ENZIM DAN BIOENERGITIKA Oleh: Mohammad Hanafi Dan Trimartini FK UNAIR 1
MAKANAN PENDAHULUAN METABOLISME : KATABOLISME MOLEKUL YG LEBIH BESAR MOLEKUL YG LEBIH KECIL GLUKOSA CO 2 + H 2 O + ENERGI ANABOLISME = SINTESIS MOLEKUL YG LEBIH KECIL MOLEKUL YG LEBIH BESAR GLUKOSA GLIKOGEN ENZIM DICERNA dalam saluran pencernaan SEL JARINGAN ORGANISME tersusun dari molekul 2 DIMETABOLISME dalam sel REAKSI KIMIA 2
Organisme sel molekul enzim Endoplasmik retikulum ribosom cytoskeleton inti mitochondrion Golgi app. sitosol lisosom Sel eukariot peroxisom 3
I. BIOKIMIA SUSUNAN KIMIAWI PROSES 2 KIMIA ENZIM : PROTEIN BIOKATALISATOR ALUR METABOLIK DALAM ORGANISME virus, bakteri, tumbuhan, hewan, manusia E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 ( A) B C D E F G ( P) A= substrat awal P= produk akhir B,C,D,E,F,G= senyawa 2 antara (intermediates) E 1 searah E. regulator 4
LETAK ENZIM DALAM SEL BERKAITAN DGN FUNGSI ORGANEL Ybs. E. MITOKONDRIAL REAKSI PENGADAAN ENERGI Reaksi oksidasi Energi Rantai respirasi dalam mitokondria E. RIBOSOMAL SINTESIS PROTEIN KATALISATOR mempercepat reaksi IKUT SERTA DALAM REAKSI KIMIA & MEMPERCEPAT REAKSI KIMIA, TETAPI PD. AKHIR REAKSI AKAN DIDAPAT KEMBALI SEPERTI SEMULA DIBUTUHKAN DLM. JUMLAH KECIL CELAH AKTIF + E S KOMPLEKS [ES] E + P 5
KATALISATOR INORGANIK 1. H +, OH -, Pt 2. E. aktivasi 3. - 4. - ENZIM 1. PROTEIN biokatalisator 2. E aktivasi 3. BEREAKSI SPESIFIK 4. TIDAK TAHAN PANAS 6
kead. transisi G = E. bebas E. level Ea' Ea tanpa katalisator dgn katalisator inorg dgn enzim Ea'' kead. awal ΔG = Perubahan E. bebas kead. akhir Perjalanan reaksi 7
keadaan awal pd suhu tertentu Reaksi kimia : A P Lab kimia : dipanasi di + katalisator Sistem biologis : - suhu konstan - + Enzim A+B C+D ΔG = 0 seimbang ΔG < 0 Rx ke kanan bersifat eksergonik ΔG > 0 Rx ke kanan bersifat endergonik 8
Ea = ENERGI AKTIVASI JUMLAH ENERGI YG DIPERLUKAN UNTUK MEMBAWA SEMUA MOLEKUL DLM. 1 MOLE SUATU BAHAN PD. SUATU SUHU TERTENTU DR. KEADAAN AWAL MENUJU KEADAAN TRANSISI MENGATASI HAMBATAN ENERGI ΔG : PERUBAHAN ENERGI BEBAS TIDAK DIPENGARUHI KATALISATOR 9
ENZIM BEREAKSI SPESIFIK artinya : SUATU ENZIM HANYA DAPAT BEREAKSI DGN. SUATU SUBSTRAT TERTENTU atau PD. SEJUMLAH KECIL SENYAWA SEJENIS CONTOH : LAKTOSA GLUKOSA + GALAKTOSA Laktase Heksokinase : - GLUKOSA - HEKSOSA LAIN: FRUKTOSA DAYA IKAT (AFINITASNYA) BEDA Km beda 10
KEKHUSUSAN ENZIM K. ABSOLUT K. RELATIF K. OPTIK MALTASE α K. GUGUS ALKOHOL DEHIDROGENASE DIPENGARUHI OLEH: IKATAN E-S active site SIFAT GUGUS KATALITIK KOFAKTOR E S A 2A 3A + B + 2B + 3B x C 2x 2C 3x 3C E / K TIDAK BERHUBUNGAN SECARA STOIKIOMETRIK DENGAN REAKTAN / PRODUK 11
KLASIFIKASI & TATANAMA ENZIM NAMA ENZIM DULU SEDERHANA Mis: EMULSIN, PTYALIN S + ASE Mis: UREASE, LIPASE JENIS REAKSI + ASE Mis: TRANSFERASE, DEHIDROGENASE S + JENIS REAKSI + ASE Mis: MALAT DEHIDROGENASE S Jenis reaksi TATANAMA ENZIM IUBMB: 1. REAKSI & ENZIMNYA DIBAGI DALAM 6 KELAS UTAMA 2. NAMA ENZIM T.D. 2 BAGIAN: Bgn. 1 NAMA SUBSTRAT Bgn. 2 JENIS REAKSI + ASE 12
KLASIFIKASI & TATANAMA ENZIM (lanjutan) Mis: 1.1.1.1 Alkohol : NAD Oksidoreduktase = alkohol dehidrogenase 3. INFORMASI TAMBAHAN DALAM ( ) Mis: 1.1.1.37 L-MALAT : NAD OKSIDOREDUKTASE (decarboxylating) L-MALAT + NAD + PIRUVAT + CO 2 + NADH + H + 1.1.1.37 L-MALAT : NAD OKSIDOREDUKTASE L-MALAT + NAD + OKSALOASETAT + NADH + H + 13
NOMOR KODE SISTEMATIK Mis : EC.2.7.1.1 Enzim yg dimaksud Heksokinase Transferase Transfer fosfat Akseptor gugus alkohol α-d-glukosa α-d-glukosa 6-P Glukokinase/Heksokinase 14
KELAS-KELAS ENZIM MENURUT IUBMB, ADA 6 KELAS (GOLONGAN) UTAMA: 1. OKSIDOREDUKTASE : MENGKATALISIS REAKSI OKSIDASI REDUKSI. P.U. : ENZIM 2 PD. PROSES OKSIDASI BIOLOGIS Laktat dehidrogenase PIRUVAT + NADH + H + LAKTAT + NAD + 2. TRANSFERASE : MENGKATALISIS TRANSFER/PEMINDAHAN GUGUS FUNGSIONAL (BUKAN HIDROGEN) ANTARA SEPASANG SUBSTRAT S G + S S G + S Heksokinase/Glukokinase α-d-glukosa+atp α-dglukosa-6-p +ADP 15
3. HIDROLASE : MENGKATALISIS PEMBELAHAN HIDROLITIK Contoh : Enzim - Amilase - Lipase - Karboksi peptidase A β-d-galaktosida + H2O suatu alkohol + D-galaktosa 16
4. LIASE (LYASE) : MENGKATALISIS REAKSI PEMBENTUKAN ATAU PEMECAHAN IKATAN RANGKAP DUA, ATAU PEMBELAHAN LAIN YG. MENYANGKUT PENYUSUNAN KEMBALI ELEKTRON Contoh : ALDOLASE : KETOSA-I-P ALDOSA + DIHIDROKSI ASETON-P FUMARASE : HO CH COOH H C COOH = CH 2 COOH HOOC C H + H 2 O MALAT FUMARAT PIRUVAT DEKARBOKSILASE : O O OOC C CH 3 + H + CO 2 + H C CH 3 PIRUVAT ASETALDEHID 17
5. ISOMERASE : MENGKATALISIS PENYUSUNAN KEMBALI INTRAMOLEKULER All Trans retinin 11 cis retinin 6. LIGASE : MENGGABUNGKAN 2 MOLEKUL, DISERTAI PEMUTUSAN IKATAN PIROFOSFAT PD. ATP ATAU SENYAWA SEJENIS Mis : ~ PIRUVAT KARBOKSILASE : O O OOC C CH 3 + CO 2 OOC C CH 2 COO PIRUVAT ATP ADP+Pi OKSALOASETAT 18
LIGAND MOLEKUL KECIL YG BISA TERIKAT PADA MOLEKUL BESAR E E S A E S=SUBSTRAT I=INHIBITOR A=AKTIVATOR E=ENZIM S I LIGAND A I 19
STRUKTUR PROTEIN H O H O H O H + H 3 N C C N C C N C C N C C R 1 H R 2 H R 3 H R O O»» ujung amino bebas H R C COOH NH 2 asam amino + H 3 N IKATAN PEPTIDA ujung karboksil bebas ASAM AMINO DALAM LARUTAN SELALU BERMUATAN PROTEIN JUGA SELALU BERMUATAN aa 1 aa 2 aa 3 aa 4 aa 5 aa 6 COO RANTAI PEPTIDA 20 jenis a.a. dasar 20
STRUKTUR PRIMER PROTEIN : URUTAN ASAM AMINO PD. RANTAI PEPTIDA DR. UJUNG AMINO BEBAS SAMPAI UJUNG KARBOKSIL BEBAS (awal) (akhir) URUTAN a.a JUMLAH a.a PD. TIAP JENIS RANTAI PROTEIN TIDAK SAMA (BERBEDA) letak ujung NH 3 + letak ujung COOH letak suatu a.a H R C COOH NH 3 + +H + H R C COO NH 3 + +OH H R C COO NH 2 ph < iep iep Σmuatan=0 ph>iep pka COOH < NH 3 + 21
STRUKTUR SEKUNDER : H H O N C C CH 2 S ikatan S disulfida CH 2 N C C H H O * α Helix R C C N O H H : : : : : : : : H H O N C C R ikatan Hidrogen * Lain 2 : * LIPIT β = β -PLEATED * KUMPARAN ACAK = RANDOM COIL Cys SH Cys SH 22
STRUKTUR TERSIER : celah aktif E Dari satu untai rantai polipeptida monomer - Contoh : MIOGLOBIN (MYOGLOBINE) MONOMER - Struktur Tersier : -IKATAN HIDROGEN -GAYA 2 VAN DER WAALS IKATAN 2 YG. LEMAH 23
STRUKTUR KUARTERNER : MONOMER PROTOMER T.D. SATU UNTAI RANTAI POLIPEPTIDA HANYA SAMPAI STRUKTUR TERSIER DIMER subunit TETRAMER subunit TERMASUK STRUKTUR KUARTERNER OLIGOMER POLIMER 24
STRUKTUR KUARTERNER : SATU MOLEKUL T.D. > 1 RANTAI PEPTIDA T.D. 2 SUBUNIT ATAU LEBIH 1 SUBUNIT ~ 1 RANTAI PEPTIDA DIIKAT OLEH : IKATAN HIDROGEN IKATAN ELEKTROSTATIK KEGUNAAN : IKATAN 2 YG LEMAH SUPAYA MOLEKULNYA LEBIH STABIL UNTUK MENDAPAT FUNGSI TERTENTU ENZIM CELAH AKTIF (ACTIVE SITE) 25
26
RANTAI POLIPEPTIDA ADA YG SAMA SEMUA, ADA YG. BEDA Hb : α 2 β 2 LDH: M 4 H 4 M 3 H M 2 H 2 gen rantai α β susunan a.a rantai α β ISOZIM MENGKATALISIS REAKSI YG SAMA MH 3 27
~ : DIMER OLIGOMER : TETRAMER 4 RANTAI POLIPEPTIDA 4 SUBUNIT POLIMER ~ T.D. BANYAK SUBUNIT (BANYAK RANTAI POLIPEPTIDA) ~ PH /PH, t DENATURASI STRUKTUR PROTEIN RUSAK, TP. TIDAK SAMPAI MERUSAK STRUKTUR PRIMER ikt peptida ~ IKATAN PEPTIDA IKATAN DISULFIDA IKATAN YG. KUAT, TIDAK RUSAK ~ PROTEIN : - ENZIM FUNGSIONAL - KOLAGEN STRUKTURAL 28
CARA KERJA ENZIM ~ E + E : ENZIM S : SUBSTRAT P : PRODUK celah aktif = celah katalitik = celah pengikat substrat S Kompleks E - S E + P ~ UKURAN MOLEKUL E : BESAR UKURAN MOLEKUL S : KECIL ~ DALAM SISTEM BIOLOGIS : KADAR E << KADAR SUBSTRAT ~ IKATAN E S IKATAN YG, LEMAH 29
KEKHUSUSAN ENZIM BILA ADA KESESUAIAN ANTARA CELAH AKTIF DGN. SUBSTRAT PD. STRUKTUR 3 DIMENSINYA MAUPUN GUGUS REAKTIF YG. DIMILIKI KEDUANYA. 30
~ GUGUS REAKTIF ASAM AMINO GUGUS YG. PUNYA POTENSI UNTUK BEREAKSI, TDP. PD. RANTAI R. SH R CH 2 H 3+ N C COO H Cysteine (Cys) C SISTEIN H R C COO NH 3 + OH R CH 2 H 3+ N C COO H Serin (Ser) S ~ E S GUGUS REAKTIF YG. BERPERAN LANGSUNG PD. PROSES KATALISIS ADALAH GUGUS REAKTIF PD. CELAH AKTIF LOGAM BERAT MENGIKAT GUGUS SH E MENJADI INAKTIF Hg ++ 31
CELAH AKTIF (ACTIVE SITE) CELAH KATALITIK CELAH PENGIKAT S CELAH AKTIF TERBENTUK O. K. ADANYA STRUKTUR TERSIER PD. CELAH AKTIF DIDAPATKAN GUGUS 2 REAKTIF DARI ASAM 2 AMINO YG. AKAN MELAKUKAN REAKSI KATALITIK. ASAM 2 AMINO TSB. MUNGKIN BERJAUHAN DLM. STRUKTUR PRIMERNYA, TTP. BERDEKATAN DLM. STRUKTUR TERSIERNYA. GUGUS 2 REAKTIF DI CELAH AKTIF : GUGUS 2 PENGIKAT S GUGUS 2 KATALITIK 32
MEKANISME KATALISIS ENZIM MOLEKUL BESAR + S MOLEKUL KECIL Kompleks ES E + P ACTIVE SITE (BENTUK CELAH) = CATALYTIC SITE = SUBSTRATE BINDING SITE GUGUS 2 PENGIKAT S GUGUS 2 KATALITIK GUGUS REAKTIF ASAM 2 AMINO DI DAERAH TSB. 33
TEORI KUNCI & ANAK KUNCI FISHER TEORI KESESUAIAN IMBAS (KOSHLAND INDUCE FIT THEORY) PENGIKATAN S KESESUAIAN BENTUK PERUBAHAN KONFIRMASI (SUSUNAN ATOM DLM RUANG) FIT = PAS BENTUK BERPASANGAN TERJADI SETELAH E MENGIKAT S 34
KOFAKTOR ENZIM : SEDERHANA PROTEIN SAJA YG. LEBIH KOMPLEKS PROTEIN + KOFAKTOR KOFAKTOR : LOGAM SENYAWA ORGANIK NON PROTEIN YG. SPESIFIK (KOENZIM) IKATAN ENZIM KOFAKTOR : ADA YG. KUAT (KOVALEN) ADA YG. LEMAH ENZIM YG. PERLU KOFAKTOR HARUS MENGIKAT KOFAKTORNYA TERLEBIH DAHULU SEBELUM MELAKUKAN PROSES KATALISIS. Mg Ex. : GLUKOSA + ATP ++ GLUKOSA 6P + ADP Heksokinase 35
KOFAKTOR LOGAM ~ IKATAN KUAT / KOVALEN : METALLO-ENZIM ~ IKATAN YG. LEMAH FUNGSI : 1. IKUT LANGSUNG PD. PROSES KATALISIS ~ GUGUS KATALITIK 1. STABILISATOR TEMPAT KATALISIS 2. IKATAN DGN. S DAN E (MENDEKATKAN S DAN E ) E S L L E S E L S E Zn ++ KARBOKSIPEPTIDASE Mg ++ HEKSOKINASE Fe ++ / Fe +++ SISTEM SITOKROM L S 36
KOENZIM KOENZIM + APOENZIM HOLOENZIM KOFAKTOR BERUPA BGN PROTEIN SENYAWA ORGANIK NON PROTEIN YG. SPESIFIK KATALITIK AKTIF APOENZIM : - BAGIAN PROTEIN DR. ENZIM IKATAN : -JK. SENDIRIAN TIDAK AKTIF KUAT / KOVALEN : GUGUS PROSTETIK Katalase H 2 O 2 + H 2 O 2 2H 2 O + O 2 KATALASE : GUGUS PROSTETIKNYA SUATU HEME SELAMA E BEKERJA, HEME MENGALAMI OKSIDASI DAN REDUKSI LEMAH : KO-SUBSTRAT (di slide berikutnya) mengandung Fe 37
LEMAH : KO-SUBSTRAT PIRUVAT + NADH + H + LAKTAT + NAD + S Ko-substrat Laktat Dehidrogenase - MENGHUBUNGKAN 2 MACAM REAKSI DGN. 2 MACAM ENZIM Pd GLIKOLISIS : Gliseraldehid 3-P 1,3-Bisfosfogliserat S + NAD + P + NADH + H + + Pi KE R.R. (O 2 ) Bila O 2 / anaerob : PIRUVAT + NADH + H + LAKTAT + NAD + LDH 38
FUNGSI KOENZIM PERANTARA PEMBAWA GUGUS, ATOM TERTENTU ATAU ELEKTRON CONTOH: NAD + NADP + FMN FAD KoQ ATOM H ELEKTRON : HEME GUGUS LAIN : ATP FOSFAT R.R S NAD + FAD KoQ Sistem sitokrom ½O 2 PIRIDOKSAL FOSFAT NH 2 VITAMIN B TERMASUK KOENZIM TPP THIAMIN NAD NIASIN NADP NIASIN FAD RIBOFLAVIN KoA ASAM PANTOTENAT 39
PROENZIM=ZYMOGEN ENZIM YG. DISEKRESI DALAM BENTUK YG. BELUM AKTIF TUJUAN : MELINDUNGI ORGAN TUBUH MENYEDIAKAN BAHAN SETENGAH JADI CONTOH : PEPSINOGEN UNTUK MENGAKTIFKAN DIGUNAKAN ENZIM PROTEOLITIK ATAU H + PEPSINOGEN PEPSIN H + / PEPSIN PEPSINOGEN H + / Enzim proteolitik PEPSIN 40
ISOZIM MENGKATALISIS REAKSI YG. SAMA CONTOH : LAKTAT DEHIDROGENASE (LDH) T.D. 4 RANTAI POLIPEPTIDA 2 JENIS RANTAI : M H ISOZIM LDH ADA 5 : I 1 =H 4 I 2 =H 3 M I 3 =H 2 M 2 I 4 =HM 3 I 5 =M 4 M & H : SUSUNAN ASAM AMINO BERBEDA DISTRIBUSI ISOZIM DLM. JARINGAN BERVARIASI DAPAT MEMBANTU DIAGNOSIS PENYAKIT SIFAT FISIK, KIMIA, IMUNOLOGIS SEDIKIT BEDA 41
Jant N Katoda (-) Hati Anoda (+) + A B C A B 5 4 3 2 1 C 5 4 3 2 1 I 5 : M 4 I 1 =H 4 A Infark miokard B N Elektroforesis C penyakit hati Selulosa asetat ph 8,6 LDH 42
PENGUKURAN KADAR ENZIM DLM. PLASMA UNTUK MEMBANTU DIAGNOSIS ENZIM PLASMA FUNGSIONAL (YG. BERFUNGSI DLM. PLASMA) MIS. : ENZ. 2 PROSES PEMBEKUAN DARAH LIPOPROTEIN LIPASE ENZIM PLASMA NON FUNGSIONAL (YG. BERFUNGSI DI JARINGAN LAIN, TIDAK DLM. PLASMA) N : PERGANTIAN SEL (SEL MATI DIGANTI SEL BARU) DIFFUSI PASIF KADAR : GANGGUAN PROSES SINTESIS DI HATI / (-) : KELAINAN GENETIK DEFISIENSI F VIII : HEMOFILIA : SEL MATI RADANG Ca TRAUMA PENYAKIT GENETIK (CONTOH: DMD) 43
GEN : SUATU SEGMEN DNA YG. BERISI INFORMASI/KODE GENETIK DARI SUSUNAN ASAM AMINO, SUATU RANTAI POLIPEPTIDA/PROTEIN DAPAT DIPAKAI SEPAKAI ACUAN UNTUK TRANSKRIPSI ( mrna) yang selanjutnya ditranslasi (sintesis) POLPEPTIDA/PROTEIN 44
Pankreas : amilase, lipase Tulang : fosfatase alkali Prostat : fosfatase asam Hepar : SGOT SGPT LDH Otot : SGOT CPK (Creatine phospho kinase) LDH Paru : LDH 45
PEMERIKSAAN ENZIM PD. PENYAKIT GENETIK : DEFISIENSI FENILALANIN HIDROKSILASE FENIL KETON URIA DMD = DUCHENNE MUSCULAR DISTROPHY BMD = BECKER M. DISTROPHY GEN DISTROFIN CACAT DISTROFIN CACAT SEL OTOT RUSAK x y CREATIN KINASE PEMERIKSAAN [E] DALAM SERUM 46
KELAINAN GENETIK : DEFISIENSI G6PD PD. ORANG NORMAL ENZIM G6PD >> TDP. PD : KELENJAR ADRENALIS, JARINGAN LEMAK, ERITROSIT & KELENJAR MAMMAE (LAKTASI) DLM. SERUM SEDIKIT SEKALI DEFISIENSI G6PD : ERITROSIT MUDAH HEMOLISIS BILA TERPAPAR BAHAN OKSIDAN (Mis : PRIMAQUIN) PEMERIKSAAN KADAR G6PD : DLM. ERITROSIT DEFISIENSI G6PD KADAR G6PD DLM. DARAH. G6PD NADPH (HMP SHUNT) GSH MENGHILANGKAN H 2 O 2 47
CACAT ENZIMATIK GENETIK Enz.1 Enz.2 Enz.3 Enz.4 A B C D E P BILA GEN ENZ. 4 CACAT [ENZ. 4] < PENUMPUKAN METABOLIT D,C,B,A FENIL KETON URIA : DEFISIENSI ENZ. FENILALANIN HIDROKSILASE PENUMPUKAN METABOLIT ( ) KERUSAKAN SEL 2 SARAF MENTAL RETARDASI KELAINAN GENETIK? PREMARITAL COUNSELLING PRENATAL COUNSELLING HAMIL amniosintesis dsb NEONATUS SCREENING TEST (UJI SARING) PERAWATAN KHUSUS DIET KHUSUS mis : FENIL KETONURIA TERAPI GEN? MASIH TAHAP PENELITIAN 48