Kinetika Reaksi Katalisis enzimEnzim pertama kali dikenal pada tahun 1897 ketika Buchner mengekstraksi enzim aktif dari sel hidup. Buchner memberikan 2 kontribusi utama yaitu ia menunjukkan bahwa katalis bekerja pada organisme hidup akan berfungsi sempurna secara bebas pada proses kehidupan dan kontribusi dalam isolasi dan purifikasi enzim. ada beberapa tatacara penamaan enzim, enzim dapat ditentukan dari substrat ditambah akhiran ase atau suatu reaksi yang diberi imbuhan ase.Tabel 3.1 Klasifikasi Enzim

Gambar 3.1 dengan menurunkan energi aktivasi pada reaksi, katalis membuat substrat dengan energi internal kecil menjadi bereaksiUntuk mendesain dan menganalisi sistem reaksi, kita harus memiliki formula matematis yang menunjukkan laju reaksi pada tiap komposisi, temperatur, dan tekanan pada campuran reaksi. Kesamaan dari enzim dan katalis sintetik adalah menggunakan teknik modelling reaksi kinetik. Dan perbedaannya adalah katalis sintetik biasanya tidak spesifik dan enzim spesifik. Kofaktor adalah senyawa nonprotein yang bergabung dengan protein inaktif (apoenzim) untuk memberikan kompleks aktif katalitik. Kofaktor paling sederhana adalah ion logam, dan molekul organik kompleks adalah koenzim. Tabel 3.2 Beberapa enzim berisi ion logam sebagai kofaktor

Baik sintetik maupun biologis dapat berangsur-angsur hilang aktivitasnya yang mempengaruhi reaksi kimia. Bagaimanapun enzim mudah rusak. Namun enzim lebih aktif, melewati reaksi menjadi lebih cepat daripada katalis nonbiologis. Penghitungan aktivitas biasa disebut turnover number yang merupakan net number dari molekul substrat yang bereaksi per tempat katalis per unit waktu. Untuk melihat perbandingan atau aktivitas relatif, dapat dilihat pada tabel 3.3Tabel 3.3 Beberapa turnover number untuk enzim dan reaksi katalis padat

3.1 enzim substrat kompleks dan tindakan enzimUntuk dapat menganalisis substrat enzim kompleks, dapat digunakan teknik kristalografi sinar x, spektroskopi, dan electron-spin resonance. Substrat yang mengikat daerah spesifik enzim dinamakan active site. Dapat diketahui bahwa beberapa enzim mengikat substrat dikarenakan uukuran enzim yang sedikit berubah. Studi struktur tiga dimensi enzim lisozim dan karboksipeptidase A dengan dan tanpa substrat menunjukkan pergantian enzim dengan penyesuaian dengan tambahan substrat. 3.2 Kinetika enzim sederhana dengan satu dan dua substratBila reaksinya adalah S P dan laju reaksi v, pada quasi-steady state aproksimasi didefinisikan oleh Pada waktu ketika 0 s larutan substrat dan enzi terpurifikasi yang cocok akan bercampur dengan sempurna. Substrat dan atau konsentrasi produk dapat dipantau pada variasi waktu selanjutnya. termasuk konsentrasi enzim dan substrat diketahui terbaik pada waktu ke 0. Slope awal konsentrasi substrat atau produk vs. Kurva waktu diestimasi pada data.3.2.1 Kinetika Michaelis Menten

(1)Diketahui bahwa S sama dengan KmS adalah konsentrasi substrat bebas dan e0 adalah jumlah konsentarsi enzim baik dalam keadaan bebas maupun gabunganPada titik awal, diasumsikan enzim E dan substrat S dikombinasikan menjadi kompleks ES dan terdisosiasi pada produk P dan enzim bebas E (2) (3)Henri, Michaelis, dan Menten mengasumsikan bahwa reaksi (2) pada saat kesetimbangan. Diberikan persamaan Lalu, s, e, dan es, merupakan konsentrasi S, E, ES. Kompleks dekomposisi dari kompleks menjadi produk dan enzim bebas diasumsikan irreversibel. (4)Karena semua enzim terdiri dari enzim bebas dan kompleks maka, (5)Dimana e0 adalah konsentrasitotal enzim pada sistem. Ini diketahui dari jumlah enzim awal yang dibebankan pada reaktor. Persamaan (1) dengan vmax sama dengan k2e0 dengan menghilangkan (es) dan e dari 3 persamaan sebelumnya. vmax disebut maksimum atau limiting velocity. Dan adalah konstanta michaelis. Ketika persamaan michaelis-menten dapat mendeskripsikan banyak kinetika rnzim katalitik, tidak semuanya valid. Kita harus memeriksa perluasan dan modifikasi kebutuhan dari enzim khusus dan kondisi reaksi pada bagian setelahnya serta masalah lain yang mungkin terjadi.Briggs dan Haldane menurunkan persamaan (1) menjadi persamaan: (6)Menggunakan persamaan (5) memberikan persamaan dua persamaan differensial biasa pada 2 zat yang tidak diketahui yaitu s dan (es). Pada kondisi awal s(0) = s0 dan (es)(0) = 0. Persamaan ini tidak dapat diselesaikan secara analitik namun dapat diselesaikan dengan integrasi numerik sehingga dapat ditentukan nilai konsentrasi S, E, ES, dan P yang memiliki fungsi terhadap waktu. Analisis briggs haldane juga memberlakukan bahwa (7). asumsi ini dinamakan aproksimasi quasi steady state. Melanjutkan dari persamaan (7), ini akan mungkin untuk menggunakan persamaan (5) menjadi . Konsekuensinya adalah hasil dari michaelis menten dimana persamaan (8) dapat ditunjukkan bahwa (9) dan . (11)3.2.2 Evaluasi parameter pada persamaan michaelis mentenKita dapat menentukan plotting data, parameter grafik, dan persamaan dengan cara : (12) (13) (14)Plot 1/v dan 1/s dikenal dengan plot Linewaver-Burk, yang paling akurat diketahui nilai lajunya mendekati vmax dengan slope (gradien) . Plot Eadie-Hofstee menggunakan plot v/s dan v.3.2.3 Kinetika reaksi reversibel, reaksi 2 substrat dan aktivasi kofaktorBanyak reaksi kalatis enzim seperti hidrolisis biopolimer, mengalami kesetimbangan sehingga menjadi produk sehingga reaksi dianggap irreversibel dibawah keadaan tertentu. Pada kasus lain, seperti konversi glukosa menjadi fruktosa oleh enzim glukosa isomerase, kondisi setimbang sering terjadi, model paling sederhana dari kinetika enzim reversibel dimulai dengan rangkaian model reaksi :(15) (15)(15) (15)Yang merupakan rangkaian henri/michaelis-menten kecuali formasi sekarang dari kompleks ES dari kombinasi produk dengan enzim bebas.Menulis neraca massa dari S, ES, dan P pada sistemtertutup, teraduk sempurna, menggunakan kelebihan neraca massa pada enzim yang berbeda dan menggunakan aproksimasi quasi steady state maka:(16)Dimana vs dan Ks identik dengan vmax dan Km pada persamaan (9) dan (10) didapat:(17)(18)Mayoritas katalis reaksi enzim terdiri dari 2 substrat. Kebanyakan salah satu substratnya adalah air. Konsentrasi konstan dan seribu kali lebih besar dari konsentrasi substrat lain. Selain itu, pengembangan model kinetik dapat diaplikasikan untuk menjelaskan pengaruh kofaktor pada laju reaksi enzim. Banyak reaksi 2 substrat muncul pada kompleks terner dengan penambahan substrat ke enzim. Kemungkinan rangkaian untuk situasi ini adalah:K1K2K12K21(19)Kemudian, (20)Asumsi setimbang pada empat reaksi pertama (19) Ingat bahwa total konsentrasi enzim e0 sama dengan jumlah konsentrasi enzim bebas e ditambah dengan konsentrasi tiga komplek enzim ES1, ES1, ES1S2. Sebagai situasi satu substrat, analisis didasarkan pada aproksimasi quasi steady state sehingga reaksi dapat berjalan. Persamaan (20) dapat disederhanakan menjadi (21)Disusun kembali, hasil yang umum menjadi:(22) (23) (24)Berdasarkan tiga persamaan sebelumnya jelas terlihat jika konstan dan bervariasi, reaksi mengikuti persamaan michaelis menten. Laju reaksi maksimum dan konstanta michaelis merupakan fungsi dari konsentrasi . Pada persoalan ini, menjadi = dimana menuju nilai konstanta . Oleh karena itu, reaksi 2 substrat akan terjadi ketika >>Asumsi komplek substrat hanya apoenzim-koenzim kompleks, hasil akhir berupa: (25)Dimana c adalah konsentrasi kofaktor. Jika substrat konsentrasi s ditetapkan, laju ditunjukkan pada persamaan michaelis menten bebas pada konsentrasi kofaktor c. 3.3 Penentuan (langkah-langkah dasar) laju reaksi konstanPada term 3.2.2 mengeksplorasi untuk menentukan parameter vmax dan Km yang muncul pada persamaan michaaelis menten. Pada eadie-hofstee menerangkan parameter k1, k-1, dan k2.Pada penentuan laju reaksi konstan dibutuhkan metode istirahat yang dikembangkan dan diluaskan oleh eigen dan koleganya, yang dapat mengeksplor reaksi pada skala waktu nanodetik. Walaupun ada beberapa variasi metode, semua berdasarkan prinsip yang sama: gangguan luar dari beberapa kondisi reaksi seperti temperatur, tekanan, massa jenis, atau medan listrik yang dipakai untuk reaksi campuran pada kesetimbangan (steady state). 3.3.1 Kinetika RelaksasiTeori dan praktik dari metode relaksasi dikembangkan pada gangguan osilatori pada kondisi reaksi. Mempertimbangkan saat hanya kesetimbangan antara substrat, enzim, dan enzim substrat kompleks:

Pada reaksi tersebut, kita tahu bahwa Dan lalu pada pengadukan sempurna di reaktor batch, neraca massa untuk s: (26)Menjadi (27)Apbila kita menetapkan s* sebagai konsentrasi s saat setimbang setelah perubahan tingkat pada kondisi reaksi, s* dapat dijabarkan dengan penyelesaian (28)Dimana f(s) sama dengan ds/dt. Pada banyak percobaan relaksasi, s akan berakhir menjadi s* dan kita dapat aproksimasi f(s) dengan hubungan pertama pada ekspansi Taylor (29) adalah deviasi dari konsentrasi kesetimbangan(30)Dan mengingat s* memiliki waktu yang tetap, kita dapat mengombinasikan persamaan (27) ke (30) untuk mendapatkan linearisasi neraca massa.(31)Apabila sistem keadaan awal pada kesetimbangan yang cocok untuk gangguan langkah sebelumnya (32)Dan sebagai konsekuensi (33)Dimana (34)E* merepresentasikan konsentrasi enzim inkompleks pada kesetimbangan akhir. 3.4 pola lain untuk konsentrasi substrat terikatTidak semua laju reaksi kalatis enzim mengikuti kinetika michaelis menten. Pada bagian ini kita harus memeriksa deviasinya. Jenis pertama, sering berkaitan dengan pengaturan enzim, dapat dipaparkan dengan mekanisme reaksi dimana lebih dari satu molekul substrat yang berikatan dengan enzim. Pada kasus kedua, kita harus mempertimbangkan kemungkinan substrat benar-benar teraduk pada spesi pereaksi berbeda dengan sifat kinetik berbeda. 3.4.1 Aktivator dan inhibitor substratTerkadang, ketika substrat dalam jumlah besar datang, reaksi enzim katalitik dikurangi oleh kelebihan substrat. Fenomena ini dinamakan substrat inhibitor. Hubungan kuantitatif antara konsentrasi substrat dan laju reaksi untuk substrat-inhibitor dapat dimodelkan menggunakan persamaan michaelis menten. Bagaimanapun, molekul substrat kedua dapat berikatan dengan enzim. Ketika S mengikuti kompleks ES, hasil unreaktif menengah:Langkah reaksi pada kesetimbangan:K1 (sebagai contoh )(35)K2 Langkah lambat : (36)(37) (38)3.4.2 mereaksikan kelipatan substrat pada enzim tunggalBeberapa enzim hidrolitik menampilkan kemampuanya menyaring untuk area berbeda pada rantai biopolimer. Pada ekso-enzim memotong rantai pada atau dekat rantai akhir, ketika katalis endo-hidrolase terhidrolisis di ikatan internal pada rantai. Untuk memperoleh pandangan dari beberapa keterlibatan deskripsi kinetika reaksi campuran sulit, andaikan rangkaian dibawah deskripsi reaksi dari dua substrat terkatalisasi oleh enzim:K1(39) K2 Cara lambat: (40)Tiap substrat mengikat secara pasti fraksi enzim ketika datang. Ketika kita memakai keseluruhan keseimbangan enzim dan kesetimbangan, maka ekspresi lajunya adalah:(41)(42)Persamaan (41) dan (42) mengindikasikan bahwa jika dua reaksi terkatalisasi dengan enzim yang sama, kecepatan individual akan lebih lambat di awal pada kedua substrat dibandingkan ketiadaan salah satu substrat. Apabila sT merupakan total konsentrasi untuk semua substrat, maka:(43)Lalu, laju keseluruhan hilangnya sT adalah:(44)3.5 modulasi dan regulasi aktivitas enzimSpesi kimia lain dan substrat dapat dikombinasikan dengan enzim untuk mengubah atau mengatur aktivitas katalitik. Xat itu dinamakan modulator atau efektor yang mungkin merupakan unsur pokok normal pada sel. Pada kasus lain, mereka masuk dari lingkungan sel atau bertindak pada enzim terisolasi. Walaupun banyak perhatian pada bagian ini akan terkonsentrasi pada inhibisi, dimana modulator menurunkan aktivitasnya, keadaan aktivasi enzim oleh efektor telah diketahui. Kombinasi enzim dengan efektor adalah reaksi kimia yang ada pada mereka sendiri. dan bisa bolak-balik secara penuh, bolak-balik sebagian, maupun tidak bolak-balik. Apabila inhibittor bertindak secara irreversibel, pendekatan michaelis-menten untuk kinetika pengaruh inhibitor tidak dapat digunakan karena metode ini mengasumsikan setimbang antara bentuk bebas dan kompleks.Pengaturan reversibel aktivitas enzim adalah satu mekanisme kontrol oleh sel untuk mencapai penggunaan nutrisi yang efisien. Inhibitor reversibel dikatakan kompetitif jika bertambah nilai Km tetapi tidak mengubah vmax. Nonkompetitif inhibitor mengurangi vmax enzim namun tidak mengubah nilai Km. Konsekuensinya, penambahan substrat ke banyak level tidak dapat memproduksi seperti laju reaksi besar yang mungkin dengan enzim unhibisi. Nonkompetitif inhibitor seperti ion logam berat, yang digaung reversibel dengan grup sulfidril (-SH). 3.5.1 mekanisme modulasi enzim reversibelBanyak diketahui inhibitor kometitif dinamakan substrat analog. Inhibitor memiliki kunci untuk memutuskan sisi aktif enzim, atau mengunci, tetapi kunci ini tidak sungguh berfuungsi dengan baik sehingga gembok ntidak dapat bekerja. Mekanisme lainnya, disebut kontrol alosterik. Tipe inhibisi kompetitif dan ide menjadi meksnisme dominan untuk inhibisi nonkompetitifdan aktivasi. Nama alosterik (bentuk lain) mula-mula tercipta untuk mekanisme ini karena banyak efektor aktivitas enzim memiliki bentuk berbeda dari substrat. Dari fakta ini bahwa efektor bekerja dengan mengikat sisi pengaturan spesifik nyata dari sisi yang merupakan katalisasi substrat. Enzim yang mempunyai sisi untuk pengaturan sama seperti katalis dinamakan alosterik enzim.3.5.2 analisis efek modulator reversibel pada kinetika enzimLangkah reaksi pada kesetimbangan:Ks(45)KiLangkah lambat : (46)Pada keadaan mengikat substrat dan inhibitor ke enzim khusus satu sama lain. Karena beberapa enzim loncat di EI kompleks, tidak semua enzim tersedia untuk mengatalisis konversi substrat, jadi laju reaksi menjadi rendah oleh inhibitor. Menggunakan hubungan kesetimbangan pada persamaan (45) dan neraca massa total pada enzim:(47)Kita dapat tulis laju reaksi pada masa konsentrasi enzim total dan substrat bebas dan konsentrasi inhibitor (s dan i):(48)Membandingkan dengan persamaan michaelis menten menggunakan :(49)Akan bertambah dengan kehadiran inhibitor kompetitif. Kita dapat menggunakan model untuk inhibisi nonkompetitif total dengan menambah rangkaian kesetimbangan reaksi yang diberikan pada persamaan (45) dan (46) diatas:Ks(50a)Ki(50b)Pada situasi ini, inhibitor dan substrat dapat secara simultan mengikat enzim, membentuk kompleks terner (EIS). Kita asumsikan pada model inhibisi nonkompetitif paling sederhana mengikat inhibitor atau substrat tidak berpengaruh afinitasnya pada salah satu spesi ke kompleks dengan enzim. Asumsikan EIS kompleks tidak bereaksi membentuk P. (51)(52)