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 masingmasing 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” s ering digunakan
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 G
o
= - RT ln K eq
Keterangan: G
o
: 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.
Jika satu
Go
adalah suatu angka
dan
konsentrasi
produk
, Keq akan lebih besar dari pada
keseimbangan
akan
melebihi konsentrasi substrat. Karena
G
o
adalah fungsi keadaaan awal dan akhir zat-zat yang bereaksi, besaran ini
hanya dapat memberikan informasi mengenai arah dan keadaan kesimbangan. o
G
tidak bergantung pada mekanisme reaksi dan tidak memberikan informasi
mengenai laju (kecepatan) reaksi. Oleh karena itu meskipun suatu reaksi mungkin memiliki
G
o
atau
o
G
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+BP 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 v 1
=
v-1. Hal ini
menunjukkan arah kecepatan reaksi ke kiri atau ke kanan” v1 = v-1 n
m
v1 = k1 [A] [B] = k-1 [P] n
m
k1/ k-1 = [P] / [A] [B] = Keq Rasio k1 terhadap k-1 disebut konstanta keseimbangan, K eq. D. Sifat-Sifat Penting dari Suatu Sistem dalam Keadaan Seimbang Yang dimaksud sistem di sini adalah suatu campuran reaksi. K eq 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 k 1/k2 S adalah singkatan dari substrat pada senyawa yang bereaksi dan P adalah produk 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 K eq
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.
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.)
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 konsentr asi 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 pertambahan [substrat] menaikkan kecepatan reaksi Akan tetapi, pada batas konsentrasi tertentu 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,
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.
(Gambar 8-9. Plot Lineweaver- Burk untuk inhibisi kompetitif. Perhatikan
b. Inhibitor nonkompetitif 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 V max, tetapi tidak mempengaruhi K m. Inhibitor nonkompetitif yang lebih kompleks terjadi jika pengikatan inhibitor memang mempengaruhi afinitas (yang tampak) enzim terhadap substrat.
(Gambar 8- 10. Plot Lineweaver- Burk untuk inhibisi non-
(A).Kerja enzim seperti gembok-anak kunci (B).Inhibitor kompetitif dan non kompetitif (Campbell, 2006)
c. Inhibitor irreversibel 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 v 1 hingga tercapai nilai maksimal V max (Gambar 8-3). Jika peningkatan lebih lanjut konsentrasi substrat tidak meningkatkan v 1, 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.
(Gambar 8-3. Efek konsentrasi substrat pada kecepatan awal suatu reaksi 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 v 1. 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, v 1 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 K m (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
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
Tergantung pada kecepatan reaksi inisial kadar S dan K m 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 K m”
2. Bagaimana kalau kadar S > kadar K m v=V “harus pada kondisi optimal”
3. Bagaimana kalau kadar S = K m v=½V
(Gambar 8-5. Plot timbal- balik ganda atau plot Lineweaver- Burk 1/v, versus 1/[S] 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
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.
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
http://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._BIOLOGI/196512271991031SUHARA/9._BAB-9__Enzim__ppt_UPI.pdf [diakses tanggal 26 september 2013].
di:
