KINETIKA ENZIM

19
KINETIKA ENZIM Mengapa kinetika enzim dipelajari : 1. Kinetika, bersama dengan teknik yang lainnya memberikan informasi yang berharga terhadap mekanisme kerja dari enzim 2. Dapat memberikan pengertian tentang peranan enzim dibawah kondisi yang terdapat di dalam sel dan tanggapan (respon) enzim terhadap perubahan dari konsentrasi metabolit. 3. Dapat membantu untuk memperlihatkan bagaimana aktifitas dapat dikendalikan, dimana mungkin memberikan hal-hal yang berharga terhadap mekanisme pengaturan dibawah kondisi fisiologis. Mempelajari kinetik enzim juga merupakan dasar untuk mengidentifikasi kekuatan pengobatan dari obat tertentu yg secara selektif menghambat kecepatan proses yang dikatalisis oleh enzim. Bersama dengan mutagenesis yang disengaja dan teknik lain yang mengganggu struktur protein, analisis kinetik juga mengungkapkan secara mendalam mekanisme katalitik. Aktivitas seperangkat enzim yg seimbang dan lengkap merupakan dasar penting untuk mempertahankan homeostasis. Pemahaman tentang kinetik enzim penting untuk memahami bagaimana stress fisiologis seperti anoksia, asidosis atau alkalosis metabolik, toksin dan senyawa farmakologik mempengaruhi keseimbangan tersebut. A. Reaksi Kimia Dijelaskan dengan Persamaan Kesetimbangan

Transcript of KINETIKA ENZIM

Page 1: KINETIKA ENZIM

KINETIKA ENZIM

Mengapa kinetika enzim dipelajari :

1. Kinetika, bersama dengan teknik yang lainnya memberikan informasi yang berharga

terhadap mekanisme kerja dari enzim

2. Dapat memberikan pengertian tentang peranan enzim dibawah kondisi yang terdapat

di dalam sel dan tanggapan (respon) enzim terhadap perubahan dari konsentrasi

metabolit.

3. Dapat membantu untuk memperlihatkan bagaimana aktifitas dapat dikendalikan,

dimana mungkin memberikan hal-hal yang berharga terhadap mekanisme pengaturan

dibawah kondisi fisiologis.

Mempelajari kinetik enzim juga merupakan dasar untuk mengidentifikasi kekuatan

pengobatan dari obat tertentu yg secara selektif menghambat kecepatan proses yang

dikatalisis oleh enzim. Bersama dengan mutagenesis yang disengaja dan teknik lain yang

mengganggu struktur protein, analisis kinetik juga mengungkapkan secara mendalam

mekanisme katalitik.

Aktivitas seperangkat enzim yg seimbang dan lengkap merupakan dasar penting untuk

mempertahankan homeostasis. Pemahaman tentang kinetik enzim penting untuk

memahami bagaimana stress fisiologis seperti anoksia, asidosis atau alkalosis metabolik,

toksin dan senyawa farmakologik mempengaruhi keseimbangan tersebut.

A. Reaksi Kimia Dijelaskan dengan Persamaan Kesetimbangan

Persamaan kesetimbangan di bawah menjelaskan reaksi satu molekul dari masing-

masing substrat A dan B untuk membentuk satu molekul dari masing-masing produk P dan

Q.

i. A + B P + Q

Tanda panah ganda menunjukkan reversible (terbalikan). Jika A dan B dapat

membentuk P dan Q, maka P dan Q juga dapat membentuk A dan B. Dengan

demikian penentuan suatu reaktan sebagai “substrat” atau “produk” sedikit banyak

bersifat arbitrer karena produk suatu reaksi yang dituliskan dalam satu arah adalah

substrat bagi reaksi yang berlawanan. Namun, istilah “produk” sering digunakan

Page 2: KINETIKA ENZIM

Jika Go adalah suatu angka negatif, Keq akan lebih besar dari satu dan konsentrasi produk pada keseimbangan akan melebihi konsentrasi substrat.

Jika Go positif, Keq akan kurang dri satu dan akan menguntungkan pembentukan substrat.

untuk menandai reaktan yang pembentukannya menguntungkan secara

termodinamis.

ii. A + B P + Q

Tanda panah satu arah menunjukkan irreversible (tidak terbalikan). Digunakan untuk

menjelaskan reaksi di dalam sel hidup tempat produk reaksi (ii) segera dikonsumsi

oleh reaksi selanjutnya yang dikatalisis oleh enzim. Oleh karena itu, pengeluaran

segera produk P atau Q secara efektif meniadakan kemungkinan terjadinya reaksi

kebalikan sehingga persamaan (ii) secara fungsional menjadi irreversibel pada

kondisi fisiologis. Contohnya adalah ketika kita bernapas.

B. Perubahan Energi Bebas Menentukan Arah dan Keadaan Seimbang dari Reaksi Kimia

Go = - RT ln Keq

Keterangan:

Go : perubahan energi bebas Gibbs

R : konstanta gas (1,98 kal/mol/K atau 8,31 J/mol/K)

T : suhu mutlak dalam derajat Kelvin

Keq : konstanta equivalen

Keq setara dengan hasil kali konsentrasi produl-produk reaksi, masing-masing

dipangkatkan sesuai stoikiometrinya, dibagi hasil kali substrat yang masing-masing

dipangkatkan sesuai stoikiometrinya.

Karena Go adalah fungsi keadaaan awal dan akhir zat-zat yang bereaksi, besaran ini

hanya dapat memberikan informasi mengenai arah dan keadaan kesimbangan.

Go tidak bergantung pada mekanisme reaksi dan tidak memberikan informasi

mengenai laju (kecepatan) reaksi.

Page 3: KINETIKA ENZIM

Oleh karena itu meskipun suatu reaksi mungkin memiliki Go atau Go yang negatif

besar, namun reaksi tersebut tetap berlangsung meskipun dengan kecepatan yang sangat

rendah.

C. Beberapa Faktor Mempengaruhi Kecepatan Reaksi

a. Teori kinetik – teori tabrakan/tumbukan (collision theory)

Dua molekul harus bertabrakan membentuk ikatan (bond-forming distance).

Harus memiliki tenaga barrier oleh karena itu peningkatan frekuensi atau energi utk

bertabrakan akan mempercepat reaksi.

b. Meningkatnya suhu meningkatkan energi kinetik

Peningkatan energi kinetik molekul juga meningkatkan gerakan molekul sehingga

frekuensi tumbukan juga meningkat. Kombinasi tumbukan yang lebih sering dan lebih

berenergi serta produktif akan meningkatkan laju reaksi.

c. Kadar reaktan

d. Keq adalah rasio dari konstanta kecepatan

A + B P

P adalah produk atau hasil reaksi.

nA + mB P

n dan m adalah jumlah molekul yang bereaksi di reaksi tersebut.

“Jika reaksi itu seimbang dan v adalah suatu kecepatan reaksi, maka v1 = v-1. Hal ini

menunjukkan arah kecepatan reaksi ke kiri atau ke kanan”

v1 = v-1

v1 = k1 [A]n[B]m = k-1 [P]

k1/ k-1 = [P] / [A]n[B]m = Keq

Rasio k1 terhadap k-1 disebut konstanta keseimbangan, Keq.

D. Sifat-Sifat Penting dari Suatu Sistem dalam Keadaan Seimbang

Yang dimaksud sistem di sini adalah suatu campuran reaksi. Keq adalah rasio konstanta

kecepatan reaksi.

1. Pada keadaan seimbang kecepatan reaksi kekiri dan kekanan sama.

2. Keseimbangan adalah keadaan dinamik

3. Keq dapat dihitung dari kadar S dan P pada keadaan seimbang atau dari k1/k2

S adalah singkatan dari substrat pada senyawa yang bereaksi dan P adalah produk

Page 4: KINETIKA ENZIM

E. Sifat-Sifat Enzim

Enzim merupakan biokatalisator yang mempercepat jalannya reaksi tampa ikut

bereaksi

Thermolabil. Mudah rusak bila dipanaskan lebih dari 60°C

Merupakan senyawa protein, sehingga sifat protein masih melekat pada enzim

Dibutuhkan dalam jumlah sedikit, sebagai biokatalisator, rekasinya menjadi sangat

cepat dan berulang ulang

Bekerja didalam sel (endoenzim) dan diluar sel (ektoenzim)

Umumnya enzim bekerja mengkatalis reaksi satu arah, meskipun ada yang

mengkatalis reaksi dua arah

Bekerjanya spesifik, karena sisi aktif enzim setangkup dengan permukaan subtrat

tertentu

Umumnya enzim tidak dapat bekerja tampa adanya suatu zat non protein tambahan

yang disebut kofaktor.

F. Kinetik dari Katalisis Enzim

Enzim menurunkan barrier energi reaktivasi

Enzim tidak mempengaruhi Keq

Dalam mengkatalis suatu reaksi, diasumsikan enzim berikatan lebih dulu dengan

susbtrat. Akibat ikatan ini terbentuklah apa yang dinamai: KOMPLEKS ENZIM-SUBSTRAT.

Reaksi ini dapat terdiri dari beberapa fase:

Pembentukan kompleks substrat (ES), dimana E=enzim, S=substrat

Modifikasi dari substrat membentuk produk(P), yang masih terikat enzim (EP)

Pelepasan produk dari molekul enzim

G. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kecepatan Reaksi yang Dikatalisis Enzim

1. Suhu

Enzim bekerja optimal pada suhu 30°C atau pada suhu tubuh dan akan rusak pada

suhu tinggi. Biasanya enzim bersifat nonaktif pada suhu rendah (0°C atau di

bawahnya), tetapi tidak rusak. Jika suhunya kembali normal enzim mampu bekerja

kembali. Sementara pada suhu tinggi, enzim rusak dan tidak dapat berfungsi

kembali.

Page 5: KINETIKA ENZIM

2. pH

Enzim bekerja optimal pada pH tertentu, umumnya pada pH netral. Enzim intrasel

bekerja optimum antara pH 5-9. Hilangnya atau tambahnya muatan akan merugikan

atau membuat enzim tidak aktif. Pada kondisi asam atau basa, kerja enzim

terhambat. Agar enzim dapat bekerja secara maksimal, pada penelitian/percobaan

yang menggunakan enzim, kondisi pH larutan dijaga agar tidak berubah, yaitu

dengan menggunakan larutan penyangga (buffer)

(Gambar 8-2. Efek pH pada aktivitas enzim. Sebagai contoh, suatu enzim bermuatan negatif (EH-) berikatan dengan substrat bermuatan positif (SH+). Dalam gambar, proporsi (%) SH+

[\\\] dan EH- [///] diperlihatkan sebagai fungsi pH. Hanya di daerah berarsir silang baik enzim maupun substrat memiliki muatan yang sesuai.)

Page 6: KINETIKA ENZIM

3. Hasil akhir

Kerja enzim dipengaruhi hasil akhir. Hasil akhir yang menumpuk menyebabkan enzim sulit

bertemu dengan substrat. Semakin menumpuk hasil akhir, semakin lambat kerja enzim.

4. Konsentrasi enzim dan substrat

a. Pengaruh konsentrasi enzim :

Kecepatan proses pembentukan atau penguraian molekul subtrat mengikuti

konsentrasi enzim

Semakin tinggi konsentrasi dari enzim → kecepatan reaksi makin cepat pula.

Dengan ketentuan lain , yaitu konsentrasi enzim berlebihan maka kecepatan

reaksinya akan lurus / tidak terjadi kenaikan atau penurunan kecapatan reaksi

karena substrat telah terikat semua pada masing-masing enzim serta ada enzim

yang tidak mengikat substrat.

b. Pengaruh konsentrasi substrat :

Hasil eksperimen :

[enzim] tetap à pertambahan [substrat] à menaikkan kecepatan reaksi

Akan tetapi, pada batas konsentrasi tertentu à tidak terjadi kenaikan kecepatan

reaksi walaupun [substrat] diperbesar. Karena semua bagian aktif enzim telah

dipenuhi oleh substrat.

Pengaruh konsentrasi substrat terhadap kecepatan reaksi enzim

5. Zat penghambat (Inhibitor)

Zat yang dapat menghambat kerja enzim disebut zat penghambat atau

inhibitor. Zat tersebut memiliki struktur seperti enzim yang dapat masuk ke substrat,

Page 7: KINETIKA ENZIM

atau ada yang memiliki struktur seperti substrat sehingga enzim salah masuk ke

penghambat tersebut.

Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: semisal enzim itu anak kunci, terdapat zat

penghambat (inhibitor) yang:

strukturnya mirip anak kunci (enzim), sehingga zat penghambat itu dapat masuk ke

dalam gembok kunci (substrat).

bentuknya mirip gembok kunci (substrat), sehingga enzim sebagai anak kunci “keliru

masuk ” ke anak kunci palsu.

Inhibitor

Merupakan zat yang dapat menghambat kerja enzim. Bersifat reversible dan irreversible.

Inhibitor reversible dibedakan menjadi inhibitor kompetitif dan nonkompetitif (Gambar

3.4B)

a. Inhibitor kompetitif

Menghambat kerja enzim dengan menempati sisi aktif enzim. Inhibitor ini bersaing

dengan substrat untuk berikatan dengan sisi aktif enzim. Penghambatan bersifat reversibel

(dapat kembali seperti semula) dan dapat dihilangkan dengan menambah konsentrasi

substrat.

Inhibitor kompetitif dapat diatasi dengan meningkatkan konsentrasi substrat. Struktur

inhibitor kompetitif klasik cenderung mirip dengan struktur substrat. Inhibitor kompetitif

bekerja dengan menurunkan jumlah molekul enzim bebas yang tersedia untuk mengikat

substrat, yi, untuk membentuk ES dan akhirnya menghasilkan produk.

Contoh Inhibitor kompetitif yaitu malonat dan oksalosuksinat, yang bersaing dengan

substrat untuk berikatan dengan enzim suksinat dehidrogenase, yaitu enzim yang bekerja

pada substrat oseli suksinat.

b. Inhibitor nonkompetitif

(Gambar 8-9. Plot Lineweaver-Burk untuk inhibisi kompetitif. Perhatikan hilangnya inhibisi secara total pada [S]

Page 8: KINETIKA ENZIM

Inhibitor ini biasanya berupa senyawa kimia yang tidak mirip dengan substrat dan

berikatan pada sisi selain sisi aktif enzim. Ikatan ini menyebabkan perubahan bentuk enzim

sehingga sisi aktif enzim tidak sesuai lagi dengan substratnya. Contohnya antibiotik penisilin

menghambat kerja enzim penyusun dinding sel bakteri. Inhibitor ini bersifat reversible

tetapi tidak dapat dihilangkan dengan menambahkan konsentrasi substrat.

Pengikatan inhibitor tidak mempengaruhi pengikatan substrat. Inhibitor

nonkompetetif sederhana menurunkan Vmax, tetapi tidak mempengaruhi Km. Inhibitor

nonkompetitif yang lebih kompleks terjadi jika pengikatan inhibitor memang mempengaruhi

afinitas (yang tampak) enzim terhadap substrat.

(A).Kerja enzim seperti gembok-anak kunci (B).Inhibitor kompetitif dan non kompetitif

(Campbell, 2006)

c. Inhibitor irreversibel

(Gambar 8-10. Plot Lineweaver-Burk untuk inhibisi non-kompetitif sederhana.)

Page 9: KINETIKA ENZIM

Inhibitor ini berikatan dengan sisi aktif enzim secara kuat sehingga tidak dapat

terlepas. Enzim menjadi tidak aktif dan tidak dapat kembali seperti semula (irreversible).

Contohnya, diisopropilfluorofosfat yang menghambat kerja asetilkolin-esterase.

d. Inhibitor campuran

Inhibitor jenis ini mirip dengan inhibitor non-kompetitif, kecuali kompleks EIS memiliki

aktivitas enzimatik residual.

Penelitian reaksi yang dikatalisis oleh enzim dilakukan pada kecepatan inisial karena

pada kecepatan inisial, kecepatan reaksi sesuai dengan konsentrasi enzim.

H. Konsentrasi Substrat Mempengaruhi Laju Reaksi

Pada pembahasan berikut, reaksi enzim dianggap seolah-olah hanya memiiki satu

substrat dan satu produk. Sementara kebanyakan enzim memiliki lebih dari satu substrat,

prinsip-prinsip yang dibahas di bawah juga berlaku bagi enzim dengan banyak substrat.

Untuk suatu enzim tipikal, peningkatan konsentrasi substrat akan meningkatkan v1

hingga tercapai nilai maksimal Vmax (Gambar 8-3). Jika peningkatan lebih lanjut konsentrasi

substrat tidak meningkatkan v1, enzim dikatakan “jenuh” oleh substrat. Perhatikan bahwa

bentuk kurva yang menghubungkan aktivitas dengan konsentrasi substrat (Gambar 8-3)

tampak hiperbolik. Pada setiap saat, hanya molekul substrat yang berkaitan dengan enzim

dalam bentuk kompleks ES yang dapat diubah menjadi produk. Kedua, konstanta

kesetimbangan untuk pembentukan kompleks enzim-substrat tidaklah besar tanpa batas.

Page 10: KINETIKA ENZIM

Jika terdapat kelebihan substrat (titik A dan B di Gambar 8-4), hanya sebagian enzim yang

mungkin berada dalam bentuk kompleks ES. Dengan demikian di titik A atau B, peningkatan

atau penurunan [S] akan meningkatkan atau menurunkan jumlah kompleks ES disertai

perubahan yang sesuai di v1. Di titik C (Gambar 8-4), pada hakikatnya semua enzim terdapat

dalam bentuk kompleks ES. Karena tidak ada enzim bebas yang tersedia untuk membentuk

ES, peningkatan lebih lanjut [S] tidak dapat meningkatkan laju reaksi. Dalam kondisi ini, v1

semata-mata bergantung pada—dan karenanya dibatasi oleh—kecepatan disosiasi

(penguraian) produk enzim tersebut sehingga enzim ini dapat mengikat lebih banyak

substrat.

Gambar 8-4. Representasi

suatu enzim pada konsentrasi

substrat yang rendah (A),

tinggi (C), dan setara dengan

Km (B). Titik A, B, dan C

berkorespondensi dengan

titik-titik di Gambar 8-3.)

Kinetika Michaelis Menten

1913: enzim E pertama-tama bergabung dengan substratnya S dalam reaksi dapat balik,

membentuk kompleks enzim-substrat

(Gambar 8-3. Efek konsentrasi substrat pada kecepatan awal suatu reaksi yang dikatalisis

Page 11: KINETIKA ENZIM

kompleks ES terurai menjadi enzim bebas E dan produk reaksi E

Asumsi Michaelis-Menten yang menyatakan bahwa laju pembentukkan produk sangat

lambat dibandingkan reaksi pembentukkan kompleks ES dan redisosiasinya, tidaklah selalu

benar karena sebagian besar kompleks ES selalu berlanjut membentuk produk sehingga nilai

kcat > k-1.

Parameter penting:

• Konsentrasi substrat [S]

• Kecepatan awal (v0)

• Vmax

• KM

Penurunan Rumus Michaelis-Menten

Persamaan Michaelis-Menten dan Hill (Model Pengaruh Kadar Substrat)

Keterangan :

V0 : kecepatan awal pada konsentrasi substrat {S}

Vmax : kecepatan maksimum → kecepatan yang berangsur – angsur dicapai pada

konsentrasi substrat tinggi

Km : tetapan Michaelis-Menten enzim bagi substrat tertentu → konsentrasi substrat

tertentu pada saat enzim mencapai setengah kecepatan maksimumnya

Page 12: KINETIKA ENZIM

Tergantung pada kecepatan reaksi inisial kadar S dan Km dapat digambarkan dengan

mengevaluasi persamaan tersebut dibawah 3 keadaan:

1. Bagaimana kalau kadar S kadar Km

v sesuai kadar S

“untuk menentukan aktivasi enzim digunakan substrat yang di bawah Km”

2. Bagaimana kalau kadar S > kadar Km

v = V

“harus pada kondisi optimal”

3. Bagaimana kalau kadar S = Km

v = ½ V

Kinetika Michaelis Menten

Briggs-Haldane (1925) : semakin banyak ES yang terbentuk semakin cepat ia akan

terdisosiasi membentuk produk [ES] akan tetap konstan (steady state). Keadaan ini akan

terus berlangsung hingga seluruh substrat habis bereaksi.

Persamaan Briggs-Haldane

(Gambar 8-5. Plot timbal-balik ganda atau plot Lineweaver-Burk 1/v, versus 1/[S] yang digunakan untuk

Page 13: KINETIKA ENZIM

Pengaruh konsentrasi substrat terhadap kecepatan awal reaksi enzimatik

Turnover Number (Kcat)

• Kcat = turnover number dari suatu enzim ( jumlah molekul substrat yang dikonversi

menjadi produk dalam suatu satuan waktu oleh satu molekul enzim saat jenuh

dengan substrat)

• kcat = Vmax/[E]o, jika disubstitusikan pada rumus menjadi :

• Pada kondisi di atas rasio

kcat /KM seperti tetapan laju orde pertama untuk interaksi antara E dan S.

• Rasio kcat /KM juga menyatakan efisiensi katalitik. Nilai yang besar dari kcat (rapid

turnover) atau nilai kecil dari KM (high affinity for substrate) akan membuat nilai

kcat/KM menjadi besar.

• Rasio kcat /KM untuk substrat yang berbeda digunakan sebagai ukuran spesifisitas

dari enzim.

Page 14: KINETIKA ENZIM

DAFTAR PUSTAKA

Lehninger. 1982. Dasar-Dasar Biokimia. Jilid 1. Jakarta : Erlangga

Montgomery, dkk. Biokimia- Suatu Pendekatan Berorientasi Kasus. Jilid 1. Edisi Keempat.

Yogyakarta : UGM-Press

Plummer, David T. 1980. Practical Biochemistry. Third Edition.

Podjiadi, A. 2006. Dasar-Dasar Biokimia. Jakarta :UI-Press

Shuler ML, Kargi F. 1992. Bioprocess Engineering. USA: Prentice Hall Inc.

Simanjuntak, M.T. 2006. Diktat Kuliah Biokimia Pengantar Kinetika Enzim. Medan:

Departemen Farmasi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Unversitas

Sumatra Utara.

Siregar, A. 2010. Enzim. Tersedia di : http: //www.chem-is-try.org/materi_kimia/biologi-

pertanian/metabolisme-sel/enzim-dan-peranannya/ [diakses tanggal 25 September

2013]

Suhara. 2002. Pengantar Tentang Enzim. Tersedia di:

http://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._BIOLOGI/196512271991031-

SUHARA/9._BAB-9__Enzim__ppt_UPI.pdf [diakses tanggal 26 september 2013].