MAKALAH
KINETIKA REAKSI ENZIMATIS MULTISUBSTRAT Mata Kuliah Biokimia Enzim
Kelas A
Disusun oleh:
1. Vinesha Maghfira Izzani 215090200111022
2. Nurlaila Mubarokha 215090201111053
3. Naimatus Sania Permatasari 215090201111056 4. Annisya Puspita Triwinasis 215090207111019
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PROGRAM STUDI KIMIA
MALANG 2024
1
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI... 2
DAFTAR GAMBAR... 3
BAB I... 4
PENDAHULUAN...4
1.1 Latar Belakang... 4
1.2 Rumusan Masalah... 4
1.3 Tujuan...4
1.4 Manfaat...4
BAB II...6
PEMBAHASAN... 6
2.1 Mekanisme Reaksi... 6
2.1.1 Mekanisme Ping-Pong... 6
2.1.2 Mekanisme Order Acak... 6
2.2 Kinetika Steady-State...7
2.3 Penentuan Mekanisme Reaksi Berdasarkan Steady-State...8
2.4 Penentuan Mekanisme Reaksi Berdasarkan Non Steady-State...9
2.4.1 Pertukaran Isotop Pada Kesetimbangan...9
2.4.2 Mekanisme Compulsory-Orde... 10
BAB III... 12
PENUTUP... 12
3.1 Kesimpulan...12
3.2 Saran...12
DAFTAR PUSTAKA...13
DAFTAR GAMBAR
2.1.1 Gambar Mekanisme Ping-Pong... 6 2.1.2 Gambar Mekanisme Order Acak...6 2.4.1 Gambar Mekanisme reaksi sukrase fosforilase mengkatalisis konversi ortofosfat dan sukra menjadi glukosa-1-fosfat dan fruktosa... 8 2.4.2 Gambar Mekanisme Compulsory-Orde...9
3
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Enzim merupakan biokatalisator yang memegang peranan penting dalam berbagai proses metabolisme di dalam sel. Mereka memiliki kemampuan luar biasa untuk mempercepat laju reaksi kimia hingga jutaan kali lipat, memungkinkan proses kehidupan berlangsung secara efisien. Salah satu aspek penting dalam memahami fungsi enzim adalah mempelajari kinetika enzim, yaitu studi tentang laju reaksi yang dikatalisis enzim dan bagaimana laju tersebut dipengaruhi oleh berbagai faktor.
Kinetika reaksi enzimatis multisubstrat berfokus pada reaksi enzimatik yang melibatkan dua atau lebih substrat untuk menghasilkan produk. Reaksi multisubstrat lebih kompleks daripada reaksi substrat tunggal karena terdapat beberapa kemungkinan cara interaksi antara enzim dan substrat. Beberapa model kinetika enzim telah dikembangkan untuk menjelaskan mekanisme reaksi multisubstrat, seperti model urutan acak, model urutan terikat, dan model mekanisme ping-pong.
Model urutan acak mengasumsikan bahwa kedua substrat dapat berikatan dengan enzim secara acak, dan reaksi dapat terjadi setelah salah satu atau kedua substrat terikat.
Model urutan terikat mengasumsikan bahwa substrat pertama harus berikatan dengan enzim sebelum substrat kedua dapat berikatan, dan reaksi hanya dapat terjadi setelah kedua substrat terikat. Model mekanisme ping-pong mengasumsikan bahwa kedua substrat tidak pernah berikatan dengan enzim pada saat yang sama, dan reaksi terjadi dalam dua langkah terpisah (Webb, 2014)
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dengan mekanisme reaksi?
2. Apa yang dimaksud dengan kinetika Steady-State?
3. Bagaimana penentuan mekanisme reaksi berdasarkan Steady-State?
4. Bagaimana penentuan mekanisme reaksi berdasarkan non Steady-State?
1.3 Tujuan
Tujuan dibuatnya makalah ini untuk menjelaskan konsep dasar kinetika reaksi enzimatis multisubstrat yang memiliki beragam latar belakang ilmiah. Ini termasuk menjelaskan istilah-istilah kunci seperti mekanisme reaksi, kinetika steady-state, Penentuan Mekanisme Reaksi Berdasarkan Steady-State, dan Penentuan Mekanisme Reaksi Berdasarkan Non Steady-State.
1.4 Manfaat
Berikut beberapa manfaat dalam penulisan makalah ini adalah dapat menjelaskankonsep dasar kinetika reaksi enzimatis multisubstrat yang memiliki beragam latar belakang ilmiah dan juga dapat menjelaskan istilah-istilah kunci seperti mekanisme reaksi, kinetika
steady-state, Penentuan Mekanisme Reaksi Berdasarkan Steady-State, dan Penentuan Mekanisme Reaksi Berdasarkan Non Steady-State.
5
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Mekanisme Reaksi
2.1.1 Mekanisme Ping-Pong
Mekanisme ping-pong, juga disebut reaksi perpindahan ganda, ditandai dengan perubahan enzim menjadi bentuk antara ketika substrat pertama untuk reaksi produk terjadi.
Penting untuk dicatat istilah perantara yang menunjukkan bahwa bentuk ini hanya sementara.
Pada akhir reaksi, enzim harus ditemukan dalam bentuk aslinya. Enzim didefinisikan oleh fakta bahwa ia terlibat dalam reaksi dan tidak dikonsumsi. Karakteristik kunci lain dari mekanisme ping-pong adalah bahwa satu produk dibentuk dan dilepaskan sebelum substrat kedua mengikat. Gambar di bawah ini menjelaskan mekanisme Ping Pong melalui reaksi enzimatik (Ulusu, 2015).
Gambar 2.1.1 Mekanisme Ping-Pong
Gambar diatas menunjukkan bahwa ketika substrat A berikatan dengan enzim, EA kompleks enzim-substrat terbentuk. Pada titik ini, keadaan menengah, bentuk E*. P dilepaskan dari E* , lalu B berikatan dengan E*. B dikonversi ke Q, yang dirilis sebagai produk kedua. E*
menjadi E, dan prosesnya dapat diulang. Sering kali, E * mengandung fragmen substrat asli A. Fragmen ini dapat mengubah fungsi enzim, melekat pada substrat B, atau keduanya (Ulusu, 2015).
2.1.2 Mekanisme Order Acak
Gambar 2.1.2 Mekanisme Order Acak
Mekanisme order acak dalam reaksi enzim multisubstrat menggambarkan situasi di mana substrat-substrat masuk ke dalam kompleks enzim-substrat secara acak, tanpa urutan tertentu. Dalam mekanisme ini, enzim dapat berinteraksi dengan salah satu substrat terlebih dahulu, kemudian dengan substrat lainnya, atau bahkan dengan keduanya secara bersamaan.
Dalam mekanisme order acak, urutan interaksi enzim dengan substrat dan pelepasan produk tidak tergantung pada urutan masuknya substrat ke dalam kompleks enzim-substrat. Hal ini menyebabkan kurva kinetik reaksi enzimatis tidak mengikuti pola Michaelis-Menten yang khas, tetapi dapat menunjukkan tingkat kompleksitas yang lebih tinggi dalam interpretasi data kinetik (Ulusu, 2015).
2.2 Kinetika Steady-State
Dalam kinetika, kita menggunakan pendekatan steady state, hal ini untuk menghubungkan konsentrasi intermediate dengan konsentrasi reaktan. Contoh pada mekanisme A → B → C, dengan menggunakan pendekatan steady state untuk B memberikan persamaan yaitu k1[A]=k2[B], sehingga [B]=k1 k2[A]. dikarenakan B berada dalam steady state, [B] diharuskan konstan sepanjang waktu. Pendekatan steady state juga biasa disebut dengan pendekatan keadaan tunak. Pendekatan ini digunakan pada penyelesaian kinetika reaksi dengan mekanisme yang terdiri dari beberapa tahapan. Kinetika steady state merujuk pada studi kinetika yang menganalisis proses kimia dalam keadaan keseimbangan, atau keadaan di mana sistem kimia tidak berubah seiring waktu. Dalam kinetika steady state, persamaan reaksi yang digunakan untuk menganalisis proses kimia adalah persamaan massa-massa, persamaan kinetik, dan persamaan kinetik berkelanjutan. Di dalam kinetika steady state, reaksi kimia dikarakterisasi oleh konstanta kinetik, yang merupakan kombinasi dari konstanta reaksi dan konstanta kinetik.
Penggunaan persamaan alberty digunakan untuk menganalisis keadaan tunak atau steady state dalam kimia. Persamaan ini berasal dari persamaan relasi atau hubungan energi-momentum yang dicetuskan oleh Albert Einstein. Persamaan Alberty sebagai berikut:
Pada [B0], maka persamaan sebagai berikut:
Pada [B0], konstan tetapi tidak jenuh, persamaannya menjadi:
7
2.3 Penentuan Mekanisme Reaksi Berdasarkan Steady-State
Enzim merupakan biokatalisator yang memainkan peran penting dalam berbagai proses metabolisme di dalam sel. Mereka memiliki kemampuan luar biasa untuk mempercepat laju reaksi kimia hingga jutaan kali lipat, memungkinkan proses kehidupan berlangsung secara efisien. Salah satu aspek penting dalam memahami fungsi enzim adalah mempelajari mekanisme reaksi enzimatik, yaitu urutan langkah-langkah kimia yang terjadi dalam reaksi yang dikatalisis enzim.
Penentuan mekanisme reaksi enzimatik merupakan proses kompleks yang membutuhkan berbagai metode eksperimental dan analisis data. Salah satu metode yang umum digunakan adalah metode steady-state. Metode ini didasarkan pada prinsip bahwa pada kondisi steady-state, laju pembentukan dan pemecahan kompleks enzim-substrat (ES) seimbang. Dengan kata lain, konsentrasi ES konstan pada waktu tertentu. Pada kondisi steady-state, laju pembentukan ES sama dengan laju pemecahan ES. Hal ini dapat digambarkan dengan persamaan berikut:
k1 x [E] x [S] = k2 x [ES]
Keterangan :
k1 : Konstanta laju pembentukan ES [E] : Konsentrasi enzim bebas [S] : Konsentrasi substrat
k2 : Konstanta laju pemecahan ES
Dengan mengasumsikan bahwa konsentrasi enzim bebas ([E]) konstan, persamaan di atas dapat diubah menjadi:
[ES] = k1 x [E] x [S] / k2
Dengan mensubstitusikan persamaan ini ke dalam persamaan Michaelis-Menten, kita dapat memperoleh persamaan berikut:
v = Vmax x [S] / (Km + [S]) Keterangan :
v : Laju reaksi (µmol/menit)
Vmax : Laju reaksi maksimum (µmol/menit) [S] : Konsentrasi substrat (mM)
Km : Konstanta Michaelis-Menten (mM)
Persamaan Michaelis-Menten dapat digunakan untuk menghitung Vmax dan Km.
Selain itu, metode steady-state dapat digunakan untuk membedakan antara berbagai mekanisme reaksi enzimatik.
Hal ini dilakukan dengan menganalisis efek variasi konsentrasi substrat pada laju reaksi. Secara umum, terdapat tiga jenis mekanisme reaksi enzimatik yang dapat dibedakan dengan metode steady-state:
1. Mekanisme urutan acak: Pada mekanisme ini, kedua substrat dapat berikatan dengan enzim secara acak, dan reaksi dapat terjadi setelah salah satu atau kedua substrat terikat.
2. Mekanisme urutan terikat: Pada mekanisme ini, substrat pertama harus berikatan dengan enzim sebelum substrat kedua dapat berikatan, dan reaksi hanya dapat terjadi setelah kedua substrat terikat.
3. Mekanisme mekanisme ping-pong: Pada mekanisme ini, kedua substrat tidak pernah berikatan dengan enzim pada saat yang sama, dan reaksi terjadi dalam dua langkah terpisah (Webb, 2014).
2.4 Penentuan Mekanisme Reaksi Berdasarkan Non Steady-State
Mekanisme reaksi berdasarkan non steady-state adalah pendekatan untuk memahami urutan langkah-langkah yang terlibat dalam suatu reaksi kimia dengan memperhatikan perubahan konsentrasi reaktan dan produk dari waktu ke waktu, saat reaksi belum mencapai keadaan keseimbangan atau steady state. Dalam keadaan non steady-state, konsentrasi zat-zat reaktan dan produk tidak lagi stabil atau tidak lagi berubah pada tingkat yang konstan. Ini bisa terjadi ketika reaksi baru dimulai, ketika kondisi reaksi diubah secara tiba-tiba, atau ketika reaksi berlangsung di bawah kondisi yang sangat spesifik. Untuk menggunakan pendekatan non steady-state dalam menentukan mekanisme reaksi, para peneliti memonitor perubahan konsentrasi reaktan dan produk dari waktu ke waktu selama reaksi. Dengan menganalisis bagaimana konsentrasi zat-zat tersebut berubah, mereka dapat menentukan laju pembentukan dan konsumsi intermediat (zat antara) dalam reaksi tersebut (Saropah et al., 2013).
Metode eksperimental yang umum digunakan untuk mempelajari mekanisme reaksi berdasarkan non steady-state termasuk spektroskopi, kromatografi, dan teknik analisis kinetik lainnya. Menurut Boyer pertukaran isotop antara suatu reaktan dengan suatu produk tanpa reaktan dan produk lain mengikuti mekanisme ping-pong, seperti pada reaksi 2 S berikut :
2.4.1 Pertukaran Isotop Pada Kesetimbangan
● Mekanisme Reaksi
9
Gambar 2.4.1 Mekanisme reaksi sukrase fosforilase mengkatalisis konversi ortofosfat dan sukra menjadi glukosa-1-fosfat dan fruktosa.
Persamaan reaksi sukrase fosforilase mengkatalisis konversi ortofosfat dan sukra menjadi glukosa-1-fosfat dan fruktosa. Dalam ketidakhadiran sukra dan fruktosa, terjadi pertukaran isotop antara ortofosfat yang ditandai isotop dan glukosa-1-fosfat.
Selain itu, konstanta kesetimbangan akan dibuat dari persamaan ping pong bi-bi.
Reaksi AX + B = BX + A
Penggunaan isotop juga membantu membedakan mekanisme urutan wajib dari mekanisme lainnya. Perubahan dalam konsentrasi reaktan dan produk tidak mengubah laju pertukaran isotop pada keseimbangan. Hal ini akan membantu dalam menentukan apakah reaksi enzim yang dikatalisis oleh enzim bisubstrat adalah wajib atau acak (Park, 2021).
2.4.2 Mekanisme Compulsory-Orde
Gambar 2.4.2 Mekanisme Compulsory-Orde
[A] dan [AX] > , laju pertukaran isotop B dan BX >. Karena peningkatan [A]
dan [AX] akan memaksa enzim membentuk kompleks terner E.B.AX dan E.BX.A yang menghambat disosiasi B dari EB dan BX dari EBX, atau mengurangi pertukaran B ke BX.
Plot kesetimbangan pertukaran isotop dari B ke BX vs [AX] pada [AX]/[A]
konstan. (a) mekanisme compulsory-order, B terikat dulu. (b) mekanisme compulsory-order, AX terikat dulu atau untuk mekanisme random-order.
11
BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan
Kinetika Reaksi Enzimatis Multisubstrat mencerminkan pemahaman terhadap mekanisme reaksi enzimatis yang melibatkan lebih dari satu substrat dalam membentuk produk, seringkali melibatkan kompleks mekanisme reaksi. Ditemukan bahwa interaksi antara enzim dan lebih dari satu substrat tidak hanya melibatkan langkah-langkah reaksi yang bergantung pada konsentrasi individu substrat, tetapi juga melibatkan pembentukan kompleks intermediat yang mengarah pada berbagai jenis mekanisme reaksi. Melalui analisis kinetika, dapat mengidentifikasi parameter-parameter yang mempengaruhi kecepatan reaksi, seperti konstanta Michaelis-Menten untuk masing-masing substrat dan konstanta kelarutan untuk kompleks intermediet. Dengan memahami kinetika reaksi enzimatis multisubstrat secara lebih mendalam, kita dapat mengaplikasikan pengetahuan ini dalam berbagai bidang, termasuk pengembangan obat, bioteknologi, dan rekayasa protein.
3.2 Saran
Makalah ini dapat diperkaya lebih jauh dengan studi kasus lebih lanjut dan penerapan kinetika reaksi enzimatik multisubstrat dalam industri seperti farmasi, biokimia, dan biokatalisis. Hal ini memberikan wawasan yang lebih mendalam mengenai pentingnya konsep ini dalam pengembangan teknologi baru.
DAFTAR PUSTAKA
Green Jr., W. H. (2001). "Elementary Reaction Steps in Homogeneous Gas Phase Reactions:
Analysis of Reaction Mechanisms by Nonsteady State Methods." *Accounts of Chemical Research, 34*(8), 658-665.
Park, C. (2021). Visual Interpretation of the Meaning of kcat/KMin Enzyme Kinetics.Journal of Chemical Education,99(7), 2556–2562. https://doi.org/10.1101/2021.12.09.471995 Roskoski, Robert. (2014) “Michaelis-Menten Kinetics.” Reference Module in Biomedical
Sciences, vol. 1, no. 5143.
Saropah, D. A., Jannah, A., & Maunatin, A. (2013). Kinetika Reaksi Enzimatis Ekstrak Kasar Enzim Selulase Bakteri Selulolitik Hasil Isolasi dari Bekatul. ALCHEMY, 2(1).
https://doi.org/10.18860/al.v0i0.2297
Ulusu, N. N. (2015). Evolution of Enzyme Kinetic Mechanisms. 251–257. DOI 10.1007/s00239-015-9681-0
Webb, S. P. (2014). Enzyme kinetics and mechanism. Academic Press.
13
