BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan...

14
BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim Prof. Dr. S.M. Sitompul Lab. Plant Physiology, Faculty of Agriculture, Universitas Brawijaya Email : [email protected] DAMPAK PEMBELAJARAN 1. PENDAHULUAN 1.1 Definisi 1.2 Kepentingan Enzim 2. PENEMUAN ENZIM 2.1 Zymase 2.2 Urease 2.3 Papain 2. KHARAKTERISTIK ENZIM 2.1 Nomenklatur Enzim 2.2 Struktur Enzim 2.2 Sifat Enzim DAMPAK PEMBELAJARAN Dengan penguasaan materi dalam modul ini yang dirancang sebagai landasan dasar fisiologi tanaman, peserta didik diharapkan mampu untuk 1. membuat suatu sabun enzim (enzyme cleaner) yang digunakan untuk menghilangkan noda 2. menjelaskan enzim sebagai katalis metabolik untuk mendukung reaksi tertentu 3. menguraikan penemuan awa enzim dan kristalisasi enzim pertama 4. menjelaskan klasifikasi enzim 5. menjelaskan sifat enzim yang meliputi struktur dan kharakteristik enzim 1. PENDAHULUAN 1.1 Definisi Kehidupan adalah proses dinamik (berubah dengan waktu) yang melibatkan perubahan dalam komposisi kimia yang berhubungan dengan fungsi sel. Perubahan tersebut terjadi melalui reaksi yang dikendalikan oleh katalisis atau katalist. Suatu katalist adalah suatu zat yang berfungsi meningkatkan kecepatan reaksi dan tidak habis digunakan (dikonsumsi) dalam reaksi. Katalis dalam sel organisme adalah enzim, yang secara kata berarti dalam ragi (in yeast), dibatasi dengan pengertian berikut. - Enzim adalah katalist metabolik yang berperanan meningkat- kan kecepatan (laju) reaksi dengan penurunan energi aktivasi reaksi. - Enzim adalah katalist paling besar dan spesifik dalam tubuh organisme untuk reaksi metabolisme yang terdiri terutama dari protein. 2 mtom MODUL SELF-PROPAGATING ENTREPRENEURIAL EDUCATION DEVELOPMENT ©Modul ini tidak boleh digandakan sebagian atau seluruhnya tanpa izin dari penulis Hak cipta diindungi undangundang Hak cipta dilindungi undang-undang. ©Module ini tidak boleh digandan sebagian atau seluruhnya tanpa izin dari penulis

Transcript of BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan...

Page 1: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim Prof. Dr. S.M. Sitompul Lab. Plant Physiology, Faculty of Agriculture, Universitas Brawijaya Email : [email protected]

DAMPAK PEMBELAJARAN

1. PENDAHULUAN 1.1 Definisi 1.2 Kepentingan Enzim

2. PENEMUAN ENZIM 2.1 Zymase

2.2 Urease 2.3 Papain

2. KHARAKTERISTIK ENZIM 2.1 Nomenklatur Enzim 2.2 Struktur Enzim 2.2 Sifat Enzim

DAMPAK PEMBELAJARAN Dengan penguasaan materi dalam modul ini yang dirancang sebagai landasan dasar fisiologi tanaman, peserta didik

diharapkan mampu untuk

1. membuat suatu sabun enzim (enzyme cleaner) yang

digunakan untuk menghilangkan noda 2. menjelaskan enzim sebagai katalis metabolik untuk

mendukung reaksi tertentu

3. menguraikan penemuan awa enzim dan kristalisasi enzim pertama

4. menjelaskan klasifikasi enzim 5. menjelaskan sifat enzim yang meliputi struktur dan

kharakteristik enzim

1. PENDAHULUAN

1.1 Definisi

• Kehidupan adalah proses dinamik (berubah dengan waktu) yang melibatkan perubahan dalam komposisi kimia yang berhubungan

dengan fungsi sel. Perubahan tersebut terjadi melalui reaksi yang dikendalikan oleh katalisis atau katalist. Suatu katalist adalah suatu zat yang berfungsi meningkatkan kecepatan reaksi

dan tidak habis digunakan (dikonsumsi) dalam reaksi. Katalis dalam sel organisme adalah enzim, yang secara kata berarti

dalam ragi (in yeast), dibatasi dengan pengertian berikut.

- Enzim adalah katalist metabolik yang berperanan meningkat-kan kecepatan (laju) reaksi dengan penurunan energi aktivasi

reaksi.

- Enzim adalah katalist paling besar dan spesifik dalam tubuh

organisme untuk reaksi metabolisme yang terdiri terutama dari protein.

2

mtom

MODUL

SELF-PR

OP

AG

ATIN

G EN

TREP

REN

EUR

IAL ED

UC

ATIO

N D

EVELO

PM

ENT

(SPEED

)

©Modul ini tidak boleh digandakan sebagian

atau seluruhnya tanpa izin dari penulis Hak cipta diindungi undangundang

Ha

k ci

pta

dili

nd

un

gi u

nd

an

g-u

nd

an

g.

©M

od

ule

ini t

ida

k b

ole

h d

iga

nd

an

seb

ag

ian

ata

u s

elu

ruh

nya

ta

np

a iz

in d

ari

pen

ulis

Page 2: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 2 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

• Jumlah enzim dalam sel sangat banyak (ribuan) sebagai konsekuensi dari jumlah reaksi yang sangat banyak. Pengetahuan mengenai semua reaksi

dengan kecepatannya dianggap dapat memahami sel dan karenanya kehidupan. Enzim adalah katalist dari hampir semua reaksi yang terdapat

dalam sel organisme hidup, sehingga pengetahuan mengenai enzim menjadi sangat penting.

• Uraian berikut difokuskan pada pengenalan enzim yang mencakup

pengertian dan penemuan enzim serta kharakteristik (struktur dan sifat dasar) enzim. Suatu yang perlu ditegaskan pada bagian awal ini adalah

bahwa kehidupan yang berlangsung sekarang ini tidak mungkin terjadi tanpa enzim. Ketergantungan kelangsungan hidup pada enzim dapat digambarkan dengan peranan enzim Rubisco (Gambar 2.1) dalam reduksi

CO2 menjadi karbohidrat yang membentuk tubuh tanaman dan menjadi sumber pangan bagi orgnisme hidup secara langsung atau tidak langsung.

Rubisco (ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) dianggap sebagai protein paling banyak di dunia karena setiap tanaman mengandung enzim ini dan sekitar 20-25% protein dapat larut dalam daun adalah

Rubisco (Ellis, 1979; Moore et al., 1995).

• Suatu tinjauan belakangan ini me-

nunjukkan bahwa Rubisco adalah mungkin protein paling banyak di dunia setelah kontribusi tanaman

C4 sekitar 20% pada produktivitas primer terrestrial dipertimbangkan

(Raven, 2013). Jumlah C (karbon) yang difixasi tana-man diestimasi sebesar 50*1015 g/tahun (50 milyar

ton/tahun). Jumlah enzim Rubisco yang dibutuhkan untuk fixasi ter-

sebut dengan pertimbangan kapa-sitas enzim (turnover number) adalah 4*1013 g protein (40 juta

ton protein). Estimasi lain menun-jukkan produktivitas primer kotor

global paling sedikit 100 Pmol CO2 (100* 1015 mol CO2) yang dapat dikaitkan dengan aktivitas Rubisco

(Field et al., 1998; Raven, 2009). Rubisco yang diestimasi 44

kg/orang diproduksi pada tingkat 1000 kg/s (Moore et al., 1995).

• Rubisco, yang ditemukan oleh Melvin Calvin di Berkeley pada tahun 1940-

an (Vapaavuori, 1986), adalah suatu molekul yang besar (∼560 kDa). Ini

terdiri dari 8 subunit kecil (∼14 kDa/unit) dan 8 subunitnbesar (∼56

kDa/unit). Kinerja enzim ini tergolong rendah dengan tingkat fixasi hanya sekitar 3-10 molekul CO2 per detik untuk setiap molekul enzim.

PROJECT: Enzyme Cleaner Sabun Enzim pembersih noda

Banyak jenis enzim yang digunakan dalam bentuk larutan, tetapi enzim

utama dalam campuran paten yang

Materials

300 gram kulit jeruk (mis. lemon dll.)

100 gram gula coklat

Gambar 2.1 Struktur (hexadecame-ric) Rubisco dengan 8 subunit besar

(L, biru terang & gelap), 8 subunit kecil (S, kuning & oranye). Subunit besar membentuk dimer erat dengan

dua tempat aktif pada interfase (in-terface) subunit. Sumber: van Lun

et al. (2014)

Page 3: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 3 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

paling banyak digunakan adalah Protease, Amylase, dan Lipase

1 liter air Botol plastik (kapasitas 2 liter)

Prosedur 1. 300 g potongan jeruk dicacah

dan ditempatkan dalam botol plastik (kapasitas 2 liter)

2. Tambahkan 100 g gula coklat (brown sugar) ke dalam botol

3. Tuangkan 1 liter air bersih ke

dalam botol kemudian tutup 4. Kocok campuran bahan hingga

gula terlarut dan tercampur merata yang memakan waktu

sekitar 30-60 detik

5. Buat keterangan waktu (hari & bulan) pembuatan bahan pada

wadah 6. Simpan wadah pada tempat aman

selama 3 bulan untuk mendapatkan hasil fermentasi yang baik

7. Bahan kemudian sudah dapat

digunakan (300 ml bahan + 1 liter air) dengan kualitas yang sama

dengan yang dijual

1.2 Kepentingan Enzim

Kehidupan dicirikan oleh metabolisme yang pada umumnya tidak terjadi

secara spontan, tetapi melalui proses katalisis yang berfungsi mempercepat reaksi pada kondisi (suhu, pH dll.) fisiologi. Katalist reaksi biokimia,

sebagaimana diuraikan diatas, adalah enzim yang bertanggung jawab atas kelangsungan hampir semua reaksi kimia dalam tubuh organism hidup. Reaksi tersebut, tanpa enzim, akan terjadi sangat lambat sehingga tidak

mungking mendukung kehidupan seperti sekarang ini.

Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan

suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak (a fatty acid) menjadi karbon dioxidasi dan air dalam tabung reaksi memerlukan suhu yang tinggi disamping faktor lain. Reaksi demikian

dalam tubuh organisme terjadi secara halus dan cepat dalam kisaran pH dan suhu yang sempit dengan keberdaan enzim. Perombakan protein

secara lengkap di laboratorium umumnya dicapai melalui pemanasan hingga mendidih sekitar 24 jam dengan 20% larutan HCl. Dalam tubuh organism, perombakan protein terjadi dalam sekitar 4 jam pada suhu dan

pH fisiologi. Jadi pemahaman enzim sangat penting untuk studi kehidupan (pertumbuhan dan perkembangan) dan membuat upaya peningkatan

kualitas dan pemecahan permalahan kehidupan.

2. PENEMUAN ENZIM

2.1 Zymase

Studi paling awal yang berhubungan dengan enzim dilakukan pada tahun 1835 oleh Jon Jakob Berzelius, ahli kimia Swedia. Tetapi fakta pertama tentang keberadaan enzim diperoleh pada tahun 1879 oleh Eduard Buchner

yang menggunakan extrat ragi untuk fermentasi gula menjadi alkohol yang dapat dinyatakan dengan reaksi berikut.

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP

E. Buchner dianugerahi hadiah Novel pada tahun 1907 dalam bidang kimia

atas karyanya dalam fermentasi.

Reaksi konversi gula ke alkohol (ethanol) dikatalisis oleh beberapa enzim

yang dihasilkan ragi (yeast) dan secara keseluruhan disebut zymase. Enzim tersebut— yang dapat meliputi sucrase (invertase), maltase (glucase) lactase, hexophosphatase, reductase, carboxylase, melibiase,

Page 4: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 4 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

endo-tryptase, dan enzim proteolitik— dapat berbeda antara ragi. Penemuan ini menunjukkan bahwa fermentasi terjadi dengan keberadaan

molekul yang terus berfungsi diluar sel.

2.2 Urease

Enzim pertama tanaman yang diperoleh dalam bentuk murni adalah urease (Gambar 2.2) yang dilakukan pada tahun 1926 dan merupakan karya dari

James B. Sumner dari Cornell University. Sumner dapat mengisolasi dan membuat kristal enzim urease dari kacang parang (Jack bean, Canavalia

ensiformis) yang membuatnya memperoleh Novel Prize pada tahun 1947. Urease, yang berperanan dalam katalisis perombakan urea menjadi amonia, dalam bentuk kristal hanya terdiri dari protein yang mendorong Sumner

mengusulkan bahwa semua enzim adalah protein.

CH4N2O + H2O → 2NH3 + CO2

Novel Prize tersebut diperoleh oleh Sumner secara bersama dengan John H. Northrop dan Wendell M. Stanley dari ―the Rockefeller Institute for Medical

Research‖. Northrop and Stanley menemukan suatu prosedur komplex untuk isolasi pepsin dengan tehnik presipitasi yang telah digunakan untuk

kristalisasi beberapa enzim.

Kacang parang

Residu asam amino pada tempat aktif urease

Struktur kristal urease

DOI: 10.2210/pdb3la4/pdb Klasifikasi: HYDROLASE

Deposisi: 2010-01-06 Pelepasan: 2010-07-28 Autor depositor: Ponnuraj, K.

Organisme: Canavalia ensiformis

Gambar 2.2 Tanaman kacang parang (Canavalia ensiformis) sebagai sumber dari enzim urease (kiri atas), jenis residu asam amino pada tempat aktif urease, dan struktur kristal Sbentuk pita dari urease pertama tanaman yang

diisolasi. Sumber: Panpae et al. (2012)

2.3 Papain

What is papain?

Salah satu enzim yang cukup dekat dengan kehidupan sehari-hari dan sudah dikenal secara luas bahkan pada tingkat komersil adalah papain

Page 5: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 5 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

(Gambar 2.3). Rasa gatal pada kulit yang terkena getah papaya berkaitan dengan enzim papain.

Papain adalah suatu enzim yang berfungsi untuk memotong protein (a protein-

cleaving enzyme) dan berasal dari tanaman papaya atau tanaman lain.

Enzim pada umumnya adalah molekul

yang komplex yang dihasilkan dalam tubuh organisme untuk katalisis (speed

up) reaksi kimia dalam sel.

Why is meat tough?

Otot, yang mengalami banyak stress mekanis (menahan beban dan melakukan

pergerakan), terbentuk dari serat kuat yang sulit dipotong, dan diikat oleh jaringan penghubung yang juga kuat

(tough).

Individu sel otot mengandung serat halus (fibril) mikroskopik yang meng-

hasilkan integritas stuktural otot dan dapat membuatnya berkonstraksi. Serat tersebut mempunyai suatu struktur internal komplex yang terikat satu sama lain dengan rantain protein lain. Jaringan penghubung yang

mengikat keseluruhan otot juga kebanyakan protein.

How does papain tenderize meat? Papain memotong rantai protein dalam serat halus (fibrils) dan juga dalam

jaringan penghubungan (connective tissue) yang memutus integritas struk-

tural serat otot yang membuat daging menjadi empuk.

2. KHARAKTERISTIK ENZIM

2.1 Nomenklatur Enzim

Enzim umumnya diberi nama dengan akhiran ―ase‖ kecuali beberapa enzim

(mis. pepsin, rennin dan trypsin). IUB (International Union of Biochemistry) mengusulkan nomenklatur baku enzim yang menunjukkan substrat dan tipe reaksi. Dengan sistem ini, enzim uricase disebut

urate:O2 oxidoreductase, dan glutamic oxaloacetic transaminase (GOT) disebut L-aspartate:2-oxoglutarate aminotransferase.

Enzim dibagi menjadi enam (6) kelas berdasarkan fungsi atau aktivitasnya (Superfamilies: EC 1.1.3.4) sebagaimana ditunjukkan berikut ini.

1. Transferase

Transfer gugusan fungsional antara molekul Aminotransferase: suatu contoh transferase yang berfungsi dalam

katalisis degradasi asam amino dengan pemotongan gugusan amino.

2. Oxidoreductase Transfer elekron (reaksi RedOx, Reduksi Oxidasi)

Alcohol dehydrogenase: suatu contoh oxidoreductase yang ber-fungsi dalam konversi alkohol menjadi aldehid/keton.

3. Hydrolase Pemutusan ikatan dengan penambahan air

Gambar 2.3 Struktur kristal suatu komex papain-E-64. Sumber: Varughese et al.

(1989)

Page 6: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 6 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

Glucose-6-phosphatase: suatu contoh hydrolase yang berfungsi memotongan gugusan fosfat dari G6P (glucose-6-phosphate) dan me-

ninggalkan glukosa dan H3PO4.

4. Lyase

Eliminasi reaksi untuk membentuk ikatan ganda (double bond) Pyruvate decarboxylase adalah suatu contoh yang berfungsi dalam

pemotongan CO2 dari pyruvate.

5. Isomerase Penataan kemabali susunan dalam molekul Ribulose phosphate epimerase: suatu contoh lyase yang berfungsi

dalam katalisis interkonversi antara R5P (ribulose-5-phosphate) dan X5P (xylulose-5-phosphate).

6. Ligase Menggabung molekul dengan ikatan baru Hexokinase: suatu contoh ligase yang berfungsi dalam katalisis

interkonversi antara glukosa dan ATP dengan G6P (glucose-6-phosphate) dan ADP.

2.2 Struktur Enzim

Enzim terdiri dari protein dengan tempat aktif (active site) dan kofaktor (cofactor & coenzyme) (Gambar 2.4).

(a)

Apoenzyme + Coenzyme = Holoenzyme

(c)

NADH

(b) (d)

Gambar 2.4 Model struktur enzim dengan bagian protein (apoenzyme), kofaktor (coenzyme), tempat aktif, dan aktivator ion logam (a), model apoenzyme dan kofaktor (b), kofaktor coenzyme NADH (c), dan Alcohol

dehydrogenase dengan coenzyme NAD+, activator ion Zn, tempat aktif dan substrat ethanol (d)

Page 7: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 7 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

Apoenzyme. Polipeptida atau bagian protein dari enzim disebut apoenzim (apoenzyme) yang dapat berada pada kondisi tidak aktif saat disintesis

dengan bentuk struktur yang masih asli. Bentuk tidak aktif dari apoenzyme disebut proenzyme atau zymogen. Proenzyme dapat mengandung

beberapa asam amino extra dalam protein yang dipotong kemudian untuk struktur tertier spesifik akhir yang dibentuk sebelum aktivasi sebagai suatu apoenzyme.

Cofactor. Banyak enzim, sebelum aktivitas katalisisnya dapat digunakan, memerlukan keberadaan dari faktor pendamping (cofactor) yang dapat

dalam bentuk;

- Coenzyme: Suatu zat organik non-protein yang terikat lemah pada

bagian protein enzim, dapat dipisah-kan (dialysis) dan stabil suhu (ther-

mostable) - Gugusan prosthetic: Suatu zat

yang terikat kuat pada bagian pro-

tein enzim (apoenzyme), dapat dipisahkan (dialysis), dan stabil suhu.

- Aktivator ion logam: Ini mencakup, antara lain, K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++, dan

Mo+++.

Seluruh komplex aktif enzim disebut

holoenzyme; apoenzyme (bagian pro-tein) + kofaktor (coenzyme, gugusan prosthetic dan/atau aktivatir ion logam)

seperti Carboxypeptidase (Gambar 2.5). Beberapa contoh kofaktor dan enzim ditunjukkan pada tabel dibawah ini.

Tabel 2.1 Beberapa contoh kofaktor (coenzyme & logam) dan enzim T

P

P

=

Thi

amTPP = Thiamine pyrophosphate, FAD = Flavin adenine nucleotide, NAD =

Nicotinamide adenine dinucleotide, PP = pyridoxal phosphate, CoA = Coenzyme A,

DAC = 5’-Deoxyadenosyl cobalamin & THF = Tetrahydrofolate

Tempat Aktif Enzim. Tempat aktif adalah

- ruang spesifik dari enzim dalam mana substrat terikat saat reaksi.

- bagian konformasi (conformation) dari molekul enzim yang ditata untuk menciptakan suatu kantong khsus atau celah dengan

Gambar 2.5 Enzim Carboxy-peptidase dengan apoenzyme,

tempat aktif (active site) dan substrate serta kofaktor ion Zn

Kofaktor Enzim Kofaktor Enzim

Coenzyme Logam

TPP Pyruvate dehydrogenase Zn+2 Carbonic anhydrase

FAD Monoamine oxidase Zn+2 Carboxypeptidase

NAD Lactate dehydrogenase Mg+2 EcoRV

PP Glycogen phosphorylase Mg+2 Hexokinase

CoA Acetyl CoA carboxylase Ni+2 Urease

Biotin Pyruvate carboxylase Mo Nitrate reductase

DAC Methylmalonyl mutase Se Glutathione peroxidase

THF Thymidylate synthase Mn+2 Superoxide dismutase

K+ Propionyl CoA carboxylase

Page 8: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 8 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

struktur tiga dimensinya komplemeter (sesuai) dengan struktur substrat.

Enzim dan molekul substrat ―kenal‖ satu sama lain melalui kesesuaian struktural seperti enzim sucrase (Gambar 2.6). Substrat dan enzim

menyatu dengan gaya ikatan H yang lemah, ikatan ion (jembatan garam, salt bridge), dan interaksi van der Waals antara kluster atom yang komplementer secara spasial.

Organic molecule

Substrat(sukrosa)

Substratdikonversike produk

Air

Substratterikat padaenzim

Tempat aktif

Enzim siap dengantempat aktif kosong

Glukosa

Fruktosa

Produkdibebaskan

Enzim(sucrase)

1

2

34

Gambar 2.6 Model enzim Sucrase dengan tempat aktifnya (kiri),

dan struktur Lysozyme dengan tempat aktif

2.3 Sifat Enzim Komponen Penting. Kehadiran enzim

kritis (critical) dalam setiap aspek kehi-dupan sel (cell metabolism & biological processes) seperti siklus Krebs (Gambar

2.7).

Sangat efisien. Enzim sebagai katalist

sangat efisien, dan transformasi substrat yang sangat banyak dapat dilakukan oleh enzim dengan jumlah yang jauh lebih

sedikit seperti enzim berikut ini. - Sucrase

- Catalase

Sucrase (invertase) dapat menghasilkan hidrolisis sukrosa paling sedikit

1.000.000 kali dari berat enzim tanpa menunjukkan penurunan aktivitas yang

nyata.

Catalase. Enzim ini adalah salah satu yang paling efisien, dan dapat melaku-

kan konversi 5.000.000 molekul H202 per menit (reduksi hidrogen peroxida

Gambar 2.7 Siklus Krebs yang dikatalisis oleh sejumlah enzim

Page 9: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 9 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

menjadi air dan O2) untuk setiap satu molekul catalase apabila kondisi menguntungkan.

Enzim Reaksi yang dikatalisis Fungsi reaksi Tingkat1)

Catalase 2H2O2 2H2O + O2 Merombak H2O2 dari cell2) 1015

Carbonic

anhydrase CO2 + H2O H2CO3

Hidrasi gas CO2 untuk

transport 107

1) Kecepatan reaksi dengan enzim dibandingkat dengan tanpa enzim, dan 2) H2O2 bersifat toxis dalam sel

Menurunkan energi aktivasi. Suatu konsep dasar dalam reaksi kimia

adalah bahwa substrat berubah ke bentuk transis zat antara atau ―interme-diate‖ (I) sebelum dikonversi menjadi produk (P).

S I P

Sebagai contoh, konversi G3P (glyceraldehyde 3-phosphate) ke DHAP (dihydroxyacetone phosphate) terjadi melalui zat antara (Gambar 2.8).

Perubahan substrat ke bentuk transisi membutuhkan energi yang disebut

energi aktivasi (Gambar 2.9) yang dapat diestimasi dengan persamaan Arrhenius berikut.

RT

Ea

Aek

atau TR

EAlnkln a 1

dimana A adalah suatu konstanta yang sebanding dengan frekuensi tabrakan (collision), k konstanta kecepatan (rate constant), R konstanta

Gambar 2.8 Konversi G3P (Glyceraldehyde 3-phosphate) ke DHAP (dihydroxy-acetone phosphate) terjadi melalui zat transisi (intermediate)

Page 10: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 10 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

Gambar 2.9 Bagan peranan enzim

dalam penurunan energi aktivasi reaksi

gas ideal (8.314 J/mol-K), T adalah suhu absolut (0K, 273,15+0C), dan Ea energi aktivasi yaitu energi minimum yang dibutuhkan untuk kelangsungan

reaksi atau tabrakan. Secara umum, peluang molekul tabrakan lebih tinggi dengan jumlah molekul yang lebih banyak (Gambar 2.10) dan pada suhu

yang lebih tinggi akibat peningkatan kecepatan gerakan molekul dalam larutan. Keadaan demikian akan menghasilkan peningkatan kecepatan reaksi yang dapat dihasilkan dengan penurunan energi aktivasi molekul

(Gambar 2.10).

Energi

Ju

mla

h m

ole

ku

l

Ea

Suhu tinggi

Suhu rendah

Energi

Ea

rendah

Ea

tinggi

A B C

Gambar 2.10 Peningkatan tabrakan molekul dengan peningkatan jumlah molekul (A), Sebaran molekul dengan energi (B & C). Jumlah molekul dengan energi yang lebih tinggi dari Ea (energi aktivasi) lebih tinggi pada

suhu yang lebih tinggi (B), dan jumlah molekul dengan Ea yang lebih rendah lebih tinggi dari yang sebaliknya (C).

Keberadaan enzim berfungsi

menurunkan energi aktivasi (Gambar 2.11) yang meng-

hasilkan peningkatan kecepat-an reaksi akibat peningkatan jumlah molekul dengan energi

kinetik yang lebih tinggi dari energi aktivasi. Sebagai con-

toh, energi aktivasi yang dibu-tuhkan dalam perubahan H2O2 menjadi H2O dan O2 adalah 86

kJ mol-1 tanpa katalist. Energi aktivasi ini turun menjadi 62

kJ mol-1 tengan katalist anor-ganik dan menjadi 1 kJ mol-1 dengan enzim catalase.

Beberapa contoh reaksi tanpa katalist dan dengan enzim menunjukkan perbedaan kecepatan reaksi yang

sangat besar (Tabel 2.1). Sebagai contoh, enzim OMP decarboxylase dengan peruh waktu (half-life) 78 juta tahun (tahan sangat lama) dapat

meningkatkan kecepatan reaksi 1017 kali lipat. Reaksi perombakan H2O2

dengan catalase meningkat 107 kali lipat dibandingkat dengan katalist anorganik (Fe+2) pada suhu 220C (Tabel 2.2).

Energi aktivasi tersebut dinyatakan dengan perubahan energi bebas Gibbs

(G) yang dalam hal ini adalah perbedaan dalam energi bebas antara

Page 11: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 11 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

molekul pada keadaan transisi dengan substrat, dan berhubungan dengan konstanta keseimbangan reaksi (K’eq = [P]/[S]).

Tabel 2.1 Contoh daya tahan dan katalisis dari enzim

Enzim t½

(tahun)*

Kecepatan (s-1) Kcat/kun kun kcat

OMP decarboxylase 78.106 2,8.10-16 39 1,4.1017

Staphylococcal nuclease 13.104 1,7.10-13 95 5,6.1014

AMP nucleosidase 69.103 1,0.10-11 60 6,0.1017

Carboxypeptidase A 7,3 3,0.10-9 578 1,9.1011

Ketosteoid isomerase 7 1,7.10-7 66.000 3,9.1011

Triose phosphate isomerase 1,9 4,3.10-6 4.300 1,0.109

Chorismate mutase 7,4 2,6.10-5 50 1,9.106

Carbonic anhydrase 5 1,3.10-1 1.106 7,7.106

* t½: half-life, kun: tanpa katalist & kcat: dengan katalist

Tabel 2.2 Contoh daya katalisis dari enzim

Substrat katalist Suhu (0K) Konstanta K (mol dm-3)-1 s-1

Hidrolisis

Benzamide

H+ 325 (52 0C) 2,4.10-5

OH 326 (53 0C) 8,5.10-6

-chymotrypsin 298 (25 0C) 14,9

Hidrolisis urea H+ 335 (62 0C) 7,4.10-7

urease 294 (21 0C) 5,0.106

2H2O22H2O+O2 Fe+2 295 (22 0C) 56

catalase 295 (22 0C) 3,5.107

Tabel 2.3 Hubungan antara konstanta keseimbangan (K’eq)

dengan perubahan energi bebas Gibbs (G)

K’eq 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103

G'0

(KJ/mol)34.2 28.5 22.8 17.1 11.4 5.7 0 -5.7 -11.4 -17.1

UREA FERTILIZER The optimum conditions for enzyme catalysis are almost invariably

moderate temperatures, and pHs which are not extreme The contrast between a reaction catalysed by an enzyme and by a non-

enzymatic catalyst is well illustrated by the process of nitrogen fixation (i.e. reduction of N2 to ammonia). Nitrogenase catalyses this reaction

at temperatures around 300 K and at neutral pH. The enzyme is a complex system comprising two dissociating protein components one of which contains iron and the other iron and molybdenum. Several

molecules of ATP are hydrolyzed during the reduction By contrast, in the industrial synthesis of ammonia from nitrogen and

hydrogen, the conditions used are as follows: temperature 700 - 900 K, pressure 100 - 900 atmospheres, and the presence of an iron catalyst, often promoted by traces of oxides of other metals

Spesifitas Enzim. Spesifitas enzim ditentukan oleh tempat aktif (Gambar 2.9), dan enzim bersifat spesifik untuk

Page 12: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 12 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

– substrat yang dikatalisis – reaksi yang dikatalisis

Contoh: Protease adalah suatu kelas enziim yang berfungsi dalam katalisis ikatan peptide (peptide).

Kelas spesifitas

- Spesifitas aksolut – hanya satu reaksi

yang dikatalisis oleh enzim.

- Spesifitas kelompok – enzim hanya akan

berfungsi untuk molekul yang mempunyai gugusan fungsional spesifik seperti amino, fosfat dan gugusan metil.

- Spesifitas ikatan – enzim hanya berfungsi untuk tipe ikatan kimia tertentu yang tidak

tergantung pada struktur molekul.

- Spesifitas stereokimia – enzim hanya berfungsi pada isomer ruang atau optis.

Regulasi Enzim

- Enzim dikendalikan sangat ketat seperti tombol lampu agar metabolisme berjalan

normal. Karena gangguan pada salah satu reaksi akibat

enzim yang tidak dikendalikan akan mengganggu reaksi lain dan akhirnya keseluruhan

metabolisme (Gambar 2.10).

- Enzim yang tidak dikendalikan

menjadi tidak aktif, dan aktivitas enzim yang tidak dikendalikan mengganggu

keadaan ―homeostasis‖ sel dan sering membawa keadaan sakit.

REFERENSI Berg, J.M., Tymoczko, J.L. and Stryer, L., 2002. Biochemistry. 5th edition: W.H.

Freeman and Co,. New York

Ellis, R.J., 1979. Most abundant protein in the world. Trends in Biochemical

Sciences 4: 241–244

Field, C.H., Behrenfeld, M.J., Randerson, J.T. and Falkowski, P., 1998. Primary

production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components.

Science, 281:237–240 Goodwin, T.W. and Mercer, E.I., 1990. Introduction to Plant Biochemistry.

Gambar 2.9 Tempat aktif

yang menentukan spesifi-tas enzim

Gambar 2.10 Suatu potongan meta-bolisme

Page 13: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 13 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

Pergamon Press, Oxford

Stryer, L., 1975. Biochemistry. W.H. Freeman and Company, San Francisco

Raven, J.A., 2009. Contributions of anoxygenic and oxygenic phototrophy and

chemolithotrophy to carbon and oxygen fluxes in aquatic environments.

Aquatic Microbial Ecology, 56: 177–192

Raven, J.A., 2013. Rubisco: still the most abundant protein of Earth?. New

Phytologist, 198: 1–3

Vapaavuori, E. M., 1986. Correlation of Activity and Amount of Ribulose 1,5-

<I>Bis</I>Phosphate Carboxylase with Chloroplast Stroma Crystals in Water-

Stressed Willow Leaves. Journal of Experimental Botany, 37(174): 189-198

Lundqvist, T. and Schneider, G., 1991. Crystal Structure of Activated Ribulose-1,5-

Bisphosphate Carboxylase Complexed with Its Substrate, Ribulose-1,5-

Bisphosphate. Journal of Biological Chemistry, 266: 12604-12611

van Lun, M., Hub, J.S., van der Spoel, D. and Andersson, I., 2014. CO2 and O2

Distribution in Rubisco Suggests the Small Subunit Functions as a CO2

Reservoir. J. Am. Chem. Soc., 136: 3165−3171. dx.doi.org/10.1021/ja411579b

PROPAGASI A. Penguasaan Materi (Membaca dan Menulis kembali)

Penguasaan materi dapat dilakukan dengan membaca modul ini secara

cermat yang diikuti dengan membuat catatan/ringkasan dari setiap bagian dengan cara dan bahasa sendiri.

B. Pendalaman Materi (Studi Literatur)

Pendalaman materi dapat dilakukan dengan studi literatur untuk materi yang

dianggap perlu didalami lebih lanjut baik karena tidak jelas atau menarik untuk mendapat informasi lebih rinci.

C. Pemantapan (Latihan/Evaluasi Mandiri)

Pemantapan dapat dilakukan dengan membuat pertanyaan yang dapat

timbul dari setiap bagian materi pembelajaran seperti yang disajikan dibawah ini, dan menjawab pertanyaan tersebut. Ini dapat diikuti dengan

pemecahan masalah atau permasalahan (problematik) yang relevan. Pertanyaan 1. Apakah protein yang dipertimbangkan paling banyak di dunia

2. Apakah yang dimaksud dengan zymase 3. Apakah yang dimaksud dengan enzim (enzyme)

4. Apakah fungsi dari enzim urease 5. Apa yang dimaksud dengan apoenzyme, kofaktor dan tempat aktif

Problematik

Masalah atau problematik untuk dipecahkan sendiri atau dalam diskusi kelompok dapat berasal dari materi pembelajaran, studi pustaka dan dari

lapangan yang berhubungan dengan topik pembelajaran seperti contoh berikut ini.

D. Pengembangan (Diskusi Kelompok)

Pengembangan kompetensi dapat dilakukan dengan diskusi kelompok

(kelompok studi) untuk (a) evaluasi kemampuan yang berkembang dengan upaya yang telah

dilakukan, (b) mengembangkan kemampuan mengemukakan apa yang telah diketahui

secara ilmiah (logis dan sistematis), dan

Page 14: BIOKIMIA TANAMAN Pengenalan Enzim · Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak ( a

Page 14 of 14

Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul 2016 The University of Brawijaya

(c) untuk membagi kemampuan/pengetahuan antara anggota kelompok diskusi

E. Entrepreneurship

Kompetensi entrepreneurship dapat dilakukan secara mandiri dan diskusi untuk menggali (explorasi) kegiatan yang dapat dilakukan sebagai bidang usaha (entrepreneurship) seperti

(a) Usaha Jasa/Konsultasi (b) Usaha Kreatif (E-Commerce)

(c) Usaha Produksi/Lapangan