ENZIM ENZIM. Dr. Refli., MSc JURUSAN BIOLOGI FAKULTAS SAINS DAN TEHNIK UNIVERSITAS NUSA CENDANA 12/10/2015

Transkripsi

1 ENZIM Dr. Refli., MSc JURUSAN BIOLOGI FAKULTAS SAINS DAN TEHNIK UNIVERSITAS NUSA CENDANA Protein ENZIM Mempercepat reaksi dengan jalan menurunkan energi aktivasi Tidak mengubah kesetimbangan reaksi Sangat spesifik 2

2 ENZIM Katalisator = meningkatkan laju reaksi menurunkan energi aktifasi Energi aktifasi = energi yang diperlukan untuk memulai reaksi Katalisator dalam sel mahluk hidup BIOKATALISATOR 3 KEHADIRAN ENZIM Lokasi aktivitas enzim: di dalam sel enzim intraseluler Katalase; ; mengkatalis perubahan hidrogen peroksida (H 2 O 2 ) menjadi oksigen (O 2 ) dan air (H 2 O) Trombokinase; ; mengkatalis Protrombin trombin di luar sel enzim ekstraseluler Amilase ; mengkatalis perubalahan amilum menjadi maltose di doudenum Glukosa-6-posfatase ; mengkatalis Glu + Pi Glukosa + Pi Glu-6-P + H + H 2 O 4 2

3 ENZIM SEBAGAI BIOKATALIS Kecepatan reaksi S P tergantung dari jumlah molekul S yang masuk transition state tiap satuan molekul Dua macam cara untuk menaikkan kecepatan reaksi: Menaikkan suhu suhu naik 0 C C kecepatan mjd 2 kali lipat Menambahkan katalisator menurunkan tenaga aktivasi KLASIFIKASI ENZIM Berdasarkan kesepakatan internasional (International Union of Biochemistry), enzim dikelompokkan dengan nomor:. Oksidoreduktase: berfungsi mengoksidasi / mereduksi substrat dengan memindahkan hidrogen atau elektron 2. Transferase: memindahkan gugus tertentu dari molekul donor ke molekul akseptor 3. Hidrolase: memutus ikatan kovalen dalam substrat dengan penambahan air 4. Liase: berfungsi dalam penambahan gugus ke ikatan rangkap atau sebaliknya 5. Isomerase: berfungsi dalam pemindahan gugus dalam molekul itu sendiri untuk menghasilkan isomernya 6. Ligase: berfungsi membentuk ikatan kovalen dengan hidrolisis ATP 3

4 STRUKTUR ENZIM ENZIM HOLOENZIM APOENZIM Bagian protein KOFAKTOR Bagian non protein Ion-ion Koenzim Gugus prostetis Na+,Cu 2 + Fe 2 +, Mg 2 +, Mn 2 +, Zn 2 + Senyawa organik & Senyawa metal organik (FAD+, NAD+, NADP+. Vitamin, KoenzimA) Gabungan antara salah satu koenzim dengan salah satu ion yang berikatan secara kuat dengan apoenzim 7 Kofaktor, koenzim & gugus prostetis 8 4

5 Koenzim Enzim dengan Koenzim sisi aktif 0 5

6 MEKANISME KERJA ENZIM Kerja enzim: Subtrat (S) + Enzim (E) Kompleks Enzim-Subtrat (ES) Produk (P) + Enzim (E) Sisi aktif + + Subtrat Enzim Kompleks Enzim-Subtrat Produk Enzim Sisi aktif = bagian dari enzim dimana interaksi (ikatan kimia) dengan subtrat terjadi ENZIM; Kerja enzim 2 6

7 Model kerja enzim Teori gembok dan kunci Teori (lock and key theory) ) oleh Emil Fischer Bentuk subtrat dan sisi aktif enzim sesuai sehingga ikatan keduanya terjadi dengan segera membentuk kompleks enzim substrat Teori kecocokan yang terinduksi (induced fit therory therory) ) oleh Daniel Koshland, 958 Sisi aktif enzim akan menyesuaikan dengan bentuk subtrat sebelum terbentuk kompleks enzim substrat substrat enzim subtrat Sisi aktif enzim Enzim-subtrat Enzim-subtrat 3 ENZIM; mekanisme kerja Setiap reaksi memerlukan energi aktifasi Jumlah energi aktifasi suatu reaksi berbeda tergantung pada: tanpa melibatkan enzim melibatkan enzim 4 7

8 ENZIM; mekanisme kerja Enzim: Menurunkan energi aktivasi suatu reaksi suatu reaksi tanpa merubah struktur enzim secara permanen 5 ENERGI BEBAS (ΔG) = energi yang dilepaskan selama reaksi (produk reaktan Reaksi eksergonik (eksoterm) = reaksi yang melepaskan energi. G Produk < G reaktan Reaksi bersifat spontan Reaksi endergonik (endooterm) = reaksi yang mermerlukan energi. G Produk > G reaktan Reaksi tidak bersifat spontan 6 8

9 Reaksi eksergonik & endergonik dalam biosistem dan ATP Reaksi endergonik mensuplai energi bagi pembentukan ATP Reaksi eksergonik dari hidrolisis ATP untuk mensuplai energi bagi reaksi di dalam sel 7 antara reaksi eksergonik (hidrolisis ATP dengan reaksi endergonik (sintesis Glutamin) Hubungan antara hidrolisis ATP) 8 9

10 ENZIM; sifat-sifat enzim Enzim adalah protein Enzim memiliki struktur yang tersusun oleh protein mengalami denaturasi seperti halnya protein jika di asam kuat atau basa kuat dan senyawa secara khusus (spesifik) Bekerja secara Artinya protein,, sehingga enzim dapat seperti halnya protein jika dipanasi, diberi larutan senyawa yang bersifat toksin Artinya satu enzim bekerja untuk satu subtrat Lipase ---subtrat lipida Amilase --- substrat: amilum Malat dehidrogenase substrat: malat 9 ENZIM; sifat-sifat enzim Bekerja bolak-balik balik (reversibel) Fruktosa--Posfat Fruktosa-- posfat aldose Dehidroksiaseton posfat + Gliseraldehid Diperlukan dalam jumlah kecil dalam melakukan Diperlukan dalam fungsinya Berfungsi sebagai katalis 20 0

11 ENZIM; faktor yang mempengaruhi kerja enzim Suhu Inhibitor ph Konsentrasi Subtrat Aktivator Konsentrasi Enzim 2 ENZIM; faktor yang mempengaruhi kerja enzim Suhu Aktifitas maksimum enzim suhu optimum Kenaikan suhu sesudah suhu optimum akan menurunkan aktivitas enzim inaktif enzim karena i (kerusakan struktur) denaturasi ( Setiap enzim memiliki suhu optimum tertentu Umumnya enzim pada tubuh manusia memiliki suhu optimum 36 0 C Pada Bateri termofilik suhu optimum ± 80 0 C 22

12 ph ENZIM; faktor yang mempengaruhi kerja enzim Aktifitas maksimum enzim ph optimum ph lebih rendah atau lebih tinggi dari ph optimum dapat menurunkan aktivitas enzim Setiap enzim memiliki ph optimum khusus, tergantung: asal enzim Sifat enzim 23 ENZIM; faktor yang mempengaruhi kerja enzim Konsentrasi Subtrat Makin tinggi konsentrasi subtrat reaksi makin cepat Jika penambahan Jika konsentrasi enzim tetap penambahan konsentrasi subtrat tidak akan tetap, mempercepat reaksi. Kecepatan ini disebut kecepatan maksimum (Vmax) 24 2

13 ENZIM; faktor yang mempengaruhi kerja enzim Konsentrasi Enzim Makin tinggi konsentrasi enzim reaksi makin cepat Jika konsentrasi substrat tetap, penambahan konsentrasi enzim tidak akan mempercepat reaksi. Hal ini disebabkan substrat sudah jenuh dengan enzim 25 Feedback Inhibition Reaksi biokimia dalam sel tejadi secara bertahap dengan melibatkan sejumlah sel Sehingga perubahan substrat menjadi produk akhir menghasil kan sejumlah senyawa antara (Intermediate compound) Reaksi dikontrol melalui mekanisme penghambatan balik (feedback regulation feedback regulation) Peningkatan produk akhir akan menghambat aktivitas salah satu enzim dalam jalur reaksi tersebut, atau sebaliknya penurunan produk akhir akan menstimulus enzim tersebut beraktivitas 26 3

14 ENZIM; faktor yang mempengaruhi kerja enzim Inhibitor ; senyawa yang menghambat aktifitas enzim Penghambatan enzim oleh inhibitor Jenis Penghambatan irreversibel Penghambatan reversibel Kompetitif Unkompetitif Nonkompetitif Campuran 27 ENZIM; Penghambatan kerja enzim Penghambatan Irreversibel (irreversible Inhibition) Penghambatan aktivitas enzim yang bersifat permanen oleh inhibitor Penghambatan menyebakan enzim menjadi tidak aktif Inhibitor : umumnya bersifat toksis 28 4

15 ENZIM; Penghambatan kerja enzim Penghambatan kompetitif (competitive Inhibition) Inhibitor (I) dan Substrat (S) berkompetisi untuk menempati sisi aktif Jika inhibitor menempati sisi aktif enzim tidak aktif Namun penghambatan ini tidak menurunkan kecepatan pemecahan ES menjadi P dan E Penghambatan ini dapat dihilangkan dengan penambahan substrat 29 ENZIM; Penghambatan kerja enzim Penghambatan Unkompetitif (uncompetitive Inhibition) Inhibitor (I) berikatan pada sisi lain dan bukan sisi aktif Pengikatan tersebut mengganggu kecepatan pemecahan ES kompleks produk Penambahan substrat akan mempertinggi penghambatan 30 5

16 ENZIM; Penghambatan kerja enzim Penghambatan nonkompetitif (noncompetitive Inhibition) Mengikat sisi lain selain sisi aktif Dapat mengikat baik enzim- substrat kompleks maupun enzim bebas Mengikat ES kompleks mengganggu pembentukan produk Mengikat enzim bebas mengganggu pengikatan substrat ke enzim

17 Contoh Keracunan unggas Alkaloid swainsonine memblokir enzim mannosidase. Ketika sisi aktif mannosidase diblokir, enzim ini tidak bisa mengkatalisis pemecahan gula manosa Akibatnya terjadi penumpukan manosa di vakuola sel sistem saraf pusat (otak dan tulang belakang). Vakuola yang menggelembung tersebut adalah lisosom, tempat reaksi enzimatik pemecahan terjadi Hewan yang terjangkit paralisis atau bisa meninggal Contoh inhibitor Skenario yang mirip terjadi pada bayi yang terserang penyakit manosidosis. Pada penyakit ini, enzim mannosidase berkurang karena tidak ada penyembuhan untuk penyakit ini. diturunkan dari orang tua karier probabilitasnya 25% bila kedua orang tuanya karier dikenal dengan nama Tay Sachs Disease, di sel saraf terisi penuh dengan lipid ganglioside karena tidak ada enzim pemecah susbtrate ini 7

18 Racun, pestisida, obat adalah inhibitor enzim Irreversible enzyme prevents an enzyme from catalyzing a crucial metabolic reaction organism may be poisoned Cyanide menghambat enzim untk produksi ATP pada saat respirasi Contoh: Sarin (gas saraf) yang dilepas oleh teroris di Stasiun Bawah Tanah Tokyo (995). Molekul ini berikatan secara kovalen dengan asam amino pada sisi aktif acetylcholinesterase (enzim untuk transmisi impuls saraf ) penghambatan ini menyebabkan paralisis / kematian Pesticides diklasifikasikan sebagai organofosfat interaksi pestisida dan asama amino pada sisi aktif enzim akan mengganggi sistem saraf reaksi tidak terjadi Contoh : Malathion & parathion toksik pada insekta menghambat enzim acetylcholinesterase CO berikatan dengan hemoglobin biasanya oksigen Racun, pestisida, obat adalah inhibitor enzim Antibiotik dan obat bekerja dengan menghambat enzim esensial untuk bakteri penyebab penyakit Penicillin menghambat enzim yang digunakan enzim untuk membentuk dinding sel bakteri Ibuprofen and aspirin menghambat enzim yang berfungsi sebagai pemacu rasa sakit obat kanker bekerja sebagai inhibitor enzim yang memacu pembelahan sel 8

19 Sulphate Drug sebagai Inhibitor kompetitif Domagk (939) Para-aminobenzoic acid (PABA) H 2 N- -COOH Bacteria butuh PABA untuk biosintesis asma folat Prekursor asam folat Asam tetrahidrofolik H 2 N- -SONH 2 Obat Sulfa strukturnya mirip PABA dan menghambat pertumbuhan bakteri Sulfanilamide Sulfa drug (anti-inflammation) HIV protease vs Aspartyl protease HIV Protease inhibitor is used in treating AIDS HIV protease (homodimer) subunit Asp subunit 2 Asp Symmetric dimer domain domain 2 Asp Asp Asymmetric monomer Aspartyl protease (monomer) 9

20 Enzyme Failures.One small part of the human metabolic map, showing the consequences of various specific enzyme failures. Phenylketonuria(PKU) Kekurangan atau tidak ada enzim penylalanine hydroxylase menyebabkan akumulasi phenylalanine (yang berasal dari protein). Konsentrasi phenylalanine tinggi dikonversi ke phenylpyruvic acid, substansi yang mengganggu perkembangan sistem saraf, berakibat pada kemunduran mental pada janin Bila level phenylpyruvic acid terdeteksi sejak dini (setelah kelahiran), bayi dapat diberi diet rendah fenilalanin dan akan berkembangan tanpa kemunduran mental.ar 20

21 KINETIKA ENZIM Kinetika enzim menunjukkan adanya kejenuhan (saturation) Michaelis-Menten Menten (93) membuat dasar teori ini Syarat berlakunya hukum Michaelis-MentenMenten Enzim dalam keadaan aktif ph dan suhu optimum Konsentrasi enzim tetap MICHAELIS-MENTEN MENTEN PLOT E + S ES E + P V [S] : kecepatan : konsentrasi substrat Vmax : kecepatan maksimum Km : konstanta Michaelis- Menten 2

22 KONSTANTA MICHAELIS-MENTENMENTEN Km: Konstanta Michelis-MentenMenten Konsentrasi substrat dimana V = ½ Vmax dan dinyatakan misalnya dalam mol/l Harga tetap pada kondisi yang sama Mengirakan afinitas (daya tempel) enzim terhadap substrat. Makin besar Km makin rendah afinitasnya, dan sebaliknya Tidak mengukur aktivitas enzim Dapat dipakai untuk menganalisis jenis inhibitor KINETIKA MICHAELIS-MENTENMENTEN V Vmax ½ Vmax Dengan aktivator Normal Dengan inhibitor [S] Km Km Km 2 22

23 KINETIKA MICHAELIS-MENTEN MENTEN (lanjt.) Vo = Initial Velocity ialah kecepatan mula-mula diartikan sebagai kecepatan reaksi enzimatis pada saat zero time Zero time : waktu saat dimulainya suatu reaksi enzimatis. Pada saat ini : [S] = [S] yang dipakai pada reaksi [P] = 0 (nol) Steady state : keadaan dimana jumlah substrat yang masuk = jumlah produk yang dihasilkan Jadi, kecepatan pembentukan ES = kecepatan pemecahannya [ES] tetap Et = enzim total (jumlah enzim bebas dan enzim terikat) sehingga E bebas = Et ES KINETIKA MICHAELIS-MENTEN MENTEN (lanjt.) E + S k ES (a) K - ES k 2 K -2 E + P (b). Kecepatan pembentukan ES = k ([Et] [ES]) [S] k : konstanta kecepatan reaksi (a) (c) 2. Kecepatan pemecahan ES = k - [ES] + k 2 [ES] 23

24 KINETIKA MICHAELIS-MENTEN MENTEN 3. Steady State (lanjt.) ES tetap kecepatan pembentukan ES = kecepatan pemecahan k ([Et] [ES]) [S] = k - [ES] + k 2 [ES] (d) 4. Pemisahan konstanta kecepatan -Sebelah kiri persamaan (d) dikalikan k [Et] [S] k [ES] [S] - Sebelah kanan disederhanakan (k - + k 2 ) [ES] KINETIKA MICHAELIS-MENTEN MENTEN (lanjt.) Jadi, k [Et] [S] k [ES] [S] = (k - + k 2 ) [ES] k [ES] [S] dipindahkan k [Et] [S] = k [ES] [S] + (k - + k 2 ) [ES] k [Et] [S] = (k [S] + k - + k 2 ) [ES] Jadi, ES = k [Et] [S] k [S] + k - + k 2 atau ES = [Et] [S] [S] + (k - + k 2 ) k (e) 24

25 KINETIKA MICHAELIS-MENTEN MENTEN 5. Kecepatan mula (Vo) (lanjt.) Menurut Michaelis-Menten Menten kecepatan mula ditentukan oleh kecepatan pemecahan [ES] pada reaksi (b) dimana konstanta kecepatan k 2 Vo = K 2 [ES] masukkan persamaan (e) untuk [ES] maka didapat Vo = K 2 [Et] [S] [S] + (k - + k 2 ) k (f) KINETIKA MICHAELIS-MENTEN MENTEN (lanjt.) Km : konstanta Michaelis-MentenMenten (k - + k 2 ) = k Vmax : kecepatan dimana semua enzim dalam bentuk ES = K 2 [Et] Masukkan persamaan (f) didapat V = Vmax [S] [S] + Km 25

26 KINETIKA MICHAELIS-MENTEN MENTEN (lanjt.) Sewaktu V = ½ Vmax Maka ½ Vmax = ½ = Vmax [S] [S] + Km [S] [S] + Km Jadi, [S] + Km = 2 [S] Km = [S] pada waktu Vo tepat ½ Vmax PLOT LINIER Lineweaver-Burk membuat plot linier dengan seperkecepatan vs seperkonsentrasi substrat, sehingga : V = Vmax [S] Km + [S] V = Km + [S] = Vmax [S] Km + [S] Vmax [S] Y = ax + b Km = V Vmax [S] + Vmax Sumbu X = Sumbu Y = [S] V 26

27 LINEWEAVER-BURK PLOT / V Slope = Km Vmax / Vmax = intercept on Y - / Km = intercept on X / [S] MACAM PLOT LINIER The three most common straight-line form: Lineweaver-Burk vs V vs [S] Km = V Vmax [S] + Vmax Eadie-Hofstee V V vs [S] V = -Km V [S] + Vmax [S] vs [S] [S] = Hanes-Woolf V V Km Vmax + [S] Vmax atau [S] = V Vmax [S] + Km Vmax 27

28 KEUNTUNGAN PLOT LINIER Vmax dan Km dapat ditentukan lebih teliti Tidak diperlukan penghitungan Dapat mengetahui adanya pengamatan yang jelek / tidak benar Dapat memberikan informasi lebih jelas tentang inhibitor enzim ANALISIS INHIBITOR DENGAN PLOT LINIER INHIBITOR KOMPETITIF / V Dengan Inhibitor E + S + I Ki Ks ES Ki = Kp E + P [ E ] [ I ] [ EI ] EI / Vmax Tanpa Inhibitor Vmax tetap Km naik - / Km / [S] Km app = Km + [ I ] Ki 28

29 ANALISIS INHIBITOR DENGAN PLOT LINIER (lanjt.) / Vmax / V INHIBITOR UNKOMPETITIF Dengan Inhibitor E + S Ks ES + I Ki Kp E + P - / Km Vmax i Tanpa Inhibitor = + / [S] Vmax [ I ] Ki Vmax turun Km turun Km app = ESI + Km [ I ] Ki ANALISIS INHIBITOR DENGAN PLOT LINIER (lanjt.) INHIBITOR NONKOMPETITIF / V E + S + I Ks ES + I Kp E + P Dengan Inhibitor Ki EI + S Ks EIS Ki / Vmax Tanpa Inhibitor Vmax turun Km tetap - / Km / [S] Vmax i = + Vmax [ I ] Ki 29

30 PENGATURAN SINTESIS DAN AKTIVITAS ENZIM Sel mampu mengatur sintesis enzim Repression enzyme : Banyak dijumpai pada bakteri Terjadi pada biosintesis asam amino, purin dan pirimidin Hasil akhir menekan sintesis dalam rangkaian reaksi tersebut Substansi yang menekan produksi enzim disebut corepressor Induction enzyme : Sintesis enzim terjadi kalau ada substrat Substansi yang memulai induksi disebut inducer REPRESSION AND INDUCTION OF ENZYME Total Protein Relative Increase Jumlah Sel Total Protein Enzim yang terlibat dalam sintesis arginin Relative Increase Jumlah Sel Laktosa ditambahkan Arginin ditambahkan β-galaktosidase Time ENZYME REPRESSION Time ENZYME INDUCTION 30

31 PENGATURAN SINTESIS DAN AKTIVITAS ENZIM (lanjt.) Represi dan induksi enzim mempunyai efek pada proses transkripsi Baik inducer maupun corepressor mengikatkan diri pada protein spesifik repressor yang mempengaruhi sintesis mrna. Baik OPERON MODEL 3

32 ENZYME REPRESSION Misalnya dalam sintesis arginin Penambahan arginin akan menghentikan sintesis enzim pembentuk arginin Arginin bertindak sebagai corepressor Corepressor akan berikatan dengan protein repressor dalam sel Pengikatan menyebabkan konfigurasi protein repressor berubah mampu mengikatkan diri pada daerah operator pada DNA (daerah sintesis mrna dimulai) sintesis mrna tidak terjadi ENZYME REPRESSION (lanjt.) (a) Promoter Operator Gene Gene 2 Gene 3 RNA polymerase Transcription occurs Repressor (b) Promoter Operator Gene Gene 2 Gene 3 RNA polymerase Repressor Transcription blocked Corepressor 32

33 ENZYME INDUCTION Terjadi sintesis enzim kalau ada substrat (misalnya β galaktosidase) disintesis kalau ada laktosa dalam medium Substansi yang memulai induksi enzim disebut inducer Jika inducer ditambahkan menyebabkan enzim disintesis Sintesis enzim dengan jalan pembentukan mrna yang mengkode pembentukan enzim tersebut Protein repressor spesifik aktif dengan tidak adanya inducer memblokir dengan sempurna sintesis mrna Penambahan inducer menyebabkan inducer mengikatkan diri pada repressor repressor tidak aktif penghambatan sintesis mrna teratasi sintesis mrna berlangsung, jadi sintesis enzim juga berlangsung ENZYME INDUCTION (lanjt.) NEGATIVE CONTROL (a) Promoter Operator Gene Gene 2 Gene 3 RNA polymerase Repressor Transcription blocked (b) Promoter Operator Gene Gene 2 Gene 3 RNA polymerase Transcription occurs Inducer Repressor 33

34 ENZYME INDUCTION (lanjt.) POSITIVE CONTROL Promoter Operator Gene Gene 2 Gene 3 Transcription occurs RNA polymerase Action of cyclic AMP in promoting mrna synthesis CAP + camp ATP HUBUNGAN ENZIM METABOLISME Totalitas reaksi kimia secara enzimatis di dalam atau di luar sel dalam tubuh mahluk hidup Anabolisme; sintesis senyawa kompleks dari senyawa sederhana Katabolisme; degradasi senyawa kompleks menjadi senyawa sederhana 68 34

35 METABOLISME ANABOLISME KATABOLISME TERIMA KASIH Materi Kuliah Biokimia. Jurusan Biologi FST Universitas Nusa Cendana