BIOKIMIA M.T. SIMANJUNTAK J. SILALAHI. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Jurusan Farmasi Universitas Sumatera Utara. 1.

Transkripsi

1 BIOIIA.T. SIANJUNTA J. SILALAHI Fakultas atematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Jurusan Farmasi Universitas Sumatera Utara 1. Enzim Enzim dikatakan sebagai suatu kelompok protein yang berperan penting di dalam aktifitas biologi. Enzim berfungsi sebagai katalisator di dalam sel dan sifatnya sangat khas. Didalam jumlah sangat kecil, enzim dapat mengatur reaksi tertentu sehingga di dalam keadaan normal tidak terjadi penyimpanganpenyimpangan hasil akhir reaksinya. Di dalam sel terdapat banyak jenis enzim yang berlainan kekhasannya. Artinya suatu enzim hanya mampu menjadi katalisator untuk reaksi tertentu saja. Ada enzim yang dapat mengkatalisa suatu kelompok substrat, adapula yang hanya satu substrat saja, dan ada pula yang bersifat stereospesifik. arena enzim mengkataliser reaksi-reaksi di dalam sistim biologis, maka enzim juga disebut sebagai Biokatalisator. Beberapa enzim mempunyai aktifitas diantaranya spesifik untuk D dan L isomer optik. Enzim L- asam amino oksidase hanya pada L- asam amino oksidase tidak bereaksi terhadap isomer D- asam amino. Beberapa enzim memerlukan suatu ko-faktor yang bukan protein dan biasanya agak longgar berikatan dengan enzim. o-faktor itu disebut gugus prostetik. Banyak juga enzim yang memerlukan ko-faktor logam seperti n++, Fe ++,g++, dll. Di dalam proses isolasi kadang-kadang ko-faktor yang berikatan longgar pada enzim terlepas sehingga menyebabkan aktifitas enzim menurun atau bahkan hilang. Bagian protein dari enzim disebut apo-enzim, sedangkan enzim keseluruhannya disebut holoenzim. Bagian protein ( tak aktif ) + non protein = holoenzim ( akktif ) (apoenzim ) (gugus protestik ) A. lasifikasi enzim Penamaan enzim secara trivial, yaitu secara non sistematik misalnya pepsin, tripsin, katalase tidak menerangkan sifat dan macam reaksi yang terjadi. Penamaan dan klasifikasi enzim secara sistematik telah ditentukan oleh suatu badan internasional bernama : Commission on Enzim of the international union of Biochemistry (CEIUB). Dalam sistim yang baru ini enzim dibagi menjadi sub bagian. Dalam beberapa hal tertentu, penanaman trivial masih dipakai, yaitu bila nama sistematiknya terlalu panjang. lasifikasi enzim CEIUB meliputi nama golongan, nomor kode dan cara reaksi yang dikatalisernya dan tiap golongan utama terbagi menjadi kelompok kelompok enzim berdasarkan gugus substrat yang diserangnya. Sistim CEIUB atau International Enzym Commision (IEC ) adalah sebagai berikut. 1. Oksido- reduktase Berperan didalam reaksi reaksi oksidasi - reduksi. Oksido reduktase berada antara bentuk- bentuk oksidasi dan reduksinya jika molekul-molekul subtrat secara berturut-turut dioksidasi. Sifat aseptor elektron menentukan nama dari dua jenis oksido reduktase yang kita tinjau dehidrogenase atau oksidase. Dehidrogenase adalah enzim redoks yang tidak menggunakan oksigen sebagai suatu elektron aseptor elektron.oksidasi biologik biasanya melibatkan pengambilan dua elektron dari substrat oleh suatu proses yang disebut dehirogenase. Contoh : 2003 Digitized by USU digital library 1

2 CH 3 CHOH COO - + enzim ----> CH 3 -CO-COO - + 2H + + 2e + enzim Substrat hasil oksidasi ( tereduksi ) Oksidase adalah enzim redoks yang oksigen bertindak sebagai electron aseptor. Contoh : NH 3 + NH 2 + R CH - COO - + Enzim > R C COO - + Enzim Asam L amino asam imino ( tereduksi ) Jenis lain dari oksido-reduktase meliputi Oksigenase yang menyatukan diri dengan oksigen secara langsung kedalam molekul substrat,dan peroksidase yang menggunakan H 2 O 2 sebagai suatu aseptor elektron 2. Transferase Berperan di dalam reaksi pemindahan gugus tertentu. Digolongkan berdasarkan sifat gugus yang di pindahkan. Contoh : Enzim transaminase (amino transferase ) yang mengkatalis pemindahan reversible dari suatu asam amino kesuatu asam keto. X CO CO Z - CHNH 3 - CO 2 α-asam keto α-asam amino X - CHNH CO Z CO - CO 2 - inase merupakan enzim tranferase yang penting di dalam pemindahan energi dari suatu sistim ke sistim yang lain dalam bentuk ikatan fosfat berenergi tinggi.olekul Adenosin Trifosfat (ATP) bekerja sebagai suatu medium pertukaran untuk energi ikatan fosfat dalam sistim hidup. 3. Hidrolase Berperan dalam reaksi hidrolis. Biasanya digolongkan atas dasar ikatan yang dihidrolisis. R CO - OR, + H 2 O esterase R COO - + R, OH R CO NH R, + H 2 O peptidase R-COO - + H 3 N + - R, O R O P O - O - + H 2 O Fosfotase R OH + HPO 4 = 4. Liase engkatalisis reaksi addisi atau pemecahan ikatan rangkap dan suatu contoh dari liase adalah hidrasi dari ikatan asam fumarat oleh enzim fumarase. CO 2 - H H 2 O + C ==C H CO 2 - Fumarase CO CH 2 CHOH CO 2 - asam malat Dekarboksilase asam piruvat merupakan liase. CH 3 CO COO > CH 3 COH + CO Digitized by USU digital library 2

3 5. Isomerasi engkatalisis reaksi isomerisasi. Contoh dari suatu isomerisasi adalah reaksi yang dikataliser oleh alanin rasemase, enzim yang ditemukan dalam bakteri : Alanin rasemase L alanin D Alanin 6. Ligase engkataliser reaksi pembentukan ikatan dengan bantuan pemecahan ikatan dalam ATP. Enzim ini mengkatalisir reaksi yang membentuk ikatan kimia, sehingga sering disebut sintase. isalnya, pembentukan suatu ikatan peptida adalah suatu proses yang memerlukan energi. Daya pendorong untuk reaksi reaksi yang dikataliser ligase pada umumnya adalah pengambilan eksergenik ( pelepasan energi ) gugus fosforil atau pirofosforil dari ATP. PENGARUH ADAR ENZI DAN SUBSTRAT ecepatan reaksi tergantung pada konsentrasi enzim yang berperan sebagai katalisator di dalam suatu reaksi. Hubungan antara konsentrasi enzim dengan kecepatan reaksi jika konsentrasi substrat berlebihan lihat gambar 1. Gambar 1 Pengaruh (enzim) terhadap kecepatan reaksi INETIA ENZI Reaksi-reaksi kimia dalam tubuh secara tidak langsung dipengaruhi oleh enzim. atalis-katalis ini, adalah spesifik untuk reaksi-reaksi tertentu. Akan tetapi, katalis-katalis ini sering berubah-ubah (tidak tetap), pada beberapa ribu enzim yang sekarang dikenal dapat berperan dalam beberapa reaksi seperti hidrolisis, polimerisasi, pemindahan gugus fungsi, oksidasi reduksi, dehidrasi dan isomerisasi, untuk menjelaskan hanya beberapa kelompok umum dari reaksi yang dipengaruhi enzim. Enzim-enzim bukanlah merupakan permukaan pasif pada mana reaksi berlangsung tetapi merupakan mesin molekul kompleks yang terus bekerja melalui rasikan mekanisme reaksi yang berbeda beda. Sebagai contoh, beberapa enzim hanya bekerja pada molekul-molekul substrat tunggal; lainnya bekerja pada dua atau lebih molekul-molekul substrat yang berbeda yang akan mengatur terjadi atau tidaknya suatu ikatan. Beberapa enzim membentuk ikatan kovalen yang menjadi perantara untuk membentuk kompleks dengan substratsubstratnya, tetapi ada juga yang tidak. Pengukuran kinetik dari reaksi-reaksi katalis enzimatik merupakan teknik-teknik yang sangat penting untuk menerangkan mekanisme katalis enzim. Pada bahagian ini sebagian besar akan menguraikan mengenai perkembangan parameter-parameter kinetik yang sangat berguna pada 2003 Digitized by USU digital library 3

4 penentuan mekanisme-mekanisme enzimatik. Sebagai pendahuluan akan diuraikan tentang teori dasar dari kinetika enzim. A. Persamaan ichaelis enten Studi tentang kinetika enzim dimulai pada tahun 1902 ketika Adrian Brown melaporkan sebuah penelitian kecepatan hidrolisis sucrosa ( yang dikatalisis oleh enzim ragi invertase (sekarang dikenal sebagai β-fructofuranosidase) : Sukrosa + H 2 O! glukosa + fruktosa Brown menerangkan bahwa bila konsentrasi sukrosa lebih tinggi daripada enzim, kecepatan reaksi menjadi tidak tergantung pada konsentrasi sukrosa; jadi, kecepatannya mengikuti orde nol terhadap sukrosa. Oleh sebab itu Brown mengusulkan bahwa keseluruhan reaksi disusun oleh dua reaksi dasar dimana mula mula substrat membentuk sebuah kompleks dengan enzim yang kemudian terurai menjadi produk dan enzim. k1 k 2 E + S ES P + E k 1 E, S, ES dan P masing-masing melambangkan enzim, substrat, kompleks enzim substrat dan produk (untuk penyusun enzim yang merupakan perkalian sub-sub unit yang identik, E menyatakan sisi aktif molekul enzim dan bukan molekul enzim). Berdasarkan model ini, bila konsentrasi substrat menjadi tinggi sehingga cukup secara keseluruhan untuk mengubah enzim ke bentuk ES, maka tahap kedua dari reaksi menjadi mempunyai batas kecepatan dan seluruh tingkat reaksi menjadi tidak sensitif terhadap peningkatan konsentrasi substrat yang lebih besar. Persamaan umum untuk kecepatan dari reaksi ini adalah : d[p] V = = k [ES] dt 2 [1.1] ecepatan pembentukan [ES] adalah perbedaan antara kecepatan reaksi dasar yang mengarahkan kepada penampakan dan hasil dalam ketidaknampakannya. d [ES] dt = k1 [E][S] k 1[ES] k 2 [ES] [1.2] Persamaan ini tidak dapat dengan jelas diintegrasikan, tanpa penyederhanaan asumsi. Ada dua kemungkinan yaitu : 1. Asumsi esetimbangan Pada tahun 1913, Leonor ichaelis dan aude enten bekerja berdasarkan hasil kerja Victor Henry yang lebih dulu mengasumsikan bahwa k -1 >> k 2, untuk itu tahap I dari reaksi menghasilkan kesetimbangan. k-1 [E][S] s = = k [ES] 1 [1.3] s melambangkan konstanta disosiasi tahap I reaksi enzimatik. Dengan asumsi ini, Persamaan [13.17] dapat diintegrasikan. eskipun asumsi ini tidak sepenuhnya benar. Ikatan nonkovalen antara enzim kompleks substrat ES dikenal dengan ompleks ichaelis. 2. Asumsi eadaan Steady State Gambar 2 mengilustrasikan kurva peningkatan variasi partisipasi-partisipasi dalam melangsungkan model reaksi di bawah kondisi psikologi umum bahwa substrat berada dalam keadaan berlebihan terhadap enzim. Dengan pengecualian tingkat awal reaksi yang disebut fase translent, dimana biasanya 2003 Digitized by USU digital library 4

5 dalam beberapa mili second dari pencampuran enzim dan substrat, [ES] menunjukkan hasil yang lebih kurang konstan sampai substrat tersebut hampir habis. Dengan demikian kecepatan sintesa ES harus sama dengan kecepatan yang dibutuhkan selama reaksi berlangsung yaitu, [ES] tetap pada keadaan steady state. Gambar 2. urva komponen-komponen dari reaksi sederhana ichaelis enten. Perhatikan bahwa dengan pengecualian fase transient dari reaksi yang mana muncul sebelum arsiran kotak, slope-slope dari kurva [E] dan [ES] secara esensial nol selama [S] >> [E] T (diantara arsiran kotak tersebut) Untuk itu dapat diasumsikan dengan derajat akurasi yang berdasar bahwa ES adalah konstan, sehingga d[es] dt = 0 [1.4] Ini dinamakan asumsi steady state yang pertama kali diusulkan oleh G.E. Briggs dan James B.S. Haldane pada tahun Untuk penggunaannya, persamaan kinetika untuk seluruh reaksi harus dirancang dalam rangka untuk pengukuran kuantitatip. Jumlah [ES] dan [E] umumnya tidak dapat ditentukan secara langsung tetapi konsentrasi total enzim, biasanya langsung dapat ditentukan. [E] T = [E] + [ES] [1.5] Persamaan kecepatan reaksi enzimatis dapat diterangkan seperti dibawah ini. Dengan menggabungkan persamaan [1.2] dengan asumsi keadaan steady state, persamaan [1.4], dan kondisikan konservasi, persamaan [1.5] akan menghasilkan : k 1 ([E] T [ES])[S] = (k -1 + k 2 )[ES] persamaan di atas diubah jadi [ES](k -1 + k 2 + k 1 [S] = k 1 [E] T [S] Dengan membagi kedua sisi dengan k 1 dan diperoleh persamaan untuk [ES] 2003 Digitized by USU digital library 5

6 [E] [ES] = [S] [S] dimana dikenal dengan konstanta ichaelis yang didefinisikan T + k + k 1 2 = [1.6] 1 eterangan mengenai pentingnya konstanta ini akan didiskusikan di bawah ini. Permulaan kecepatan reaksi dari persamaan [1.1] dapat dinyatakan sebagai hasil pengukuran kuantitas [E] T dan [S] secara experimental o d[p] = dt t = 0 = k [Es] = 2 k 2[E] T[S] + [S] V [1.7] egunaan dari kecepatan awal (secara operasional sebagai kecepatan yang diukur sebelum lebih dari -10% substrat diubah jadi produk) lebih daripada meminimalkan kecepatan seperti faktor-faktor komplikasi sebagai efek reaksi reversibel, inhibisi enzim oleh produk, dan inaktivasi progresif dari enzim. ecepatan maksimal reaksi, V max, terjadi pada konsentrasi substrat yang tinggi ketika enzim telah tersaturasi, yaitu ketika secara keseluruhan telah berubah jadi bentuk ES. V max = k 2 [E] T [1.8] Jadi dengan mengkombinasikan persamaan [1.7] dan [1.8] diperoleh V V [S] max o = [1.9] + [S] Rumus ini, adalah persamaan ichaelis enten yang merupakan persamaan dasar dari kinetika enzim. Ini menggambarkan hyperbola rectangular seperti yang di plot pada gambar 3 (meskipun kurva ini dirotasi pada 45 o dan ditranslasikan ke bentuk asli dengan rujukan contoh hiperbola yang terlihat pada kebanyakan teks aljabar dasar). Fungsi saturasi untuk pengikatan O 2 ke myoglobin, memiliki bentuk fungsional yang sama. Signifikan dari onstanta ichaelis enten onstanta ichaelis, memiliki definisi operasional yang sederhana. Pada konsentrasi substrat dimana [S] =, Gambar 3. Suatu plot dari kecepatan (V o ) dari suatu reaksi ichaelis enten yang sederhana versus konsentrasi substrat [S]. Titik-titik di plotkan pada 0,5 interval-interval konsentrasi substrat antara 0,5 m dan Digitized by USU digital library 6

7 Tabel 1-1. Harga-harga dari, k, CAT dan k, CAT / untuk beberapa enzim dan substrat Enzyme Substrate () CAT (S -1 ) cat / ( -1 S -1 Acetylcholines terase Carbonic anhydrase Catalase Chymotripsin Fumarase Acetylcholine CO 2 HCO 3 H 2 O 2 N-Acetylglycine ethyl ester N-Acetylvaline ethyl ester N-Acetyltyrosine ethyl ester Fumarate 9,5 x ,2 x ,6 x ,5 x ,4 x ,8 x ,6 x ,0 x ,5 x ,5 x ,4 x ,0 x ,0 x ,0 x ,1 x ,7 x ,9 x ,0 x ,0 x ,0 x ,5 x ,3 x ,5 x ,0 x ,2 x ,9 2,9 x ,6 x ,6 x ,0 x 10 5 Urease alate Urea Persamaan [1.9] menghasilkan V o = V max /2 sehingga adalah konsentrasi substrat dimana kecepatan reaksi adalah ½ dari maksimal. Untuk itu apabila suatu enzim memiliki nilai kecil maka akan mencapai efisiensi katalitik yang maksimal pada konsentrasi substrat yang rendah. agnitudo bervariasi secara luas dengan identitas enzim dan sifat alamiah substrat (Tabel 1-1). Ini juga merupakan fungsi temperatur dan ph (lihat bagian 1-4). onstanta ichaelis (persamaan 1.6) dapat dinyatakan sebagai : k k + k = + = s [1.10] k1 k1 k1 karena s adalah konstanta disosiasi kompleks ichaelis, jika s menurun, afinitas enzim untuk substrat meningkat. untuk itu juga merupakan ukuran afinitas enzim terhadap substrat dengan maka k 2 < k -1. k k 2 1 lebih kecil dibandingkan dengan s, 2003 Digitized by USU digital library 7

8 B. Analisis Data inetik Ada beberapa metode untuk menentukan nilai-nilai dari parameterparameter persamaan ichaelis enten. Gambar 4. Suatu Plot resiprok ganda (Lineweaver Burk) dengan garis-garis kesalahan ± 0,05 V max. Titik-titik tersebut sama dengan Gambar 3. perhatikan bahwa pengaruh yang besar dari kesalahan kecil pada [S] kecil (1/[S] besar) dan kumpulan padat titik-titik [S] besar. Pada harga [S] yang besar, kecepatan awal V o secara asimtot mendekati V max. Dalam prakteknya, namun, sangat sukar untuk memperoleh V max secara akurat dari plot-plot V o versus [S] secara langsung seperti pada Gambar 4. Bahkan pada konsentrasi substrat yang tinggi seperti [S] = 10., persamaan [1.9] mengindikasikan bahwa V o hanya 91% dari V max sehingga nilai terekstrapolasi dan asimtot tersebut akan hampir tidak dapat diestimasi secara pasti. etode yang lebih baik untuk menentukan nilai-nilai V max dan yang disusun oleh Hans Lineweaver dan Dean Burk, menggunakan resiprokal persamaan [1.9]. I V o V max + I [S] Ini merupakan persamaan linear dalam + I V max I V o dan [1.11] I. Apabila kuantitas-kuantitas [S] ini di plotkan, yang disebut dengan plot resiprok ganda atau Lineweaver Burk, slop dari garis tersebut adalah / V max, Interep I/V o adalah I/V max dan intersep ekstrapolasi 1/[S] adalah 1 (Gambar 4). erugian dari plot ini adalah kebanyakan pengukuran-pengukuran eksperimen dalam [S] besar sehingga sangat padat pada sisi kiri dari grafik. Lebih lanjut untuk nilai [S] yang kecil, kesalahan-kesalahan kecil dalam V o akan mengakibatkan kesalahan-kesalahan besar dalam I/V o dan tentu juga kesalahan-kesalahan besar pada dan V max. Beberapa tipe plot yang lain masing-masing dengan keuntungan dan kerugiannya telah disusun untuk menentukan V max dan dari data kinetik. Dengan dukungan kecanggihan komputer, data-data kinetik pada umumnya dianalisa secara perlakuan-perlakuan statistika matematika yang rumit. Terlepas dari itu, plot Linearweaver Burk adalah baik untuk presentasi visual data kinetik sejalan 2003 Digitized by USU digital library 8

9 dengan kegunaannya dalam analisa data kinetik dari enzim yang memerlukan lebih dari satu substrat. CAT / adalah ukuran efisiensi katalitik Suatu parameter kinetika enzim merupakan suatu ukuran dari efisiensi katalitiknya. onstanta katalitik dari suatu enzim dapat didefenisikan sebagai: v max CAT = [1.12] [E] T Jumlah (kuantitas) ini dikenal juga dengan angka turn over dari suatu enzim karena merupakan nilai proses reaksi (turn over) dimana tiap daerah aktif dapat mengkatalisis persatuan waktu. Angka turn over ini untuk enzim-enzim tertentu diberikan pada Tabel 1-1. Perhatikan bahwa kuantitas-kuantitas ini bervariasi hampir pada delapan bagian dari magnitudo tergantung pada identitas enzim dan juga substratnya. Persamaan ini [1.8] mengindikasikan bahwa untuk model ichaelis enten, k CAT = k 2. Untuk enzim-enzim dengan mekanisme yang lebih rumit, k CAT dapat berupa fungsi dari beberapa tingkat reaksi. Bila [S] <<, sangat sedikit [ES] dibentuk. Akibatnya [E] [E] T sehingga persamaan [13.22] berubah membentuk persamaan tingkat reaksi orde dua. k k 2 CAT V o [E] [S] [E][S] T [1.13] CAT / adalah konstanta tingkat reaksi orde dua dari reaksi enzimatis, tingkat reaksi bervariasi secara langsung terhadap seberapa sering enzim dan substrat bergabung satu sama lain dalam larutan. uantitas k CAT / untuk itu merupakan ukuran efisiensi katalistik enzim. Beberapa Enzim emiliki esempurnaan erja atalitik Apakah ada batas teratas dari efisiensi katalitik enzim? Dari persamaan [1.6] ditemukan k k k k CAT = = [1.14] k1 + k 2 Ratio (perbandingan) ini adalah maksimal bila k 2 >> k -1 ; yaitu, ketika pembentukan produk dari ichaelis kompleks [ES] adalah lebih cepat daripada dekomposisi kembali menjadi substrat dan enzim. aka k CAT / = k 1, konstanta kecepatan orde kedua untuk pembentukan ES. 1 tentunya tidak boleh lebih besar daripada frekuensi dimana enzim dan substrat bertubrukan satu sama lain dalam larutan. Batas kontrol difusi ini berkisar dari 10 8 sampai s -1. Sehingga enzim-enzim dengan nilai-nilai seperti itu dari k CAT / harus mengkatalisa suatu reaksi yang hampir setiap waktu enzim tersebut bergabung dengan molekul substrat.tabel 1-1 mengindikasikan beberapa enzim seperti katalase, asetil kolinesterase, fumarase dan kemungkinan karbonik anhidrase telah mencapai kesempurnaan tingkat katalitik. Oleh karena daerah aktif suatu enzim secara umum hanya mengikat suatu fraksi kecil dari total permukaan daerah, bagaimana suatu enzim mengkatalisa suatu reaksi tiap waktu bila bergabung dengan molekul substrat?. Walaupun jawaban ini belum jelas, bukti struktural dan teoritical telah dikumpulkan untuk menduga bahwa pengaturan grup-grup bermuatan pada permukaan enzim berhubungan dengan petunjuk substrat polar secara elektrostatistik terhadap daerah-daerah aktif enzim.. C. Reaksi Balik odel ichaelis enten secara implisit mengasumsikan bahwa reaksi balik enzimatik mungkin dapat diabaikan. Banyak reaksi enzimatik yang mempunyai daya reversibel (dapat balik) tinggi (yang memiliki energi radiasi bebas yang kecil), dan oleh karena itu memiliki produk yang dapat bereaksi kembali membentuk substrat pada kecepatan yang tertentu. Dalam bagian 2003 Digitized by USU digital library 9

10 ini dapat dilihat batasan ichaelis enten tanpa reaksi balik dan dengan demikian, akan menemukan beberapa hal yang menarik dan prinsip kinetik yang penting. odel Satu Perantara odifikasi dari model ichaelis enten adalah memadukan hasil reaksi kembali seperti pada skema reaksi. E + S k 1 k- 1 ES 2 k- 2 P + E (Disini ES adalah disebut EP karena model ini tidak menspesifikasikan sifat dari kompleks perantara). Persamaan yang menjelaskan perilaku kinetik dari model ini, dinyatakan sebagai : dimana : v V f max s 1 + [S] [S] s V r max P [P] = [1.15] [P] + P f r V max = k 2[E] T Vmax = k 1[E] T dan P = k [E] T = [E] + [ES] 1 + k 2 k 2 Ini merupakan persamaan ichaelis enten yang sangat penting yang bekerja secara bolak balik. Dalam hal ini, pada [P] = 0, maka bila V = V o, persamaan ini menjadi persamaan ichaelis enten. Hubungan Haldane Pada kesetimbangan, V = 0 sehingga persamaan [1.15] dapat diuraikan sehingga menghasilkan : [P] eq = [S] V V f max r max P s = [1.16] yang dikenal sebagai hubungan Haldane. Hubungan ini menunjukkan bahwa parameter kinetika dari reaksi bolak balik yang dikatalisasikan secara enzimatik adalah bukan tidak tergantung pada satu sama lain. Lebih dari itu, ini saling dihubungkan oleh konstanta kesetimbangan untuk keseluruhan reaksi yang tentu saja adalah bersifat independen pada keberadaan enzym. Data inetik Tidak Dapat enentukan ekanisme Reaksi Enzim yang membentuk senyawa reversibel dengan substratnya haruslah dalam hal ini, mempunyai mekanisme seperti : E + S k 1 k- 1 ES 2 k- 2 EP Persamaan yang menjelaskan perilaku kinetik dari kedua model perantara ini, yang turunannya adalah analog terhadap apa yang diuraikan dalam Lampiran A untuk satu model perantara, yaitu memiliki bentuk yang identik f r s P dengan persamaan [1.15]. Namun, parameternya k 3 k- 3 P + E V V,, dan max, max 2003 Digitized by USU digital library 10

11 didefinisikan dalam pengertian enam konstanta kinetika dari model dua perantara dari pada empat dari model satu perantara. Dalam kenyataan, persamaan kecepatan kondisi tunak untuk reaksi reversibel dengan tiga perantara atau lebih juga memiliki bentuk yang sama tetapi dengan definisi yang berbeda dari empat parameter. f r s P Nilai V max, Vmax,, dan dalam pers [1.15] dapat ditentukan dengan manipulasi yang sesuai dari substrat awal dan konsentrasi produk di bawah kondisi tunak. Ini, tentu saja tidak menghasilkan nilai konstanta untuk model dua perantara karena terdapat enam konstanta dan hanya empat persamaan yang menjelaskan hubungannya. Lebih lanjut pengukuran kinetik kondisi tunak tidak mampu untuk membedakan jumlah perantara dalam reaksi enzimatik reversibel karena bentuk pers [1.15] tidak berubah dengan jumlah perantara. Identitas fungsional dari persamaan ini menjelaskan skema reaksi yang mungkin dapat dipahami dalam pengertian analogi antara model reaksi reversibel n-perantara dan kotak hitam yang mengandung sistem pipa air dengan satu inlet dan satu drain : Pada kondisi tunak, yaitu setelah pipa terisi dengan air, seseorang dapat mengukur hubungan antara tekanan input dan aliran output. Namun, berbagai pemeriksaan tidak menghasilkan informasi menyangkut konstruksi yang lebih rinci dari plumbing yang menghubungkan inlet dengan drain. Ini memerlukan informasi tambahan seperti pembukaan kotak hitam dan penelusuran pipa. Demikian juga pengukuran kinetika kondisi tunak dapat memberikan uraian fenomenologi dari perilaku enzim, tetapi sifat alamiah dari perantara ini masih tetap tidak dapat ditentukan. Lebih dari itu, intermediasi atau perantaraan ini haruslah terdeteksi dan dikarakterisasi dengan cara independen seperti analisis spektroskopik. Pembahasan ini terus menyoroti prinsip utama dari analisis kinetika : Analisis kinetika kondisi tunak dari reaksi, tidak dapat menentukan dengan jelas mekanismenya. Ini karena permasalahan tidak sederhana, elegan atau rasional dari mekanisme salah satu postulat yang dihitung dari data kinetika, juga adanya jumlah tak terbatas dari mekanisme alternatif, yang barangkali rumit, janggal, dan terlihat irasional, yang dapat dihitung untuk data kinetika yang ada. Biasanya ini lebih sederhana dan mekanisme elegan yang akan menghasilkan kebenaran, tetapi ini tidak selalu menjadi kasus. Jika data kinetika tidak sesuai dengan mekanisme yang dihasilkan, maka mekanisme harus ditolak. Oleh karena itu, meskipun kinetika tidak dapat digunakan untuk mekanisme yang tidak jelas tanpa data yng sesuai, seperti percobaan fisika dari eksistensi perantara, analisis kinetika kondisi tunak mempunyai arti yang besar besar karena dapat digunakan untuk menghilangkan mekanisme yang diajukan. 3. INHIBISI Banyak bahan mengubah aktivitas dari suatu enzim dengan menggabungkannya dalam suatu jalur yang mempengaruhi ikatan substrat dan/atau nilai turn-over Digitized by USU digital library 11

12 nya. Bahan bahan yang mereduksi aktivitas suatu enzim dengan cara ini dikenal sebagai inhibitor. Banyak inhibitor berupa bahan bahan yang secara struktural menyerupai substrat enzimnya tetapi salah satunya tidak bereaksi atau bereaksi dengan sangat lambat dibandingkan dengan substrat. Inhibitor-inhibitor seperti ini pada umumnya digunakan untuk menyelidiki sifat kimia dan sifat konformasi alami dari suatu daerah (site) ikatan substrat sebagai bagian dari suatu usaha untuk mengelusidasi mekanisme katalisis enzim tersebut. Sebagai tambahan, banyak inhibitor enzim efektif sebagai bahan kemoterapi karena suatu analog substrat tidak alami dapat menghalangi aksi dari suatu enzim spesifik. Sebagai contohnya, methotrexate (juga disebut amethopterin) secara kimiawi menyerupai dihidrofolat. ethotrexate berikatan kuat dengan enzim dihydrofolate reduktase, sehingga dengan demikian mencegahnya dari fungsi normalnya, reduksi dari dehidrofolat menjadi tetrahidrofolat, suatu kofaktor esensial dalam biosintesis dari prekursor DNA asam thymidylic. O C NHCHCH 2 CH 2 COO - COO - HN O CH 2 NH H 2 N N N H H H Dihydrofolate Dihydrofolate reductase 2003 Digitized by USU digital library 12

13 Pembelahan sel-sel yang cepat seperti sel kanker, yang mana secara aktif berkaitan dengan sintesis DNA adalah jauh lebih rentan terhadap methotrexate daripada pertumbuhan sel-sel yang lambat seperti halnya kebanyakan jaringan sel normal mamalia. Untuk itu, methotrexate, bila diatur dalam dosis yang sesuai, akan membunuh sel-sel kanker tanpa secara fatal meracuni tubuh pemiliknya. Ada berbagai mekanisme dimana inhibitor enzim dapat bekerja. Dalam bahagian ini, akan dibicarakan beberapa mekanisme serupa yang paling sederhana dan efeknya pada perilaku kinetik enzim yang mengikuti model ichaelis enten. Inhibisi ompetitif Suatu bahan yang berkompetisi secara langsung dengan suatu substrat normal untuk suatu daerah (site) ikatan enzim dikenal dengan suatu inhibitor kompetitif. Inhibitor seperti ini biasanya menyerupai substrat dimana secara spesifik mengikat daerah aktif tetapi bila berbeda darinya sehingga menjadi tidak reaktif. Untuk itu, methotrexate merupakan suatu inhibitor kompetitif dari dihidrofolat reduktase. Sama seperti suksinat dehidrogenase, suatu enzim siklus asam sitrat, yang berfungsi untuk mengubah suksinat menjadi fumarat, secara kompetitif di inhibisi oleh malonat, dimana secara strukturnya menyerupai suksinat tetapi tidak dapat terdehidrogenasi. COO - CH 2 CH 2 succinate dehydrogenase - OOC C H C H COO - COO - Succinate Fumarate COO - CH 2 COO - succinate dehydrogenase NO REACTION Efektivitas malonat dalam menginhibisi kompetitif suksinat dehidrogenase secara kuat menyatakan bahwa daerah (site) ikatan substrat enzim diatur untuk mengikat kedua grup substrat karboksilat, barang kali melalui pengaruh kira kira tempat dua muatan positif residu. odel umum untuk inhibisi kompetitif diberikan pada skema reaksi di bawah ini : E + S + I k 1 k- 1 ES 2 P + E EI + S NO REACTION Diasumsikan bahwa I, inhibitor akan berikatan secara reversibel kepada enzim dan dicapai kesetimbangan dengan cepat sehingga : 2003 Digitized by USU digital library 13

14 [E][I] I = [1.17] [EI] dan EI, kompleks enzim inhibitor, secara katalitik tidak aktif. Suatu inhibitor kompetitif untuk itu bekerja dengan mereduksi konsentrasi enzim bebas yang tersedia untuk mengikat substrat. Tujuan sebelumnya adalah untuk mengekspresikan V o dalam ukuran kuantitas; dalam hal [E] T, [S] dan [I]. Dimulai dalam kondisi konservatif dari turunan persamaan ichaelis enten, yang mana sekarang harus dihitung dengan adanya EI. [E] T = [E] + [EI] + [ES] [1.18] onsentrasi enzim dapat dinyatakan sebagai [ES] dengan mengatur kembali persamaan [1.2] di bawah kondisi tunak (steady-state). [ES] [ E] = [1.19] [S] ompleks enzim inhibitor diperoleh dengan mengatur kembali persamaan [1.17] dan mensubstitusi persamaan [1.19] ke dalamnya. [E][I] [ EI] = [ES][I] = [1.20] I [S] I Dengan mensubstitusi kedua hasil sebelumnya dalam persamaan [1.18] diperoleh : [E] T = [I] [Es] [S] I dimana dapat diperoleh [ES] dengan mengatur kembali persamaan tersebut [ES] = [E] T[S] [I] [S] I maka, menurut persamaan [1.7], kecepatan awal dinyatakan dengan : V Lalu mengingat bahwa : o k [ES] = 2 k 2[E] T[S] [I] [S] I = [1.19] 1 + [I] = I dan V max = k 2 [E] T seperti persamaan [13.23] α [1.20] Vmax[S] Vo = [1.21] α + [S] 2003 Digitized by USU digital library 14

15 Gambar 5. Suatu plot kecepatan V o dari reaksi ichaelis enten sederhana versus konsentrasi substrat [S] dengan adanya perbedaan konsentrasi dari inhibitor kompetitif. Ini adalah persamaan ichaelis enten dengan dimodulasikan dengan α, suatu fungsi konsentrasi inhibitor (yang menurut persamaan [1.20], harus bernilai 1. Nilai dari [S] pada V o = V max /2 adalah α. Gambar 5 menunjukkan plot hiperbola persamaan [1.21] untuk variasi nilai α. Perhatikan bahwa pada [S]!, V o! V max untuk setiap nilai α Semakin besar nilai α, semakin besar pula [S] harus mencapai nilai V max. Untuk itu, inhibitor tidak mempengaruhi nilai turn-over dari enzim. Hal ini lebih kepada keberadaan I memiliki pengaruh mengakibatkan [S] menjadi lebih encer daripada kenyataannya, atau secara alternatif membuat menjadi lebih besar daripada kenyataannya. Sebaliknya peningkatan [S] mengubah kesetimbangan ikatan substrat terhadap ES. Dengan demikian, terdapat kompetisi sebenarnya antara I dan S untuk daerah (site) ikatan enzim substrat; ikatannya adalah mutually exclusive. Dengan merujuk pada persamaan [1.21] dalam bentuk resiprok ganda diperoleh persamaan : I V 1 1 = α o V + [1.22] max [S] Vmax Suatu plot dari persamaan ini linier dan memiliki slope α / V max, intersep dari 1/[S] adalah -1/α, dan intersep dari 1/V o adalah 1/V max (Gambar 6). Plot resiprok ganda untuk inhibitor kompetitif pada variasi konsentrasi I berpotongan pada 1/V max dalam aksis 1/V o ; ini diagnose untuk inhibisi kompetitif untuk membandingkan dengan tipe-tipe inhibisi lain. Dengan menentukan nilai-nilai α pada berbagai konsentrasi inhibitor yang berbeda-beda, nilai i dapat dibentuk dari persamaan [1.20]. Dengan cara ini, inhibitor-inhibitor kompetitif dapat digunakan untuk menyelidiki struktur alamiah dari suatu daerah (site) aktif. Sebagai contoh untuk menunjukkan pentingnya berbagai segmen dari suatu molekul ATP untuk berikatan dengan daerah (site) aktif dari enzim ATP yang diperlukan, salah satu dapat menentukan I, seperti, untuk ADP, A (adenosan monofosfat), ribosa, trifosfat dan lain-lain. Oleh karena banyak komponen ATP ini secara katalitik tidak aktif, penelitian tentang inhibisi adalah bagian yang paling sesuai untuk memonitor ikatannya terhadap enzim Digitized by USU digital library 15

16 Apabila inhibitor mengikat enzim secara irreversibel, inhibitor tersebut digolongkan sebagai suatu inaktivator seperti bahan apapun yang pada dasarnya mengnon-aktifkan enzim. Inaktivator benar benar mereduksi level efektif [E] T pada semua nilai [S]. Gambar 6. Suatu plot Lineweaver Burk dari inhibisi ichaelis enten secara kompetitif enzim dalam Gambar 5. Perhatikan semua garis berpotongan pada I/V o aksis pada I/V max Inhibisi Non-ompetitif Dalam inhibisi non-kompetitif, inhibitor mengikat secara langsung ke kompleks enzim-substrat tetapi tidak ke enzim bebas. Tingkat peningkatan inhibitor, yang mana memiliki konstanta disosiasi, [ES] [I] I = [1.23] [ESI] diasumsikan pada tingkat kesetimbangan. Ikatan inhibitor non-kompetitif, yang mana tidak perlu menyerupai substrat, bayangkan mengakibatkan distorsi struktural dari daerah aktif, sehingga mengakibatkan enzim secara katalitik tidak aktif. (Apabila inhibitor berikatan dengan enzim sendiri, inhibitor tersebut juga bertindak seperti itu tanpa mempengaruhi affinitasnya terhadap substrat) Digitized by USU digital library 16

17 Gambar 7. Suatu plot Lineweaver Burk dari suatu enzim ichaelis enten sederhana dengan kehadiran inhibitor nonkompetitif. Perhatikan bahwa semua garis memiliki slope identik / V max. Persamaan ichaelis enten untuk inhibisi non-kompetitif yang diturunkan, adalah : dimana, V o Vmax[S] ' α + α [S] = [1.24] = 1 + [I] ' α [1.25] ' I Penyelidikan terhadap persamaan ini menunjukkan bahwa pada nilai [S] yang tinggi, V o adalah mendekati V max /α secara asimptomatik sehingga berbeda dengan inhibitor kompetitif, efek dari inhibisi yang tidak kompetitif pada V max adalah tidak dapat balik oleh peningkatan konsentrasi substrat. Namun, pada konsentrasi substrat yang rendah, dalam hal ini, bila [S] <<, maka pengaruh inhibisi yang tidak kompetitif menjadi dapat diabaikan, juga perilaku (sifat) yang berlawanan dari inhibisi kompetitif. Bila dibentuk dalam persamaan resiprok ganda, persamaan [1.24] menjadi : I V I α ' = o V + max [S] Vmax [1.26] Plot Lineweaver-Burk untuk inhibisi (hambatan) yang tidak kompetitif adalah liner dengan kemiringan atau slope /V max seperti di dalam reaksi yang tidak terhambat, dan dengan yang memotong 1/V o dan 1/[S] berupa α /V max dan -α /. Serangkaian plotlineweaver-burk pada berbagai konsentrasi inhibitor yang tidak kompetitif terdiri dari serangkaian garis parallel (gbr.7). Ini adalah dignosa untuk inhibisi yang tidak kompetitif. Inhibisi yang tidak kompetitif menyatakan bahwa inhibitor ini akan mempengaruhi fungsi enzym tetapi tidak terhadap ikatan dengan substrat. Untuk enzim dengan substrat tunggal, sangat sulit untuk mengemukakan bagaimana hal ini terjadi dengan pengecualian terhadap inhibitor kecil 2003 Digitized by USU digital library 17

18 seperti proton atau ion logam. Sebagaimana diketahui bahwa, inhibisi yang tidak kompetitif adalah sangat penting bagi enzim dengan multisubstrat. C. Inhibisi Campuran Jika baik enzim dan senyawa substrat-enzim mengikat inhibitor, maka model berikut ini akan dihasilkan : E+S == ES! P + E + + I I 1 1 EI ESI! Tanpa reaksi edua langkah pengikatan inhibitor ini dianggap terjadi pada kesetimbangan tetapi dengan konstanta disosiasi yang berbeda : [E][I] dan [EI] ' I I = [ES][I] [ESI] = [1.27] Fenomena ini adalah dikenal sebagai inhibisi campuran (mixed inhibition )atau inhibisi yang tidak kompetitif (non competitive inhibition). emungkinan, inhibisi campuran berikatan dengan bahagian (site) enzim yang ikut serta baik dalam pengikatan substrat dan katalisator. Persamaan ichaelis enten untuk inhibisi campuran adalah : V o Vmax[S] = [1.28] α ' + a [S] Dimana α dan α telah didefinisikan dalam pers [1.20] dan [1.25]. Juga dapat dilihat dari persamaan [1.28] bahwa nama dari inhibisi campuran muncul dari fakta bahwa denominator merupakan faktor α yang dikalikan seperti dalam inhibisi kompetitif, (persamaan [1.21]) dan faktor α dikali dengan [S] seperti dalam inhibisi tidak kompetitif (persamaan [1.24]). Inhibisi campuran ini akan efektif, baik dalam konsentrasi substrat yang tinggi dan rendah. Persamaan Lineweaver Burk untuk penghambatan campuran adalah : 2003 Digitized by USU digital library 18

19 I V α I α ' = o V + max [S] Vmax [1.29] Plot dari persamaan ini terdiri dari garis yang memiliki kemiringan (slope) α /V m dengan perpotongan terhadap 1/V o,adalah α /Vmax dan perpotongan terhadap 1/[S] adalah -α /αm. anipulasi aljabar dari persamaan [1.29] untuk nilai yang berbeda dari [I] menunjukkan bahwa persamaan ini menjelaskan kumpulan garis yang memotong sisi kiri dari sumbu 1/V o (Gambar 8 ); untuk kasus khusus dimana 1 = 1 (α=α ), perpotonganya adalah pada aksis 1/[S]. Tabel 2 memberikan ringkasan dari hasil awal yang melibatkan inhibisi ichaelis - enten sederhana. Persamaan dan V max adalah nilai yang terlihat dari dan V max yang secara actual diamati dengan adanya inhibitor untuk persamaan ichaelis enten yang menjelaskan enzim yang dihambat. 4. Efek ph Enzim, berupa protein, memiliki sifat yang sensitive terhadap ph. Sebagian protein adalah hanya aktif di dalam trayek ph sempit, umumnya 5 hingga 9. Ini adalah merupakan hasil pengaruh dari ph atas kombinasi faktor (1) ikatan dari substrat ke enzim (2), aktivitas katalitik dari enzim, (3) ionisasi substrat dan (4) variasi struktur protein ( biasanya signifikan hanya pada ph yang cukup tinggi). etergantungan ph dari enzym ichaelis enten Sederhana ecepatan awal untuk reaksi enzimatik memperlihatkan kurva berbentuk lonceng sebagai fungsi ph (gbr. 9). urva ini memperlihatkan ionisasi dari berbagai residu asam amino yang harus ada di dalam kondisi ionisasi spesifik untuk kegiatan enzim. odel berikut ini dapat dipakai untuk berbagai pengaruh ph. Dalam pengembangan mekanisme reaksi satu substrat sederhana tanpa balik, akan dianggap bahwa hanya EH dan ESH yang aktif mengkatalisa. Persamaan ichaelis enten untuk model ini adalah : V max [S] V o = [1.30] max + [S] Disini parameter ichaelis enten didefinisikan sebagai 2003 Digitized by USU digital library 19

20 V max = V max / f 2 dan = ( f 1 /f 2 ) Dimana : [ H + ] E 2 f 1 = E 1 [H + ] [H + ] ES 2 f 2 = ES 1 [H + ] dan V max dan merujuk pada bentuk aktif dari enzim, EH dan ESH. Sebagai catatan bahwa pada ph tertentu, persamaan [1.30] merupakan persamaan sederhana dari ichaelis enten, tetapi karena ketergantungan ph dari f 1 dan f 2, V o bervariasi dengan ph dalam bentuk lonceng. Evaluasi onstanta Ionisasi onstanta ionisasi dari enzym yang mengikuti persamaan [1.30] dapat dievaluasi dengan analisis kurva dari log V max versus ph, yang memberikan nilai ES1 dan ES2 (gbr 10a) dan log (V max / ) versus ph yang menghasilkan E1 dan E2. (gbr 10b). Tentu saja ini menunjukkan penentuan parameter ichaelis enten dari serangkaian ph yang berbeda. Ukuran p s ini sering menjadi petunjuk berharga untuk mengidentifikasi residu esensial dari asam amino karena aktivitas enzimatik. isalnya, ukuran p ~4 menyatakan bahwa residu Asp atau Glu adalah ensensial bagi enzim. Sama juga, untuk p s ~ 6 atau ~ 10 menyatakan partisipasi dari residu His atau Lys secara berturutan. 2. etabolisme etabolisme adalah suatu proses reaksi kimia yang terjadi di dalam mahluk hidup, mulai dari mahluk bersel satu yang sangat sederhana seperti bakteri, jamur, tumbuhan, hewan sampai manusia. Di dalam proses ini mahluk hidup mendapat, mengubah, dan memakai senyawa kimia dari sekitarnya untuk kelangsungan hidupnya. elangsungan reaksi kimia di dalam metabolisme dari 2003 Digitized by USU digital library 20

21 permulaan sampai ke suatu hasil akhir disebut jalur metabolisme. (pathway). Senyawa yang terbentuk selama jalur metabolisme berlangsung disebut senyawa antara (intermediate). etabolisme meliputi proses sintesis (anabolisme) dan proses penguraian (katabolisme) senyawa atau komponen di dalam sel hidup. elalui jalur anabolisme terbentuk senyawa. Diperlukan sejumlah energi supaya proses anabolisme terjadi. Reaksi kimia yang terjadi meliputi sintesis dari ikatan C-C- (sintesa asam lemak), ikatan CO-N- (sintesa protein), ikatan C-N- (sintesis urea), dan ikatan C-O- (sintesa trigliserida) memerlukan energi. Unsur kimia dan senyawa digunakan untuk membentuk senyawa baru yang lebih besar. Sebaliknya melaui jalur katabolisme akan terjadi penguraian senyawa menjadi komponen yang lebih kecil. isalnya, katabolisme glukosa akan terurai menjadi karbon dioksida (CO 2 ) dan air (H 2 O). Di dalam proses katabolisme sejumlah energi dilepaskan; sebagian dipakai oleh sel dan sisanya hilang sebagai panas. Produksi energi untuk keperluan sel terjadi dalam tiga tahap; (1) molekul-molekul besar komponen makanan seperti protein, pati, lemak dipecah selama proses pencernaan dan penyerapan menjadi molekul-molekul yang lebih kecil seperti asam amino, monosakarida dan asam lemak, (2) sebagian besar molekul-molekul yang lebih sederhana ini selanjutnya diuraikan menjadi senyawa antara (intermediate) yang terdiri dari dua atom karbon yakni asam asetat (CH 3 COOH dan (3) asam asetat dipecah menjadi air dan karbon dioksida. Elektron dan ion hidrogen yang dilepaskan selama proses metabolisme ini disumbangkan ke atom oksigen membentuk air. Sebahagian energi yang dihasilkan di dalam proses katabolisme ini memicu sintesa adenosin tripospat (ATP). ATP adalah energi di dalam suatu bentuk yang digunakan sel. etiga tahapan katabolisme ini dapat dilihat seperti di dalam Gambar 11 berikut. arbohidrat Lemak Protein glukosa asam lemak asam amino alkohol siklus sitrat ATP e CO 2 CO 2 H 2 O ½O 2 Rantai transportasi elektron Gambar. 9. Ikhtisar umum dari katabolisme(wardlaw & essel, 2002) 2003 Digitized by USU digital library 21

22 D. Energi untuk sel Energi yang digunakan oleh manusia bersasal dari ikatan kimia yang terdapat diantara atom di dalam karbohidrat, protein, lemak dan alkohol. Energi tersebut terbentuk selama proses fotosintesa pada saat tanaman menggunakan energi matahari untuk membentuk glukosa dan senyawa organik lainnya. Reaksireaksi kimia di dalam fotosintesa membentuk senyawa yang mengandung lebih banyak energi daripada di dalam karbon dioksida dan air. Badan manusia akan mengubah energi ikatan kimia yang terjerat di dalam karbohidrat, lemak, protein menjadi energi dalam bentuk lain yakni: (1) Energi kimia yang membantu senyawa baru seperti glikogen dari molekulmolekul monosakarida (2) Energi mekanik yang menggerakkan otot (3) Energi osmotik yang mempertahankan kesetimbangan ion di dalam selsel. Hasil samping dari transformasi energi ini adalah CO 2, H 2 O dan panas. Bentuk energi yang digunakan sel untuk proses kimia, listrik, mekanik dan osmotik umumnya adalah ATP. Untuk melepaskan energi dari ATP, sel memecahkannya menjdi adenosin dipospat (ADP) plus Pi, gugus pospat anorganik yang bebas. ADP dapat juga dipecah menjadi adenosin monopospat (AP) plus Pi untuk menghasilkan energi di dalam otot yang berekasi agar mampu bekerja selama latihan yang intensif pada saat ATP terbatas (ADP + ADP ATP + AP). Jalur metabolisme terdapat di dalam setiap sel yang dapat menggabungkan ADP dan Pi membentuk ATP. Suatu enzim kemudian memecahkan ikatan ATP untuk melepaskan energi untuk reaksi metabolisme. ATP sendiri sangat stabil, sehingga diperlukan suatu enzim untuk membuka energi yang tersimpan di dalam molekulnya. Selama metabolisme, suatu sel secara kontiniu memecahkan ATP di dalam suatu organel sementara pembentukan di dalam organel yang lain. Di dalam suatu sel otot yang kelelahan memiliki ADP pada konsentrasi yang tinggi sedangkan ATP dengan konsentrasi yang rendah. Jika ini terjadi, aktivitas sel otot seperti kontraksi otot dapat menurun atau berhenti. Dengan konsentrasi ATP yang rendah kemudian akan merangsang proses metabolisme yang akan menghasilkan ATP. Hanya dengan re-sintesa ATP yang dibutuhkan dapat mengaktifkan otot siap untuk melakukan fungsi selanjutnya. Reaksi oksidasi-reduksi di dalam metabolisme Reksi oksidasi-reduksi membentuk suatu hubungan yang vital diantara nutrient penghasil energi dengan pembentukan ATP. Pengertian dasar dari oksidasi dan reduksi dapat diterangkan sebagai berikut. Suatu zat dioksidasi jika zat tersebut kehilangan satu elektron atau lebih. Suatu zat direduksi jika zat tersebut memperoleh satu elektron atau lebih. Aliran elektron menentukan proses reduksi-oksidasi. Jika suatu zat kehilangan elektron (teroksidasi), zat lain harus memperoleh elektron (tereduksi). edua proses berlangsung serentak; satu dengan yang lain saling terkait. Tidak mungkin satu proses terjadi tanpa yang lainnya. Contoh proses reduksi-oksidasi sebagai berikut. Zn + Cu 2++ Zn Cu Disini, Zn telah kehilangan dua elektron (telah teroksidasi), Cu telah mendapatkan dua elektron (tereduksi). Contoh lain adalah besi di dalam hemoglobin, yang dapat teroksidasi dari Fe 2+ menjadi Fe 3+ dan reduksi dari Fe 3+ menjadi Fe 2+. Hal ini terjadi selama transportasi oksigen ke sel-sel badan. Reaksi oksidasi-reduksi yang melibatkan senyawa-senyawa karbon agak sulit menggambarkan aliran elektron seperti pada senyawa anorganik seperti contoh diatas. Suatu aturan yang sederhana telah dikembangkan untuk menentukan reaksi redoks. Jika suatu senyawa organik mengikat oksigen atau kehilangan hidrogen, zat tersebut dinyatakan teroksidasi. Jika kehilangan oksigen atau mengikat hidrogen, senyawa itu dinyatakan tereduksi. Contoh reaksi: 2003 Digitized by USU digital library 22

23 CH 3 -CH 3 oksidasi reduksi CH 3 -CH 2 -OH reduksi CH 3 -CO-CO-OH CH 3 -COH-CO-OH Asam piruvat oksidasi asam laktat etode ini menentukan oksidasi reduksi adalah dengan menentukan perobahan kandungan atau pertukaran oksigen dan hidrogen yang digunakan di dalam ilmu gizi. Reaksi reduksi-oksidasi di dalam tubuh dikendalikan oleh enzim-enzim. Satu kelompok yang penting dari enzim ini ialah disebut sebagai dehydrogenase, mampu mengusir/mengeluarkan hidrogen dari zat gizi penghasil energi atau hasil peruraiannya dan menyumbangkan hidrogen ke aseptor terakhir oksigen membentuk air. Di dalam proses ini, sejumlah besar energi dipindahkan ke ADP plus Pi membentuk ATP. Dua vitamin B, niacin dan riboflavin, membantu enzim hidrogenase, secara bergantian, berperan di dalam pemindahan hidrogen dari glukosa ke oksigen di dalam jalur metabolisme dari sel. Niacin berfungsi sebagai co-enzim nicotinamide adenin dinucleotide (NAD). Ini adalah bentuk teroksidasi yang dapat menerima dua ion hidrogen dan dua elektron membentuk NADH + H + (kelebihan ion hidrogen tetap bebas di dalam sel). Dengan kata lain, bentuk oksidasi dari niacin, NAD, direduksi membentuk NADH+ H +. Perlu diketahui bahwa NAD sebenarnya NAD +, menunjukkan kekurangan satu elektron dibandingkan dengan bentuk konfigurasi keseluruhan. Dengan menerima dua elektron dan dua ion hidrogen, NAD + menjadi NADH + H +, tanpa muatan. (uatan NAD + diabaikan untuk mempermudah pembahasan). NAD + + 2H e - NADH + H + Riboflavin berfungsi dengan peranan yang sama. Di dalam bentuk oksidasi, dikenal sebagai flavin adenine dinucleotide (FAD). Jika tereduksi (menerima dua hidrogen, ekivalen dengan dua ion hidrogen dan dua elektron), maka dikenal sebagai FADH 2. Reduksi oksigen (O) menjadi air (H 2 O) menghasilkan daya dorong untuk kehidupan, karena sangat penting untuk sel mensintesa ATP (lihat Gambar 12). aka reaksi reduksi-oksidasi merupakan satu kunci di dalam kehidupan. Gambar 12. Struktur dari adenosin trifospat dan zat-zat yang berkaitan. Bentuk ionik yang ditunjukkan merupakan bentuk berlimpah pada ph 7. ATP bekerja untuk memberi gugus fosforil kepada suatu penerima gugus fosforil. Di dalam sel ATP dan ADP tidak ada dalam bentuk bebas, melainkan sebagai suatu kompleks dengan ion g 2+, seperti dilukiskan disini (Page, 1989) Digitized by USU digital library 23

24 2.1. etabolisme arbohidrat Glikolisis Glikolisis secara harafiah berari pemecahan glukosa. Jalur glikolisis di temukan di dalam sitosol dari sel, mempunyai dua peran; pemecahan monosakarida untuk menghasilkan energi dan menyediakan satuan pembentuk untuk sintesa senyawa yang diperlukan sel seperti gliserol untuk sintesa trigliserida atau lemak. Sebelum glikolisis dapat berlangsung, sebuah sel harus memperoleh glukosa. Hanya beberapa jenis sel seperti sel-sel hati dan buah pinggang (kidney) yang dapat menghasilkan glukosa dari asam amino, dan hanya hati dan sel-sel jaringan menyimpan glukosa dalam jumlah besar. Glukosa ini disimpan sebagai glikogen. Hati dan jaringan memecahkan glikogen menjadi glukosa (atau bentuk monosakarida lain). Sel-sel badan lainnya harus memperoleh glukosa dari sirkulasi darah, sehingga badan perlu mempertahankan suatu konsentrasi yang relatif tetap dari glukosa darah supaya dapat hidup. Hasil glikolisis adalah dua unit senyawa yang mengandung tiga atom karbon yaitu asam piruvat. Sebahagian sel-sel mengubah asam piruvat menjadi asam laktat. Glikolisis dimulai dengan penambahan satu gugus fospat ke glukosa, sehingga menjadi lebih reaktif. Satu gugus fospat yang lainnya di tambahkan ke senyawa glukosa-fospat yang baru terbentuk yang kemudian dipecah menjadi senyawa karbon yang mengandung tiga atom karbon. Senyawaan ini diubah melalui serangkaian tahapan menjadi dua molekul piruvat. aka dalam glikolisis sebuah sel memulai dengan satu molekul glukosa dan menghasilkan dua molekul yang mengandung tiga atom karbon yakni piruvat. Di dalam proses ini empat hidrogen(mengandung total empat elektron) dikeluarkan dan empat ATP terbentuk. Elektron dan hidrogen ditangkap oleh pembawa (carrier) dalam hal ini NAD. Setiap NAD (bentuk teroksidasi) menerima dua elektorn dan satu ion hidrogen, menghasilkan NADH + H + (bentuk tereduksi). aka salah satu hasil akhir dari glikolisis adalah juga sintesa dari dua NADH + H +, dengan pelepasan dua ion hidrogen. Di dalam glikolisis, reaksi pertama melibatkan satu ATP menyumbangkan satu gugus fospat ke glukosa. Pada tahap ketiga, satu lagi ATP digunakan menambah satu gugus fospat kedua. aka untuk memulai jalur ini, satu sel memakai dua ATP. Pada saat molekul yang mengandung tiga atom karbon diubah menjadi piruvat, masing-masing menghasilkan dua ATP, sehingga total ada 4 ATP. Energi bersih yang dihasilkan sejauh ini dari glikolisis adalah dua ATP, karena dua ATP digunakan didalam proses dan empat ATP di hasilkan. asih ada ATP yang akan terbentuk; ini hanya menyatakan sebanyak 5% dari total produksi ATP yang mungkin dari satu molekul glukosa. Energi kimia yang disimpan di dalam ikatan NADH akhirnya dapat ditransfer ke ATP. Pada umumnya setiap NADH + H + menyumbangkan energi yang cukup untuk menghasilkan 2,5 ATP. aka NADH + H + adalah satu bentuk dari energi potensial untuk sel. Pada akhirnya sel memakai energi di dalam NADH + H + membentuk ATP. Produksi laktat adalah titik akhir dari glikolisis anaerobik Sebagian sel kekurangan jalur yang membutuhkan oksigen (aerobik) diperlukan untuk memakai NADH + H + untuk sintesa ATP, dan pada saatnya selsel ini kurang mampu memakai proses ini untuk me-recycle NADH + H + kembali menjadi NAD. isalnya sel darah merah. aka, pada saat sel darah merah mengubah glukosa menjadi piruvat, NADH + H + meningkat di dalam sel. Akhirnya konsentrasi NAD menurun terlampu rendah sehingga glikolisis berlanjut, karena kebanyakan NAD ada di dalam bentuk NADH + H +. Untuk mengimbanginya, satu sel darah merah mereaksikan piruvat dengan satu NADH + H + dan satu ion hidrogen bebas membentuk laktat, lihat Gambar 11. Di dalam proses itu, NADH + H + berobah menjadi NAD. Proses ini memungkinkan sel darah merah untuk menyediakan sendiri (resupply itself) dengan NAD karena sel-sel ini tidak 2003 Digitized by USU digital library 24