06/01/2012

1

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

Kemampuan untuk diatur (regulasi)

06/01/2012

2

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

06/01/2012

3

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

06/01/2012

4

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?

06/01/2012

5

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]

06/01/2012

6

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 berkurang

06/01/2012

7

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 Km

A, kemudian perlakuan dibalik, sehingga diperoleh Km

B

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.

A Q P B

06/01/2012

8

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

maxmax B

K

VAB

KKK

VV

B

m

B

m

A

sA

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

maxmax VB

K

AV

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

Untuk enzim homotropik sisi aktif dan sisi regulator sama

06/01/2012

9

• 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.