06/01/2012
ENZIM ADALAH BIOKATALISATOR ENZIM SEBAGAI BIOKATALISATOR Enzim : molekul protein tak hidup yang dihasilkan oleh sel
hidup Protein enzim melangsungkan ribuan reaksi kimia di dalam
sel.
TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS : •M A H A S I S W A
MAMPU MENJELASKAN SEBAGAI BIOKATALISATOR
PERAN
ENZIM
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
Tiga sifat utama enzim : 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)
Kemampuan katalitiknya Spesifisitas Kemampuan untuk diatur (regulasi)
bbrp enzim disintesis dlm btk tidak aktif. Dan akan
diaktifkan oleh kondisi dan waktu yang sesuai (enzim allosterik) . prekursor yg tidak aktif disebut zymogen
1
06/01/2012
Bagian-bagian enzim
Bagian-bagian enzim (lanjutan) Seperti halnya protein lain, enzim memiliki BM
Kita mengenal istilah:
antara 12,000 – 1 juta kd
Beberapa enzim tidak membutuhkan molekul
Holoenzim
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
Apoenzim/ apoprotein Gugus prostetik Koenzim Kofaktor
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
Bagaimana enzim bekerja 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.
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
2
06/01/2012
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
3
06/01/2012
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
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 Gambar sisi aktif ensim dan asam amino yang terlibat
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?
4
06/01/2012
FAKTOR YANG MEMPENGARUHI KERJA ENZIM
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] Konsentrasi Substrat pH dan suhu
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 K1
E+S
K2
ES
E+P
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 K-1 + K2
Enzim sangat efisien dalam mengkatalis suatu reaksi, steady state (keseimbangan reaksi) segera dapat tercapai apabila : Kecepatan pembentukan ES komplek sama dengan kecepatan pemecahannya
= Km
konstanta
Michaelis
K1 Vmax [S] Persamaan
V=
Michaelis-Menten
Km + [S]
5
06/01/2012
Lineweaver-Burk double reciprocal plot
Ketika kondisi diatur sehingga [S] = Km maka
Vmax [S] V=
Y=mx + b
dan V = Vmax / 2 [S] + [S]
Penghambatan Reaksi Enzimatis
PENGATURAN ENZIM
Kerja enzim dapat dihambat secara reversible atau irreversible
Penghambat kompetitif (competitive inhibitor): molekul inhibitor berkompetisi dengan substrat untuk menempati sisi aktif enzim.
Irreversible pembentukan atau pemecahan ikatan kovalen
dalam enzim
Reversible suatu senyawa dapat terikat dan kemudian dpt
lepas kembali
Reversible inhibitor ini dpt dibagi :
Penghambat non kompetitif (allosteric inhibition) Molekul penghambat bergabung dengan enzim di luar sisi aktif, menyebabkan konformasi enzim berubah
competitive non-competitive un-competitive
penghambatan competitive Penghambatan umpan balik (Feedback Inhibition) Penumpukan produk akhir menghambat kerja enzim pertama dalam rangkaian reaksi tersebut sehingga produksi enzim selanjutnya ditunda
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
6
06/01/2012
Penghambatan un-competitive
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
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+BP+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 : P B E+A EA EQ E+Q EAB EPQ E+B EB A EP E+P Q
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 A
E
B
EA
P
(EAB) (EPQ)
Q
EQ
E
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.
7
06/01/2012
REAKSI PERGANTIAN GANDA (RPG) 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 : V
1 Vmax
( K mA
K sA K mB 1 KB 1 ( ) (1 m ) B A Vmax B
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
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
Persamaan untuk menghitung V pada reaksi
pergantian ganda :
KB 1 K mA 1 1 ( ) (1 m )( ) V Vmax A B Vmax
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
8
06/01/2012
• 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.
9
