BIOKIMIAMekanisme Dasar Penyakit

dr. Jangki Hashumal

Bagian Biokimia FK Unhas

Pendahuluan

Biokimia merupakan ilmu pengetahuan yang mempelajari unsur-unsur kimia pembentuk sel hidup dan berbagai reaksi serta proses yang dijalaninya.

Bersifat disiplin dan interdisiplin.

Ruang Lingkup Biokimia

Biologi sel

Biologi molekuler

Genetika molekuler

Hubungan Biokimia, Genetika, dan Biologi Molekuler

Proteinn Gen

Fungsi

Bahasan Utama Ilmu Biokimia

1). Mempelajari struktur kimia komponen-komponen makhluk hidup dan hubungan dengan fungsi biologisnya.

2). Mempelajari metabolisme (reaksi-reaksi kimia yang terjadi di dalam tubuh).

3). Mempelajari molekuler genetik (proses dan substansi kimia yang terlibat dalam ekspresi informasi genetik).

Makna Biomedis Umum

Memahami berbagai kondisi fisiologis dalam tubuh manusia keadaan menyimpang dari kondisi fisiologis (mekanisme dasar suatu penyakit).

Dasar pemeliharaan kesehatan Membantu menegakkan diagnosis dan

merancang terapi efektif serta follow up.

Hubungan Biokimia dgn Ilmu Kedokteran

BIOKIMIA Asam Protein Lipid Karbohidrat Nukleat

Penyakit Anemia Atero- Diabetes Genetik Sel Sabit sklerosis Mellitus

ILMU KEDOKTERAN

BIOKIMIA SEBAGAI DASAR MEKANISME PENYAKIT

Sistem muskuloskeletal; Gangguan sintesis kolagen (penyakit scurvy akibat defisiensi vitamin C), gout (degradasi purin berlebih), osteoartritis, ataupun kelainan genetik tulang dan sendi lainnya (kelainan komponen matriks ekstraseluler).

Sistem GEH; Gangguan enzim pencernaan, gangguan metab. empedu, dll

Sistem imun; Agammaglobulinemia Sistem neuropsikiatri; Gangguan neurotransmiter

(ketidakseimbangan neurotransmitter pada parkinson), gangguan ACh pada meastenia gravis

Sistem metabolisme-endokrin; Gangguan metabolisme lipoprotein (pembentukan aterosklesosis), DM, hipertiroid

Pengaturan keseimbangan asam basa yang melibatkan sistem respirasi dan ginjal

Hematologi; Kelainan sintesis-degradasi Hb dan metabolisme SDM

Ekskresi sisa metabolisme (amonia, urea, asam urat, dan lainnya)

Geriatri; proses penuaan akibat proses degeneratif.

Biokimia DasarKepentingan Klinik

Metabolisme karbohidrat dan mekanisme kontrolnya Glukosa darah

Katabolisme asam amino, siklus urea, fungsi hati Urea serum

Metabolisme lipid dan lipoprotein Kolesterol serum

Metabolisme lipid dan lipoprotein Asam lemak serum

Sintesis protein, fungsi hati Albumin serum

Pembekuan darah dan sintesis protein Protrombin time

Kinetika enzim, elektroforesis, enzyme assay Laktat dehidrogenase

Kinetika enzim, elektroforesis Kreatin kinase

Struktur dan replikasi DNA Analisis DNA

Biokimia sistem endokrin Tiroksin dan TSH serum

Katabolisme asam amino dan inheritance of disease Fenilalanin

Ketogenesis Badan keton

Metabolisme nukleotida purin Asam urat serum

Metabolisme kalsium Kalsium serum

Degradasi hem dan fungsi hati Bilirubin serum

Enzyme assay, proses metabolisme yang berlangsung di hati Tes fungsi hati

Metabolisme C1, metabolisme kreatinin otot Kreatinin plasma/urine

Homeostasis glukosa Hemoglobin A1C

Beberapa contoh interelasi biokimia dasar dengan klinik

Komposisi elemen rata-rata tubuh manusia (dry weight basis)

Elemen % Elemen %

COHNCaPK

5020108,54

2,51

SNaClMgFeMn

I

0,80,40,40,1

0,010,001

0,00005

BiomolekulSenyawa PenyusunFungsi UtamaDNA (Deoksinukleotida): Materi genetikRNA (Ribonukleotida): Template (cetakan) untuk

sintesis proteinProteinAsam-asam aminoMolekul yang melakukan berbagai fungsi, misalnya enzim, elemen kontraktil, hormon, dll. Polisakarida (glikogen)GlukosaSuplai dan simpanan/cadangan energi LipidAsam-asam lemak, gliserol, dllBeraneka ragam, misalnya: komponen membran dan simpanan energi jangka panjang sebagai triasilgliserida

Proses-proses biokimiawi antara lain:

Pembentukan/sintesis struktur tubuh beserta fungsinya (membran sel, matriks ekstraseluler seperti kolagen serta protein struktural lainnya, dan lain-lain).

Sintesis senyawa fungsional serta aktivitas fisiologisnya (protein transpor seperti hemoglobin atau lipoprotein, protein kontraktil seperti aktin atau miosin, protein plasma, berbagai hormon, berbagai enzim, antibodi, neurotransmitter seperti asetilkolin atau epinefrin, dan lain-lain).

Penyimpanan dan penggunaan energi serta interaksi berbagai zat gizi (metabolisme bahan makanan yang meliputi anabolisme seperti biosintesis trigliserid atau glikogenesis dan katabolisme seperti glikolisis, glikogenolisis, atau lipolisis).

Pengaturan/kontrol berbagai proses dan respon tubuh terhadap perubahan fisiologis/patologis (peranan enzim dan hormon, pengaturan keseimbangan asam basa, reaksi asam arakidonat akibat inflamasi, dan lain-lain)

Pembuangan sisa metabolisme dan senyawa tidak berguna/beracun serta detoksifikasi (siklus urea, asam urat, netralisasi radikal bebas seperti H2O2, dan lain-lain).

Proses penyampaian informasi genetik dan siklus sel (sintesis protein yang meliputi transkripsi, translasi, dan tahapan pembelahan sel)

Protein

Proteios: ”yang pertama” atau ”yang sangat penting”.

Kelompok senyawa organik kompleks, yang mengandung unsur C, H, O, N dan biasanya mengandung pula unsur S serta P.

Penting pada struktur & fungsi semua sel hidupBerat molekul tinggi, terdiri atas asam amino

yang dihubungkan oleh ikatan peptida.

Beberapa Fungsi Protein

Membentuk dan mempertahankan struktur (stabilitas mekanik organ dan jaringan seperti kolagen dan histon).

Transpor (hemoglobin, albumin, serum, dan kanal ion).

Perlindungan dan pertahanan (imunoglobulin, mekanisme pembekuan darah seperti fibrinogen).

Pengendali dan pengatur (pembawa sinyal seperti proteohormon atau sebagai reseptor).

Katalisator (enzim).

Pergerakan (aktin dan miosin).

Penyimpanan (protein otot, feritin).

- Struktur dasar asam amino - Bentuk zwitterion asam amino

Atom hidrogen

H O │ ║ Gugus karboksil

Gugus amino H2N – C – C – OH │ α-karbon

RRantai samping

Beberapa Contoh Asam Amino:

Alanin (Ala/A) bersifat netral, nonpolar

Asam Glutamat (Glu/E) bersifat asam, polar

Histidin (His/H) bersifat, basa polar

Struktur Protein

Heliks- α

Lembar- β

Pembentukan ikatan disulfide melalui oksidasi AA sistein

Interaksi hidrofobik antara AA dgn rantai sisi nonpolar

Interaksi rantai sisi AA melalui ikatan hidrogen dan ikatan ionik

Enzim

Merupakan protein; ciri dan sifat protein berlaku bagi enzim, tidak berlaku sebaliknya.

Lebih dari setengah jumlah protein yang ada.Bersifat katalis karena mampu mengaktifkan

senyawa lain secara spesifik (Dixon dan Webb).Menjamin agar kecepatan reaksi berjalan sesuai

dengan kebutuhan sel dalam kondisi fisiologis.

Karakteristik Enzim

Meningkatkan kecepatan reaksi-reaksi biokimia dalam tubuh/sel hingga jutaan kali lipat.

Sangat spesifik terhadap reaksi yang dikatalisisnya dan terhadap reaktan (substrat)

Diregulasi dari stadium yang rendah aktivitasnya menjadi beraktivitas tinggi atau sebaliknya.

Beberapa Sifat Enzim

Tidak mengubah keseimbangan reaksi kimia Mempercepat reaksi tanpa berubah. Bekerja dengan cara mengurangi sawar energi

(ΔG‡) Biokatalisator ini tidak mengubah perbedaan

energi bebas (ΔG) antara reaktan dan produk tidak mempengaruhi hasil reaksi.

Dipengaruhi oleh suhu, pH, jumlah substrat, dan inhibitor

Laju reaksi

Energi bebas

Produk

Substrat

Keadaan Transisi

ΔG‡

Laju reaksi pada berbagai keadaan

Laju reaksi Laju reaksi

Energi bebas

Energi bebas

Keadaan TransisiKeadaan Transisi

Substrat

SubstratProdukProduk

ΔG‡ ΔG‡

ΔG

Energi bebas dalam reaksi yang tidak dikatalisis

Energi bebas dalam reaksi yang dikatalisis

Perubahan energi bebas selama berlangsungnya reaksi

KelasTipe reaksi yang dikatalisisSubkelas yang pentingOksido-reduktaseMengkatalisi pe-mindahan ekuiva-len pereduksi an-tara dua sistem redoksDehidrogenase, Oksidase, peroksidase, reduktase, monooksigenase, dioksigenaseTransferaseMengkatallisis pe-mindahan gugus-gugus lainnya dari satu molekul ke molekul yang lainC1-transferase, glikosiltransferase, aminotransferase, fosfotransferaseHidrolaseMemindahkan gu-gus-gugus dengan molekul air sebagai akseptornyaEsterse, glikosidase, peptidase, amidaseLiase (sintase)Mengkatalisis pemecahan atau pembentukan ika-tan kimia disertai pembentukan atau pemutusan ikatan rangkap C-C-liase C-O-liaseC-N-liaseC-S-liaseIsomeraseMenggeser posisi gugus-gugus di da-lam satu molekul tanpa mengubah rumus kimia substrat Epimerse, cis-trans-isomerase, intramolekuler transferaseLigase (sintetase)Menggabungkan dua molekul de-ngan mengguna-kan energi yang dilepaskan pada hidrolisis ikatan pirofosfat dari senyawa fosfat berenergi tinggiC-C-ligase C-O-ligaseC-N-ligaseC-S-ligase

Pengikatan ligan ke proteinUntuk melaksanakan fungsinya banyak protein

mengikat bahan atau zat lain yang dikenal sebagai ligan. Bahan-bahan ini beragam, berkisar dari ion sampai koenzim yang kompleks (bergantung pada fungsi fiologik protein itu sendiri), dan bahan-bahan ini masuk dengan pas ke dalam kantong dan celah khusus pada protein. Protein yang mengikat ligan disebut apoprotein. Protein beserta ligan yang terikat kepadanya disebut holoprotein.

Klasifikasi dan tata nama enzim disusun oleh International Union of Biochemistry (IUB) sebagai Enzim Nomenclature 1992. Berdasarkan konvensi tersebut, setiap enzim memiliki nomor tersendiri dan nama formal yang berakhiran dengan –ase. Masing-masing enzim ditulis dengan empat angka (nomor EC; EC= enzyme comission) dalam suatu ”katalog enzim”. Keempat angka tersebut berturut-turut adalah nomor kelas, subklas, sub-subklas dan nomor enzim tersebut pada sub-subklasnya. Contoh : EC 1.1.1.27 yang menunjukkan laktat dehidrogenase.

Tata nama baku enzim berguna untuk mencegah makna ganda dari suatu enzim yang ditulis dengan nama umumnya. Namun kekurangannya adalah penamaan tersebut bersifat kurang praktis. Pada tulisan-tulisan tentang biokimia, enzim seringkali dituliskan dengan menggunakan nama umumnya. Penamaan ini berdasarkan aktivitas enzim tersebut. Contoh : heksokinase, enzim ini memiliki nama resmi ATP:D-hexose 6-fosfotransferase dengan nomor klasifikasi 2.7.1.1. Di samping itu terdapat pula enzim-enzim yang pada penamaannya tidak berakhiran –ase. Contoh: pepsin, tripsin, kimotripsin, dan trombin.

Kinetika Enzim Kinetika enzim adalah ilmu yang mempelajari sifat

kecepatan reaksi yang dikatalisis oleh enzim. Kecepatan reaksi enzimatik sebagian diatur oleh konsentrasi enzim dan konsentrasi substratnya.

Kecepatan berlangsungnya suatu reaksi diukur berdasarkan penurunan konsentrasi reaktan atau peningkatan konsentrasi produk. Bila diproyeksikan ke dalam grafik akan memberi bentuk grafik hiperbolik, dimana kecepatan reaksi mula-mula meningkat lambat laun tidak terdaji lagi peningkatan (konstan). (Gambar 13).

Dasar persamaan Michaelis-Menten adalah pada reaksi yang dikatalisis oleh enzim, enzim berikatan dengan substratnya membentuk kompleks enzim-substrat (ES), yang kemudian dapat pecah menjadi enzim dan substrat atau menjadi enzim dan produk.

k1 k2 E + S ES E + P k-1 (1) Menurut dasar persamaan Michaelis-Menten, terjadi peningkatan Vi bila [S] dinaikkan, sebab

terjadi peningkatan jumlah ES yang terbentuk. Pada Vmaks, semua enzim terikat pada komples ES. Dengan menggunakan dasar di atas, diturunkan persamaan sebagai berikut.

Vmaks [S] Vi = [S] + (k-1 + k2) k1 (2) k1, k2, dan k-1 adalah konstante kecepatan reaksi parsial. Bila rasio konstante tersebut

ditetapkan sebagai konstante Michaelis (Km), yaitu : k-1 + k2 Km = k1 (3) Selanjutnya persamaan di atas menjadi : Vmaks [S] Vi = [S] + Km (4) Nilai Km dapat diketahui dengan memecahkan persamaan Michaelis-Menten untuk beberapa

konsentrasi substrat. Sehingga pada [S] sama dengan Km, maka kecepatan awal (Vi) adalah setengah dari V maks. Jadi dapat dikatakan, Km adalah konsentrasi substrat yang menyebabkan kecepatan reaksi yang dikatalisis enzim sama dengan setengah dari kecepatan maksimal (Gambar 15).

Pada keadaan di mana Vmaks sukar ditentukan secara tepat terhadap kecepatan dan konsentrasi substrat sehingga Km tidak dapat ditentukan, yaitu pada keterbatasan kelarutan substrat, maka persamaan Michaelis-Menten yang menunjukkan kurva hiperbolik diubah menjadi persamaan garis lurus Lineweaver-Buck atau double reciprocal.

1 Km 1 1 = x + Vi Vmaks [S] Vmaks

1/Vi Kemiringan = Km/Vmaks 1/Vmaks -1/Km 1/[S] Gambar 16. Grafik kinetika enzim dalam bentuk kebalikan

berganda (double-reciprocal)

Pada enzim alosterik, kinetika enzimnya menunjukkan kurva sigmoid. Hal ini disebabkan enzim tersebut sangat peka terhadap peningkatan substrat yaitu aktivitas pada suatu permukaan aktif meningkatkan kesempatan aktivitas permukaan aktif lain pada enzim yang sama sehingga terjadi peningkatan aktivitas yang besar (kerja sama positif). Hal yang berkebalikan dapat terjadi pada enzim yang tidak peka terhadap konsentrasi substrat (kerja sama negatif) dan kinetikanya menunjukkan kurva hiperbola datar. (Gambar 16).

Tempat aktif dan Spesifisitas Enzim Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, untuk

mengkatalisis suatu reaksi, enzim berikatan dengan substrat dan membentuk kompleks enzim-substrat. Reaksi ini berlangsung di suatu daerah dinamik pada enzim yang berukuran relatif kecil yang dinamakan tempat aktif enzim atau tempat katalitik (active site/ catalytic site). Tempat aktif memiliki bentuk geometrik yang unik yang bersifat komplementer dengan bentuk geometrik molekul sustrat, sama seperti potongan-potongan “puzzle” yang saling bersesuaian. Hal ini berarti bahwa enzim khusus akan bereaksi dengan hanya satu molekul substrat yang memiliki bentuk geometrik yang bersesuaian.

Kedekatan dan orientasi molekul substrat dalam tempat aktif ikut berperan menentukan daya katalitik enzim. Pada beberapa enzim, tempat aktifnya dapat mengandung kofaktor berupa senyawa organik nonprotein atau logam yang ikut serta dalam reaksi. Dengan menggunakan kristalografi sinar-x dapat diketahui bahwa tempat aktif terletak di pecahan, celah, atau rongga dari molekul enzim.

Spesifisitas suatu reaksi enzimatik timbul akibat susnan tiga-dimensi residu asam amino pada enzim yang membentuk tempat pengikatan untuk substrat dan mengaktifkan substrat seama reaksi berlangsung. Interaksi pengikatan antara enzim dan substrat dapat dijelaskan dengan model ”kunci –anak kunci” (lock and key) yang dipostulasikan oleh Emil Fischer pada tahun 1894 dan model ”suai-bentur” (induced fit)” yang diajukan oleh Koshland, Nemethy, dan Filmer pada tahun 1958.

Model Kunci-Anak Kunci Model ini digambarkan enzim bersifat seperti kunci yang kaku

dan substrat adalah anak kunci yang memiliki ukuran dan bentuk yang bersesuaian dengan kunci. Sehingga antara enzim dan substrat terjadi saling komplementaritas yang memungkinkan terjadinya reaksi. (Gambar 17).

Model ini menunjukkan bahwa tempat pengikatan substrat mengandung residu asam amino yang tersusun membentuk permukaan tiga-dimensi komplementer yang mengikat substrat melalui interaksi hidrofobik multiple, interaksi elektrostatik, dan ikatan hidrogen.

Model Suai-Bentur Model suai-bentur mengasumsikan bahwa substrat

berperan dalam menentukan bentuk akhir dari enzim dan enzim merupakan molekul yang fleksibel (tidak kaku seperti model kunci-anak kunci).

Sewaktu substrat terikat, hampir semua enzim pengalami perubahan konformasi yang menyebabkan reposisi rantai samping asam amino di tempat aktif dan meningkatkan jumlah interaksi pengikat. (Gambar 18).

Fungsi perubahan konformasi yang diinduksi oleh pengikatan substrat biasanya adalah untuk menyusun ulang residu asam amino melalui cara-cara yang mendorong berlangsungya reaksi.

Mekanisme Kerja Enzim Untuk memungkinkan terjadinya reaksi, substrat harus memiliki

energi yang memadai agar dapat mencapai keadaan transisi, yaitu harus mampu mengatasi sawar energi yang dimiliki oleh ΔG‡. Dan sebagian besar tenaga katalitik enzim tergantung pada kemampuannya menurunkan sawar aktivasi yang memisahkan substrat dari produk. Untuk melakukan ini, suatu enzim membutuhkan lingkungan permukaan aktif yang mempermudah keadaan transisi, atau menyediakan gugus katalitik yang memungkinkan reaksi berlangsung melalui perantara.

Banyak enzim bekerja sebagai katalisator asam-basa umum. Pada kasus ini, katalisis dilakukan oleh gugus yang terletak pada permukaan aktif yang memberikan serta menerima proton daru substrat. Enzim lain bekerja dengan berikatan secara kovalen dengan substrat.

Untuk memahami mekanisme kerja enzim, tripsin sebagai protease yang mengkatalisis reaksi hidrolisis dari ikatan peptida, digunakan sebagai model. Tripsin termasuk ke dalam golongan enzim yang dikenal sebagai serin protease di samping kimotripsin dan elastese. Enzim-enzim tersebut menggunakan residu serin reaktif yang terletak pada permukaan aktifnya.

Hidrolisis ikatan peptida dimulai bila residu serin membentuk ikatan dengan karbon karbonil ikatan peptida substrat. Ini mengakibatkan pembentukan perantara transisi di mana atom karbon karbonil substrat terikat pada 4 atom dan oksigen karbonil mempunyai valensi yang kurang memuaskan dan bermuatan negatif. Dengan sendidinya, perantara transisi seperti ini sukar dicapai. Akan tetapi, lingkungan permukaan aktif membuat perantara ini lebih mudah terbentuk dengan menyediakan gugus yang dapat berikatan dengan bagian yang bermuatan dari perantara transisi. Walaupun perantara transisi sedikit distabilkan oleh permukaan aktif, ia tidak benar-benar stabil dan akan pecah. Pemecahan perantara transisi ini mengakibatkan pemecahan ikatan peptida. Bagian substrat yang berperan dalam pembentukan gugus amino yang baru kemuan meninggalkan permukaan aktif. Selanjutnya air akan masuk ke permukaan aktif dan melalui perantara transisi lain yang serupa, bereaksi dengan karbon karbonil dan melepaskannya dari permukaan aktif enzim. (Gambar 19).

Faktor-faktor yang mempengaruhi aktivitas enzim Suhu Enzim menjadi inaktif oleh paparan suhu yang tinggi. Suhu yang dapat

menyebabkan inaktivasi enzim bervariasi antara satu enzim dengan enzim lainnya, namun umumnya berkisar antara 50º-60ºC. Enzim yang terdapat pada mikroorganisme yang bersifat termofilik dapat bertahan pada suhu 100ºC. Sedangkan sebagian besar enzim manusia memiliki suhu optimum 37ºC. Peningkatan suhu dari 0ºC menjadi 37ºC meningkatkan kecepatan reaksi karena energi getaran substrat meningkat. Aktivasi maksimum untuk sebagian besar enzim manusia berkisar dekat suhu 37ºC, pada suhu yang lebih tinggi menyebabkan denaturasi enzim (yaitu hilangnya struktur sekunder dan struktur tersier).

pH Kecepatan reaksi enzimatik meningkat seiring dengan pergeseran pH dari

tingkat yang sangat asam menunju rentang fisiologis dan menurun sewaktu bergerak dari rentang fisiologis ke rentang yang sangat basa. Umumnya enzim manusia bekerja pada suhu netral (pH 7). Namun ada pula enzim yang mampu bekerja pada suhu yang sangat asam, yaitu pepsi, suatu protease pencernaan di dalam lambung. Enzim ini mempunyai pH optimum 1,6.

Inhibitor

Terdapat senyawa yang dapat menghambat reaksi yang dikatalisis oleh enzim. Penghambatan atau inhibisi tersebut dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu inhibisi yang reversibel dan inhibisi yang ireversibel. Inhibisi yang reversibel sendiri dibagi menjabi inhibisi kompetitif dan inhibisi nonkompetitif.

Inhibisi enzim yang bersifat reversibel dalam interaksi molekul inhibitor dengan enzim tidaklah sampai membentuk ikatan kmia yang permanen. Penghambatan ini dapat lenyap jika senyawa inhibitor tersingkir dari lingkungan enzim.

Pada inhibisi kompetitif, inhibitor bersaing dengan substrat untuk menempati tempat aktif enzim dan menempatinya, sehingga enzim tidak dapat lagi bereaksi dengan substratnya yang spesifik. Inhibitor ini biasanya analog struktural yang erat dari substrat yang disainginya. (Gambar 20).