TUGAS TEKNOLOGI ENZIM

KINETIKA REAKSI ENZIMATIK

Disusun Oleh: Dyah Wirasanti Louis Adi Wiguno Machmud Lutfi H. Thamrin Manurug Tri Nugroho L2C008034 L2C008070 L2C008074 L2C008107 L2C008109

TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2011

0

I.

PENDAHULUAN Pada abad ke-17, van Helmont menyatakan bahwa pencernaan makanan bukanlah

proses mekanis belaka tetapi juga suatu proses yang melibatkan makanan itu berubah secara kimia. Dia menggunakan kata ferments bagi proses tersebut dan persamaan ini sebelumnya dipakai untuk proses pembuatan anggur. Fermentare artinya membangkitkan. Pada akhir abad ke-19 banyak dipelajari mengenai pencernaan ini dan diketahui bahwa enzim-enzim, yang ada di air liur, di usus, dan yang dikeluarkan oleh pankreas ikut aktif dalam pencernaan. Pada abad ke-20 ini, pengetahuan mengenai enzim sudah maju sekali. Pengertian pencernaan bukan hanya terbatas pada yang terjadi di saluran pencernaan tetapi terjadi pula dalam seluruh sel hidup. Dan enzim bukan saja punya aktivitas dalam reaksi pencernaan atau degradasi tetapi juga dalam reaksi sintesis. Di dalam sel, berlangsung secara terus menerus reaksi-reaksi yang sangat kompleks dan dengan kecepatan yang sangat tinggi namun terarah. Reaksi yang kompleks ini dapat juga berlangsung di luar sel, hanya saja sangat lamban. Hal ini disebabkan di dalam sel hidup terdapat suatu zat yang dinamakan enzim. Enzim disintesis dalam sel, dapat mempercepat suatu reaksi termodinamika sedemikian rupa sehingga kecepatan reaksi dapat berjalan sesuai dengan proses biokimia yang dibutuhkan untuk mengatur kehidupan. Enzim dikatakan sebagai suatu kelompok protein yang berperan sangat penting dalam proses aktiviatas biologis. Enzim ini berfungsi sebagai katalisator dalm seldan sifatnya sangat khas. Dalam jumlah yang sangat kecil,enzim dapat mengatur reaksi tertentu sehingga dalam keadaan normal tidak terjadi penyimpangan-penyimpangan hasil akhir reaksinya. Enzim ini akan kehilangan aktivitasnya akibat panas, asam atau basa kuat, pelarut organik, atau apa saja yang bisa menyebabkan denaturasi protein. Enzim adalah biomolekul berupa suatu protein yang dihasilkan oleh sel hidup. Enzim berperan sebagai katalis (senyawa yang mempercepat atau mengarahkan reaksi tanpa ikut bereaksi) dalam suatu reaksi kimia organik. Molekul awal yang disebut substrat akan dipercepat perubahannya menjadi molekul lain yang disebut produk. Enzim bekerja dengan cara bereaksi dengan molekul substrat untuk menghasilkan senyawa intermediet melalui reaksi yang membutuhkan energi aktivasi lebih rendah, sehingga rekasi berlangsung lebih cepat.

1

II.

AKTIVITAS ENZIM Aktivitas enzim dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor-faktor tersebut menentukan

efektivitas kerja suatu enzim. Apabila faktor pendukung tersebut berada pada kondisi yang optimum, maka kerja enzim juga akan maksimal. Kinetika enzim menginvestigasi bagaimana enzim mengikat substrat dengan mengubahnya menjadi produk. Beberapa faktor yang mempengaruhi kerja enzim: a. Kadar enzim dan substrat. Kecepatan reaksi bergantung pada konsentrasi enzim yang berperan sebagai katalisator dalam reaksi itu. Pada gambar 2.1 terlihat hubungan antara konsentrasi enzim dengan kecepatan reaksi apabila konsentrasi substrat berlebihan. Di sini dapat dilihat bahwa banyaknya substrat ditransformasikan sesuai dengan tingginya konsentrasi enzim yang digunakan.

Gambar 2.1 Pengaruh konsentrasi enzim terhadap kecepatan reaksi

Tetapi jika konsentrasi enzim yang digunakan tetap, sedangkan konsentrasi substrat dinaikkan maka hubungan yang didapat adalah seperti tertera pada Gambar 2.2. Di sini dapat dilihat bahwa pada penambahan pertama kecepatan reaksi naik dengan cepat. Tetapi jika penambahan substrat dilanjutkan maka penambahan kecepatan mulai menurun sampai pada suatu ketika tidak ada penambahan kecepatan reaksi lagi.

2

Gambar 2.2 Pengaruh konsentrasi substrat terhadap kecepatan reaksi

Michaelis dkk pada awal abad ini menyatakan bahwa reaksi yang dikatalisis oleh enzim pada berbagai konsentrasi substrat mengalami 2 fase, yaitu (1) jika konsentrasi substrat masih rendah, daerah yang aktif pada enzim tidak semuanya terikat dengan substrat dan (2) jika jumlah molekul substrat meningkat maka daerah yang aktif terikat seluruhnya oleh substrat, dan pada saat ini enzim telah bekerja dengan kapasitas penuh (Gambar 2.3)

Gambar 2.3 Diagram pengaruh konsentrasi substrat terhadap pengikatan bagian yang aktif dari permukaan enzim

Apa yang telah dinyatakan oleh Michaelis dkk ini dapat pula dibuktikan secara matematik. Kurva pada Gambar 2.2 memenuhi persamaan Michaelis-Menten: [ ] [ ] v Km = kecepatan reaksi enzim dengan kadar substrat [S] = tetapan Michaelis (mol per liter)

3

vmaks

= kecepatan maksimum enzim

Persamaan Michaelis-Menten ini jika ditelusuri berasal dari beberapa persamaan berikut:

Kekhasan suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim tampak pada terbentuknya terlebih dahulu kompleks enzim substtrat (ES), yang kemudian terurai lagi menjadi enzim dan produknya (E dan P). Dalam hal ini k1, k2, k3, dan k4 adalah tetapan kecepatan reaksi. Beberapa milidetik setelah enzim dan substrat dicampur akan diperoleh suatu keadaan dimana kecepatan terbentuknya ES sama dengan kecepatan terurainya ES. Jadi: k1 [E] [S] + k4 [E] [P] = k2 [ES] + k3 [ES] Karena itu: [E] { k1 [S] + k4 [P]} = [ES] (k2 + k3) [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

Dalam waktu yang sangat singkat ini (beberapa milidetik) konsentrasi P tentu saja sangat sedikit, karena itu dapat diabaikan, sehingga persamaan tersebut dapat ditulis sebagai: [ ] [ ] [ ]

Tetapan k1, k2, dan k3 dapat ditulis sebagai tetapan Km.

Sehingga persamaan dapat ditulis sebagai: [ ] [ ] [ ]

Apabila jumlah konsentrasi enzim total atau [E]t, dianggap sebagai jumlah enzim yang bebas, [E] dan yang bergabung dengan substrat [ES] maka konsentrasi [E]t [ES]. Karena itu, [ ] [ ] [ ] [ [ ] ] [ ] [ ] [E]=

4

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]

[ ]

Kecepatan maksimum (vmaks) akan didapat apabila enzim semuanya sedang berada dalam bentuk kompleks dengan substrat. Sedangkan kecepatan pada permulaan (v) sebanding dengankonsentrasi [ES]. Hal ini dapat ditulis sebagai berikut:[ ] [ ]

90 [ ] [ ]

[ ] [ ] [ ]

Jika jumlah [S] sangat tinggi maka Km dapat diabaikan. Dalam hal ini akan didapat persamaan: v=vmaks Jadi v tidak bergantung pada konsentrasi substrat dan ini disebut reaksi zero order. Apabila v= vmaks didapatkan reaksi: [ ] [ ] sehingga [ ] Pada gambar 2.2 dapat dilihat bahwa Km dinyatakan sebagai mol per liter. Dan kalau Km sangat besar, maka persamaan ditulis sebagai: [ ] Dalam hal ini v bergantung pada konsentrasi substrat dan disebut reaksi first order. Pada gambar 2.2 dapat pula dilihat kinetik zero order dan first order. Jadi persamaan Michaelis-Menten memang memenuhi syarat untuk reaksi sederhana yang dikatalisis oleh enzim. Tetapi kinetik enzim bisa juga sangat kompleks, yaitu apabila kita membicarakan kinetik enzim pengatur. Hal ini disajikan pada bagian lain. Km sering didefinisikan sebagai tetapan disosiasi reaksi yang dikatalisis oleh enzim. Pada reaksi sederhana dapat dilihat bahwa:

5

maka: [ ][ ] [ ] Karena Km adalah Maka, Jadi Km akan selalu sama atau lebih besar daripada Ks. Kalau dilihat kembali persamaan [ ] [ ] maka: ( )( [ ] ) ( )

Persamaan tersebut identik dengan persamaan garis lurus:

Grafik garis lurus

dapat dilihat pada gambar 2.4

Gambar 2.4 Grafik dari persamaan Lineweaver-Burk

yang disebut juga persamaan

b. Pengaruh Suhu Karena reaksi kimia sangat dipengaruhi oleh suhu, maka reaksi yang dikatalisis oleh enzim juga peka terhadap suhu. Pada suhu kurang dari atau sama dengan 0C, biasanya enzim tidak mengalami kerusakan, tetapi umumnya tidak aktif. Pada suhu yang meningkat, kecepatan reaksi enzimatis akan bertambah. Setiap kenaikan suhu 10C kecepatan reaksi enzimatis meningkat dua kali lipat, tapi hanya sampai keadaan dimana tingkat energi kinetik enzim tidak melampaui tingkat yang memecahkan6

ikatan nonkovalen yang mempertahankan struktur protein/enzim. Kecepatan reaksi meningkat bila suhu ditingkatkan sampai pada suhu optimum. Mungkin sampai suhu 45C efek predominannya masih memperlihatkan kenaikkan aktivitas sebagaimana dugaan teori kinetik. Tetapi lebih dari 45C efek yang berlawanan yaitu denaturasi thermal lebih menonjol dan menjelang suhu 55C fungsi katalitik enzim menjadi punah. Dua macam pengaruh suhu terhadap reaksi enzim disajikan pada Gambar 2.5

Gambar 2.5. Pengaruh suhu terhadap kecepatan reaksi yang dikatalisis oleh enzim. (a) Bertambahnya kecepatan reaksi sebagai fungsi dari suhu. (b) Berkurangnya kecepatan reaksi sebagaimana fungsi denaturasi termis enzim protein. Sedangkan daerah yang bergaris menunjukkan daerah kombinasi axb

c. Pengaruh pH pH juga sangat berpengaruh terhadap aktivitas enzim, karena sifat ionik gugus karboksil dan gugus amino mudah dipengaruhi oleh pH. Hal ini menyebabkan daerah katalitik dan konfirmasi enzim menjadi berubah. Selain itu perubahan pH juga menyebabkan denaturasi enzim dan mengakibatkan hilangnya aktivitas enzim (Gambar 2.6). Kurva pengaruh pH ini berupa lonceng dengan sebuah plateau kecil. Plateau ini sering disebut pH optimum enzim. Dalam mempelajari suatu enzim, pH optimum ini perlu dicari terlebih dahulu dengan memakai buffer yang cocok.

7

Di dalam sel dan lingkungan sel sekelilingnya, pH dalam keadaan normal harus tetap sebab adanya perubahan akan menyebabkan pergeseran aktivitas enzim. Hal ini akan mempengaruhi dan mengacaukan sistem katabolik dan anabolik dalam sel dan jaringan.

Gambar 2.6 Pengaruh pH terhadap kecepatan reaksi. Perhatikanlah adanya titik pH optimum.

d. Pengaruh Inhibitor Enzim sangat peka terhadap senyawa atau suatu gugus senyawa yang diikatnya. Apabila aktivitas enzim menjadi terhambat oleh senyawa atau gugus senyawa tersebut maka senyawa ini disebut inhibitor. Tidak semua inhibitor bersifat merugikan karena dalam sel bisa juga terdapat inhibitor yang berfungsi sebagai regulasi reaksi enzim. Dalam hal ini dia mengontrol produk enzim sehingga hanya cukup untuk kebutuhan sel saja. Inhibitor enzim dapat dibagi 2 macam yaitu inhibitor kompetisi dan inhibitor non-kompetisi. Inhibitor kompetisi Inhibitor jenis ini disebut berkompetisi karena penambahan substrat dapat mengurangi daya hambatnya. Hal ini disebabkan inhibitor tersebut berkompetisi dengan substrat untuk mengikat bagian yang aktif dari enzim. Sebagai contoh enzim suksinat dehidrogenase yang mengkatalisis reaksi oksidasi asam suksinat menjadi fumarat. Jika ditambahkan asam malonat yang strukturnya hampir serupa dengan asam suksinat, maka enzim suksinat dehidrogenase menurun aktivitasnya. Tetapi dengan penambahan substrat (asam suksinat) reaksi dapat berjalan kembali seperti biasa. Inhibitor macam ini daya kerjanya tergantung pada:8

1) Konsentrasi inhibitor 2) Konsentrasi substrat, dan 3) Afinitas relatif inhibitor dan substrat. Pengaruh inhibitor ini bolak-balik. Karena bagian yang aktif enzim langsung terlibat dalam aktivitas inhibitor maka Km enzim mengalami perubahan tetapi vmaks tidak. Hal ini lebih jelas dapat dilihat pada gambar 2.7

Gambar 2.7. Hubungan antara kecepatan reaksi (v) dengan konsentrasi substrat (dengan atau tanpa inhibitor kompetisi). Perhatikanlah bahwa vmaks tidak berubah walaupun ada perubahan Km akibat adanya inhibitor kompetisi maupun inhibitor non-kompetisi.

9

-

Inhibitor non-kompetisi Pengaruh inhibitor non-kompetisi ini tidak dapat dihilangkan dengan penambahan substrat. Inhibitor berikatan dengan permukaan enzim tanpa lepas lagi dan tempatnya tidak dapat pula diganti oleh substrat. Daya kerja ini bergantung pada (1) konsentrasi inhibitor dan (2) afinitas inhibitor terhadap enzim. Konsentrasi substrat tidak berpengaruh pada sistem ini dan Km tidak berubah oleh inhibitor. Pada gambar 2.8 dapat dilihat pengaruh inhibitor non-kompetisi ini. Beberapa fungsi obat-obatan berhubungan erat dengan daya hambat yang sangat khas pada enzim yang ada dalam sel atau jaringan, misalnya penisilin bekerja menutup konstruksi dinding sel mikroorganisme. Racun syaraf yang sangat berbahaya diisopropilfluorosfat menghambat kuat kerja enzim asetilkolin esterase, yaitu enzim yang berhubungan dengan fungsi syaraf.

10

Gambar 2.8 Hubungan antara (v) dan konsentrasi substrat (dengan atau tanpa inhibitor non-kompetisi). Dalam hal ini terdapat pergeseran vmaks, sedangkan Km tetap.

Beberapa inhibitor berperan penting untuk menjelaskan jalannya metabolisme dalam jaringan. Dalam hal ini harus berhati-hati mengambil kesimpulan karena inhibitor jarang mempunyai aktivitas hanya pada satu macam enzim. Misalnya asam malonat yang dianggap bertahun-tahun hanya sebagai inhibitor suksinat dehidrogenase ternyata asam ini dapat pula berubah menjadi malonil-KoA yang kemudian bisa pula mengalami dekarboksilasi membentuk asetil-KoA dan CO2. Jadi dalam mengambil kesimpulan untuk suatu penelitian mengenai enzim berbagai hal seperti ini harus diperhatikan.

e. Pengaruh Waktu Waktu kontak/reaksi antara enzim dan substrat menentukan efektivitas kerja enzim. Semakin lama waktu reaksi maka kerja enzim juga akan semakin optimum.

f. Produk Akhir Produk Akhir Reaksi enzimatis selalu melibatkan 2 hal, yaitu substrat dan produk akhir. Dalam beberapa hal produk akhir ternyata dapat menurunkan produktivitas kerja enzim.

11

III. ENZIM DAN ENERGI AKTIVASI Ditinjau dari sudut termodinamika, enzim dapat mempercepat reaksi dengan memperkecil energi aktivasinya. Hal ini berlangsung dengan meningkatkan jumlah molekul yang aktif (Gambar 3.1). Di sini dapat dilihat bahwa reaksi enzim mempunyai energi aktivasi (E) yang rendah sehingga sebagian besar molekul ada dalam keadaan siap untuk bereaksi. Tetapi harus diperhatikan pula bahwa dengan menyampingkan jalannya reaksi, baik reaksi yang dikatalisis enzim maupun yang tidak, keduanya mempunyai G atau tetapan keseimbangan reaksi tetapi menurunkan energi aktivasi sehingga molekul A sudah siap sebelum mengalami perubahan.

KOFAKTOR ENZIM Kebanyakan enzim memerlukan komponen lain untuk aktivasinya. Komponen ini biasanya disebut kofaktor. Kofaktor dapat dibagi atas 3 kelompok yaitu (1) gugus prostetik, (2) koenzim, (3) aktivator metal. Gugus prostetik biasanya terikat kuat pada enzim, misalnya gugus porfirin pada peroksidase dan gugus flavin adenin dinukleotida (FAD) pada suksinat dehidrogenase. Koenzim adalah molekul organik yang kecil. Tahan panas dan dapat dipisahkan dari enzim secara dialisis. Contoh koenzim ialah tiamin pirofosfat, NAD, NADP +, dan asaam teyrahidrofolat. Aktivator metal bisa kation yang mono atau divalen, diantaranya K+, Mn2+, Mg2+, Ca2+, atau Zn2+. Kation-kation dapat berikatan longgar atau erat pada enzim.

Gambar 3.1 Sebuah diagram yang menunjukkan energi aktivasi reaksi AB. Dalam hal ini A adalah substrat, B adalah produk. ANE* menunjukkan kompleks aktivasi dalam reaksi tanpa enzim; ANE* adalah kompleks aktivasi dalam reaksi dengan katalitor enzim. ENE adalah energi aktivasi untuk reaksi tanpa enzim. EE adalah energi untuk reaksi yang menggunakan enzim. G adalah perbedaan energi bebas antara A B12

DAFTAR PUSTAKA

Diktat kuliah Mikrobiologi Industri oleh Sudarmaji Enzim dan Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Laju Kerja Enzim. http://greenforce.files.wordpress.com/2008/01/materi-tambahan-praktikum.pdf http://id.wikipedia.org/wiki/Enzim http://klinikdokterhairrudin.blogspot.com/

13