstee

V

Vmax/KM Vmax

Persamaan

Persamaan “Hanes

“Hanes--Woolf”

Woolf”

max M V ] S [ K V ] S [   ] S [ V ]) S [ K ( V M   max ] S .[ V 1 V K V ] S [ max max M _ 

]

S

.[

V

1

V

K

V

]

S

[

max max M

_



V V S KM S   max[ ] [ ]  

Sekarang

Sekarang

y = [S]/V ; x = [S]

y = [S]/V ; x = [S]

a = K

a = K

MM

/Vmax ; b = 1/Vmax

/Vmax ; b = 1/Vmax

dapat dianalisis dengan y = a + bx

dapat dianalisis dengan y = a + bx





Jika [S]/V dihubungkan dengan [S], suatu

Jika [S]/V dihubungkan dengan [S], suatu

garis lurus akan dihasilkan yang memotong

garis lurus akan dihasilkan yang memotong

sumbu y pada K

sumbu y pada K

MM

/Vmax dan sumbu x pada

/Vmax dan sumbu x pada

--K

K

MM

serta membentuk sudut terhadap sumbu x

serta membentuk sudut terhadap sumbu x

sebesar 1/Vmax.

sebesar 1/Vmax.

Persam aan

H an es-W oolf

-KM [S]/V [S]

K

M

/V max

STEPS OF MODEL DERIVATION

STEPS OF MODEL DERIVATION

1.

1. PembentukanPembentukan ES ES adalahadalah intiinti daridari hipotesishipotesis tersebuttersebut

(1) (1)

1.

1. ReaksiReaksi E E dengandengan S S terjaditerjadi dengandengan kecepatankecepatan kk₁₁ dan

dan menghasilkanmenghasilkan komplekskompleks ES (ES (enzimenzim--substratsubstrat)) 2.

2. KompleksKompleks ES ES dapatdapat berubahberubah menjadimenjadi E E dandan S S bebas

bebas kembalikembali dengandengan kecepatankecepatan kk₂₂, , atauatau menjadimenjadi E

E dandan P P dengandengan kecepatankecepatan kk33..

3

k

1

k

ES

E+S

k

E+P

2

k

4

4.

4. Jika kJika k33kk44, maka reaksi bersifat “irreversible”, , maka reaksi bersifat “irreversible”,

sehingga produk P tidak ada yang diubah kembali sehingga produk P tidak ada yang diubah kembali menjadi substrat asal dan k

menjadi substrat asal dan k4 4 dapat diabaikan. dapat diabaikan.

5.

5. Suatu hal penting yang perlu diingat adalah bahwa Suatu hal penting yang perlu diingat adalah bahwa konstanta k

konstanta k11, k, k22, k, k33dan kdan k44proporsional dengan proporsional dengan G G

aktivasi substrat dari reaksi yang bersangkutan aktivasi substrat dari reaksi yang bersangkutan 6.

6. Pada [S] yang rendah, kebanyakan enzim berada Pada [S] yang rendah, kebanyakan enzim berada dalam bentuk bebas, sehingga penambahan S akan dalam bentuk bebas, sehingga penambahan S akan langsung terikat dengan E dan diubah menjadi P langsung terikat dengan E dan diubah menjadi P dengan demikian kecepatan awal proporsional dengan demikian kecepatan awal proporsional dengan peningkatan [S]

dengan peningkatan [S]

7.

7. PadaPada [S] yang [S] yang lebihlebih tinggitinggi, , kecepatankecepatan reaksireaksi bervariasibervariasi dengan

dengan peningkatanpeningkatan [S] [S] karenakarena enzimenzim mulaimulai mengalamimengalami kejenuhan

kejenuhan

8.

8. PadaPada [S] yang [S] yang tinggitinggi, , semuasemua enzimenzim dijenuhidijenuhi oleholeh substrat

substrat dandan karenanyakarenanya beradaberada dalamdalam bentukbentuk komplekskompleks ES

ES

9.

9. JadiJadi enzimenzim dalamdalam suatusuatu reaksireaksi dapatdapat beradaberada dalamdalam keadaan

keadaan bebasbebas dandan terikatterikat dengandengan substratsubstrat, , sehinggasehingga total

total enzimenzim secarasecara matematismatematis adalahadalah

[E]

[E]

00

= [E]+[ES]

= [E]+[ES]

(2)(2)

10.

10.

Penurunan persamaan Michaelis

Penurunan persamaan Michaelis--Menten

Menten

tergantung pada asumsi yang disebut

tergantung pada asumsi yang disebut

”Briggs

”Briggs--Haldane Steady

Haldane Steady--State”

State”

11.

11.

Keadaan "steady state" adalah suatu

Keadaan "steady state" adalah suatu

keadaan dimana konsentrasi intermediat

keadaan dimana konsentrasi intermediat

(perantara) ES tetap konstan, sementara

(perantara) ES tetap konstan, sementara

konsentrasi substrat dan produk berubah

konsentrasi substrat dan produk berubah

12.

12.

Keadaan demikian terjadi apabila

Keadaan demikian terjadi apabila

kecepatan pembentukan ES sama dengan

kecepatan pembentukan ES sama dengan

kecepatan peruraian ES

kecepatan peruraian ES

13.

13.

Keadaan

Keadaan “steady”

“steady” dapat

dapat dinyatakan

dinyatakan secara

secara

matematis

matematis seperti

seperti dengan

dengan persamaan

persamaan

berikut

berikut



[ES]/

[ES]/tt = 0

= 0

(3)

(3)

dimana

dimana t =

t = waktu

waktu ((menit

menit))

14.

14.

Pernyataan

Pernyataan [ES]/

[ES]/t

t dapat

dapat ditulis

ditulis dari

dari sudut

sudut

konstanta

konstanta dan

dan konsentrasi

konsentrasi pers

pers (1)

(1) yaitu

yaitu

Kecepatan

Kecepatan pembentukan

pembentukan ES

ES

ES = k

Kecepatan

Kecepatan peruraian

peruraian

ESES

ES = (k

ES = (k

22

+ k

+ k

33

) (ES)

) (ES)

(4b)

(4b)

15.

15.

Dalam

Dalam keadaan

keadaan "steady state"

"steady state" kedua

kedua

persaman

persaman (4a)

(4a) dan

dan (4b)

(4b) adalah

adalah sama

sama,

,

sehingga

sehingga



[ES]/

[ES]/tt = k

= k

11

[E][S]

[E][S]--(k

(k

22

+k

+k

33

)(ES) =

)(ES) = 00

(5)

(5)

16.

16.

Subsitusi

Subsitusi E

E dari

dari pers

pers (2)

(2) kedalam

kedalam pers

pers (5)

(5)

menghasilkan

menghasilkan

kk

11

[S][E]

[S][E]

00

–

–[ES](k

[ES](k

11

[S]+k

[S]+k

22

+k

+k

33

)=0 (6)

)=0 (6)

17.

17.

Pengaturan

Pengaturan persamaan

persamaan lebih

lebih lanjut

lanjut

(7)

(7)

18.

18.

Persamaan

Persamaan ini

ini dapat

dapat dimodifikasi

dimodifikasi dengan

dengan

cara

cara ruas

ruas kanan

kanan dibagi

dibagi dengan

dengan kk

₁₁

[S],

[S],

(8) (8) 19.

19.

Karena

Karena kk

11

, k

, k

22

,

, dan

dan kk

33

adalah

adalah konstanta

konstanta,

, maka

maka

ketiga

ketiga konstanta

konstanta ini

ini dapat

dapat dijadikan

dijadikan satu

satu

konstanta

konstanta yaitu

yaitu (k

(k

22

+ k

+ k

33

)/k

)/k

11

= K

= K

MM

yang

yang

dikenal

dikenal sebagai

sebagai konstanta

konstanta Michaelis

Michaelis--Menten

Menten

]

S

[

k

/

)

k

k

(

1

]

E

[

]

ES

[

1

3

2

0







20.

20. UntukUntuk kebanyakankebanyakan enzimenzim kk33 kk22, , sehinggasehingga KKMM

akan

akan mendekatimendekati (k(k22+ k+ k11), sedang), sedang (k(k22+ k+ k33)/ )/

k

k11adalahadalah Ks (Ks (konstantakonstanta dissosiasidissosiasi komplekskompleks

enzim

enzim--substratsubstrat). ).

21.

21. JikaJika KKMM, yang , yang merupakanmerupakan ukuranukuran affinitasaffinitas

enzim

enzim akanakan substratsubstrat, , disubsitusikandisubsitusikan kedalamkedalam pers

pers (8), (8), makamaka

(10) (10)

])

S

/[

K

(

1

]

E

[

]

ES

[

M

0





22.

22. Kecepatan reaksi katalisis dapat dinyatakan dengan Kecepatan reaksi katalisis dapat dinyatakan dengan jumlah produk yang tebentuk per satuan waktu yaitu jumlah produk yang tebentuk per satuan waktu yaitu produk dari konsentrasi kompleks ES dengan produk dari konsentrasi kompleks ES dengan kapasitas katalisis enzim k

kapasitas katalisis enzim k_{3 3} (turnover number(turnover number).). (11) (11) 23.

23. Subsitusi [ES] dari pers. (11) kedalam pers (10) Subsitusi [ES] dari pers. (11) kedalam pers (10) memberikan memberikan (12) (12)

]

ES

[

k

t

]

P

[

V



₃







])

S

/[

K

(

1

]

E

[

k

V

M

0

3





24.

24. PadaPada keadaankeadaan E E dijenuhidijenuhi S yang S yang berartiberarti semuasemua enzim

enzim terikatterikat dengandengan substratsubstrat dalamdalam komplekskompleks ES, ES, maka

maka V = V = VmaxVmax = k= k₃₃[E][E]₀₀. . KemudianKemudian persamaanpersamaan diatas

diatas dapatdapat ditulisditulis dalamdalam bentukbentuk berikutberikut..

atau

atau (13)(13)

25.

25. PersamaanPersamaan terakhirterakhir iniini ad.ad. persamaanpersamaan Michaelis Michaelis--Menten

Menten yang yang secarasecara luasluas digunakandigunakan utkutk analisisanalisis reaksi

reaksi enzimenzim..

V

V

K

_M

S





max

(

/ [ ])

1

V

V

S

K

M

S





max

[ ]

[ ]

26.

26. StoikiometriStoikiometri perspers (13) (13) adalahadalah SSP P yaituyaitu satusatu substratsubstrat dan

dan satusatu produkproduk ((uniuni--uniuni), ), sementarasementara banyakbanyak reaksireaksi yang

yang dikatalisisdikatalisis enzimenzim melibatkanmelibatkan stoikiometristoikiometri yang yang lebih

lebih komplekskompleks sepertiseperti berikutberikut;;

27.

27. UntungnyaUntungnya, , persamaanpersamaan MichaelisMichaelis--MentenMenten kirakira--kirakira berlaku

berlaku untukuntuk reaksireaksi yang yang lebihlebih komplekskompleks sekalipunsekalipun dengan

dengan mekanismemekanisme yang yang berbedaberbeda. .

S  P1 + P2 (Ui-Bi)

S1 + S2  P (Bi-Uni)

S1 + S2  P1 + P2 (Bi-Bi)

MATURNUWN

MATURNUWN

THANK YOU

THANK YOU

SHUKRAN

SHUKRAN

XIÈXIE

XIÈXIE