DASAR-DASAR ENZIM

BLOK 2

• Reaksi yang berlangsung dalam organisme hidup tidak berlangsung spontan perlu katalisator

membuat reaksi biokimia berlangsung untuk semua proses

• Katalisator: Mempercepat reaksi kimia berbagai substrat, dimana substrat itu sendiri kadang-kadang

mengalami perubahan kimia yang tidak permanen • Katalisator dalam proses biokimiawi enzim• Enzim bertanggung jawab untuk melakukan semua reaksi dalam organisme hidup

di laboratorium untuk memecah protein perlu pendidihan selama 24 jam dalam larutan HCl 20% tetapi di dalam tubuh untuk memecah protein hanya perlu waktu 4 jam/kurang dalam kondisi suhu dan pH yang fisiologis relatif rendah adanya enzim

• Dalam organisme hidup tanpa enzim reaksi akan berlangsung lambatContoh: * oksidasi asam lemak CO2 + H2O tak mungkin terjadi kalau dilakukan dalam tabung reaksi, meskipun semua persyaratan yang dibutuhkan sudah terpenuhi misal suhu, pH dll. namun dalam tubuh reaksi tersebut tetap berlangsung cepat meskipun dalam kondisi kisaran pH dan suhu yang terbatas adanya enzim

Enzim

• Katalisator untuk reaksi-reaksi kimia dalam sistem biologik

• Sebagian besar enzim adalah protein, tetapi ada enzim yg bukan protein yaitu RNA’s (Ribozim)

• Sebagian besar dihasilkan oleh sel hidup, dpt diekstraksi dari sel, tanpa kehilangan aktivitas biologiknya

• Dapat bekerja di dalam dan di luar sel

lanjutan

• Untuk aktivasi, enzim membutuhkan energi yang lebih rendah• Meningkatkan kecepatan reaksi• Aktivitasnya hilang apabila enzim mengalami denaturasi• Untuk aktivitasnya ada yang membutuhkan koenzim/kofaktor (bentuk aktif vitamin atau logam)

Stickase

Substrate

If enzyme just binds substrate then there will be no further reaction

Transition state Product

Enzyme not only recognizes substrate, but also induces the formation of transition state

Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252

X

Enzyme Active Site Is Deeper than Ab Binding

Instead, active site on enzymealso recognizes substrate, butactually complementally fits the transition state and stabilized it.

Ag binding site on Ab binds to Agcomplementally, no further reactionoccurs.

Adapted from Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.252

X

Active Site Avoids the Influence of Water

Preventing the influence of water sustains the formation of stable ionic bonds

Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.115

-+

The Nature of Enzyme Catalysis

●● Enzyme provides a catalytic surfaceEnzyme provides a catalytic surface

●● This surface stabilizes transition stateThis surface stabilizes transition state

●● Transformed transition state to productTransformed transition state to product

B

BA Catalytic surface

A

Juang RH (2004) BCbasics

Enzyme Stabilizes Transition State

S

PES

EST

EP

ST

Reaction direction

Energy change

Energy required (no catalysis)

Energy decreases (under catalysis)

What’s the difference?T = Transition state

Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.166

Active Site Is a Deep Buried Pocket

Why energy required to reach transition stateis lower in the active site?

It is a magic pocket(1) Stabilizes transition(2) Expels water(3) Reactive groups(4) Coenzyme helps

(2)

(3)(4)

(1)CoE

+

-

Juang RH (2004) BCbasics

Beberapa istilah penting

Sisi aktif : sebagian kecil molekul enzim yang berperan dlm aktivitas katalitik; mengikat substrat

Sisi allosterik : sebagian kecil molekul enzim yang berperan dlm aktivitas regulasi; mengikat molekul regulator

Kofaktor : senyawa atau atom yang diperlukan untuk kerja enzim

Organik (koenzim) : NAD, NADP Inorganik : Mg, Cu

Proenzim (zymogen) : precursor/bentuk inaktif enzim (pepsinogen mjd pepsin)

Gugus prostetik : kofaktor/koenzim yang terikat kuat scr kovalen pada enzimnya, misalnya tiamin pirofosofat pada enzim piruvat dehydrogenase complex

Apoenzim : bagian protein dari enzim

Holoenzim : apoenzim + kofaktor

Isozim : enzim yang mengkatalisis reaksi yang sama, tetapi fenotipnya berbeda (sifat fisik dan kimiawi).

dapat dipisahkan dengan elektroforesis merupakan produk gena yang berkaitan

misalnya laktat dehidrogenase, kreatin kinase

Karakteristik Enzim 1. Kemampuan katalitik sangat besar

Meningkatkan kecepatan reaksi jutaan sampai miliaran kali

2. Sangat spesifikSatu enzim mengkatalisis satu macam reaksi / reaksi yang sejenis

a. Spesifik absolut

asam suksinat asam fumaratsuksinat dehidrogenase

b. Stereospesifik

L-arginin L-ornitinarginase

c. Spesifik ikatan

d. Spesifik reaksi

esterase mengkatalisis hidrolisis ester

kinase mengkatalisis penambahan fosfat

amilum α-D-glukosaα-amilase

Trombin memutus ikatan arginin-glisin

3. Aktivitasnya diregulasi/diatur

bila diperlukan maka jumlah dan atau aktivitasnya meningkat

bila tidak diperlukan maka jumlah dan atau aktivitasnya menurun

Nama Enzim

• Dibelakang nama enzim erakhiran –ase Depan–ase biasanya nama substrat yang dikatalisis * sukrase mengkatalisis sukrosa * lipase mengkatalisis lipid• Menggambarkan fungsi enzim * oksidase mengkatalisis reaksi oksidasi * hidolase mengkatalisis reaksi hidrolisis• Nama-nama umum untuk enzim-enzim pencernaan masih menggunakan akhiran –in: pepsin, tripsin dsb.

Klasifikasi Enzim

Klas enzim Reaksi yang dikatalisis

1. Oksido – reduktase Oksidasi-reduksi

2. Transferase Memindah gugus selain H

3. Hidrolase Hidrolisis ester, eter, peptida

4. Liase memindah gugus dari substrat shg terbentuk ikatan rangkap

5. Isomerase interkonversi isomer-isomer optik, geometrik, dan posisi

6. Ligase Gabungan 2 senyawa yg dirang- kaikanl dg pemecahan ikatan pirofosfat dari ATP

Kerja Enzim

I. Model Lock and Key (Kaku) (Model Fischer) II. Model Induced Fit (Luwes) (Model Koshland)

Model Lock and Key

• Enzim mengikat substrat pada bagian enzim yang disebut sisi aktif (sisi katalitik / sisi substrat

• Substratnya tertentu yang cocok dengan sisi aktif• Gugus R asam amino dalam sisi aktif membantu

dalam mengkatalisis substrat• Enzim-Substrat (E-S) membentuk kompleks• Substrat bereaksi membentuk produk• Produk dapat dibebaskan (dilepaskan)

Model Lock and Key

E S E-S

E P P

Model Induced Fit

• Struktur enzim fleksibel (luwes, tidak kaku)• Enzim dan sisi aktifnya mengatur bentuk

sedemikian rupa sehingga substrat dapat terikat

• Meningkatkan daerah spesifitas substrat• Juga mengubah bentuk (memperbaiki) proses

katalisis selama reaksi berlangsung

Model Induced Fit

E S E-S

E P P

Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi enzimatis

1. Temperatur

Kenaikan temperatur menaikkan kec reaksi sampai batas tertentu; optimal sesuai suhu tubuh

Pada temperatur rendah (hipotermia) energi kinetik lebih rendah shg reaksi lbh lambat

Pada suhu tinggi enzim dapat mengalami denaturasi shg kehilangan fungsi

2. pH

pH optimum 5,0 – 9,0

Pepsin bekerja pada pH rendahPerubahan pH akan menyebabkan perubahan konformasi sehingga aktivitas menurun, bahkan irreversible meski pH kembali spt semula krn terjadi denaturasi

3. Konsentrasi enzim

Kecepatan awal ditentukan oleh konsentrasi enzim

4. Konsentrasi substrat

Semakin tinggi konsentrasi substrat kecepatan reaksi semakin meningkat

Konstanta Michaelis-Menten (Km) : konsentrasi substrat yang menyebabkan setengah kecepatan maksimal

v1 = Vmaks [S] Km + [S]

Persamaan Michaelis-Menten

Penghambatan (inhibitor) enzim

1. penghambatan kompetitif

2. penghambatan non kompetitif

Penghambatan kompetitif

• Struktur inhibitor mirip substrat• Inhibitor menduduki sisi aktif• Inhibitor berkompetitif dengan substrat menduduki sisi aktif• Mempunyai efek reversibel dengan

meningkatnya kadar substrat

Penghambatan non kompetitif

• Struktur inhibitor tidak sama dengan substrat• Inhibitor mengikat enzim tidak pada sisi aktif

(sisi alosterik)• Inhibitor mengubah bentuk aktif dan sisi aktif• Tidak menghasilkan produk• Efek irreversibel dengan penambahan

substrat

Inhibisi kompetitif

Inhibisi non-kompetitif

Prinsip dasar pengetahuan tentang enzim dalam bentuk:

- pengukuran kadar enzim dalam plasma dan jaringan - pengukuran substrat dalam darah

Dasar pemikiran: Perubahan kadar enzim dalam plasma atau

substratnya merupakan refleksi adan adanya proses patologis pada sel, jaringan atau organ

Lokasi Enzim (kompartemen tertentu)

Enzim untuk glikolisis di dalam sitoplasma

Enzim untuk siklus Krebs terdapat di dalam mitokondria

Enzim untuk sintesis DNA dan RNA terdapat dalam nukleus

Faktor-faktor pembekuan darah terdapat dalam plasma darah (ekstraseluler)

Sel Eukaryota

Enzim plasma fungsional dan non-fungsional

Fungsional

substrat tdp dlm plasma, reaksi dpt terjadi dlm darah

lipoprotein lipase, pseudokolin esterase, enzim pembekuan drh

Kadar dlm darah sama atau lbh tinggi dr jaringan

Non-fungsional

substrat tdk tdp dlm plasma, tdk tjd reaksi dlm darah

amilase dan lipase pankreas, alkalin fosfatase empedu, fosfatase asam klj prostat

Kadar dlm drh lh kecil dr jaringan

Maka dengan mengukur kadar senyawa-antara tertentu dapat ditunjukkan reaksi enzimatis mana yang mengalami kegagalan atau yang dihambat

jenis enzim Untuk diagnosis 1. amino transferase - aspartat amino transferase = AST = SGPT - alanin amino transferase = ALT = SGPT 2. kreatinin kinase 3. amilase, lipase

- jantung infark

- hepatitis

- gangguan otot - pankreastitis akut dll.

Enzim dalam diagnosis klinis

Nama enzim Kegunaan diagnosisAspartat aminotransferase (AST)

Alanine aminotransferase (ALT)

Amilase

Kreatin kinase (CK)

Laktat dehidrogenase (LDH)

Lipase

Infark miokard

Viral hepatitis

Pankreatitis akut

Infark miokard

Infark miokard

Pankreatitis akut

Fosfatase asam Ca prostat matastatic

Peran Enzim

Kadar enzim plasma non-fungsional

Aspartate aminotransferase (AST;SGOT) 0-41 IU/LAlanine aminotransferase (ALT;SGPT) 0-45 IU/L

Fosfatase asam 1-5 unit

Fosfatase alkali 5-13 unitLaktat dehidrogenase (LDH) 55-140 IU/L

Kreatin kinase (CK) 10-50 IU/LBB 0 %, MB 0-3 %, MM 97-100 %

Enzim dalam strategi terapi

Allopurinol mrpk inhibitor enzim xantin oksidase, digunakan untuk pengobatan hiperurikemia (penyakit gout)

hypoxantin xantin asam uratxantin oksidase xantin oksidase

guanin guanase

xanthine

hypoxanthine

REGULASI AKTIVITAS ENZIM

1. Regulasi sintesis enzim

2. Sintesis dalam bentuk proenzim

3. Kompartementasi

4. Modifikasi kovalen

5. Regulasi allosterik

REGULASI AKTIVITAS ENZIM

Regulasi enzim diperlukan untuk homeostasis, pertahankan aktivitas metabolisme pada kecepatan tertentu sehingga semua fungsi tubuh dapat berjalan dengan normal.

Jumlah kalori seimbang dengan kebutuhan energi, jumlah panas dihasilkan seimbang dengan jumlah panas yang dibuang, jumlah molekul yang disintesis seimbang dengan yang didegradasi dll.

Gangguan regulasi akan menyebabkan gangguan hemostasis sehingga timbul penyakit.

1. Regulasi sintesis enzim

enzim akan disintesis apabila terdapat substrat

contoh : enzim laktase yang menghidrolisis laktosa menjadi glukosa dan galaktosa

pada masa bayi, enzim disintesis olh sistem pencernaan

setelah disapih tidak ada asupan susu (laktosa), maka enzim tidak akan disintesis

Pada masa anak/dewasa dia minum susu, maka dapat terjadi diare karena laktosa tidak dapat dihidrolisis oleh sistem pencernaannya

2. Sintesis dalam bentuk proenzim

enzim dibutuhkan dalam waktu tertentu dan dalam jumlah besar

kalau disintesis dalam bentuk aktif justru akan merugikan/berbahaya

contohnya enzim pencernaan (pepsinogen, tripsinogen, kimotripsinogen)

contoh lainnya adalah faktor-faktor pembekuan darah

Coagulation cascade

Zymogens of Serine Proteases

Activities

Factor XIIbinds to exposed collagen at site of vessel wall injury, activated by high-MW kininogen and kallikrein

Factor XI activated by factor XIIaFactor IX activated by factor XIa in presence of Ca2+

Factor VII activated by thrombin in presence of Ca2+

Factor Xactivated on surface of activated platelets by tenase complex and by factor VIIa in presence of tissue factor and Ca2+

Factor II activated on surface of activated platelets by prothrombinase complex

3. Kompartementasi

enzim bekerja pada lokasi tertentu

Ribuan reaksi berlangsung dalam sel, masing-masing memerlukan substrat, enzim dan menghasilkan produk.

Kompartementasi menyebabkan efisiensi metabolik dan menyederhanakan regulasi.

4. Modifikasi kovalen

Aktivasi Protein Kinase A oleh cAMP

Protein kinase A mempunyai 2 subunit katalitik (C) dan regulator (R). Pada kondisi tidak aktif, R akan berikatan dengan C sehingga sisi aktif C akan tertutup oleh R.

cAMP akan berikatan dengan R, terjadi perubahan konfromasi R sehingga R tidak berikatan dengan C.

Sisi aktif C tidak lagi berikatan dengan R, C menjadi aktif.

Aktivasi dan deaktivasi enzim dengan fosforilasi

fosforilasi atau defosforilasi dapat terjadi pada residu serin atau tirosin

enzim yang mengalami fosforilasi bisa menjadi lebih aktif atau kurang aktif tergantung enzimnya

contoh dengan fosforilasi menjadi lebih aktif adalah glikogen fosforilase dan sitrat liase

contoh dengan fosforilasi menjadi kurang aktif adalah glikogen sintase dan piruvat dehidrogenase

5. Regulasi allosterik