ENZYMDisusun oleh :

YELMIDA A.

Biological CatalystsBiological Catalysts

EnzymE : Etymology dan History

Tahun 1860 Louis Pasteur menyimpulkan bahwa fermentasi gula jadi alkohol dikatalisis oleh suatu “ vital force” yang terdapat dalam sel ragi (yeast), yang disebutnya “ferment”

Tahun 1878 Wilhelm Kühne yang pertama menggunakan istilah enzyme. “Ferments“yang menggambarkan aktifitas kimia yang dihasilkan jasad hidup .

Tahun1897 Eduard Buchner mengekstrak enzym dari ragi dan mempelajari fermentasi gula jadi alkohol oleh zymase. (Nobel Prize in Chemistry untuk penemuannya pada sel fermentasi)

Tahun 1926, James B. Summer mengekstrak enzym urease ( dari biji nangka) dalam bentuk kristal dan membuktikan bahwa enzym adalah protein .

Tahun 1930-1936 Northrop berhasil mengkristalkan pepsin,tripsin dan kimotripsin (James B. Sumner, Northrop dan Stanley mendapatkan Nobel Prize in Chemistry tahun 1946 )

Dari bahasa Yunani : ενζυμον , berarti : di dalam bahan pengembang (ragi ) (1878)

ENZYM

Molekul protein yang dihasilkan sel hidup Umumnya merupakan protein globular, ukurannya

dari 62 monomer aa pada 4- oksalokrotonat tautomerase , sampai > 2.500 aa pada asam lemak sintase

Secara molekular :Merupakan protein yang tersusun atas serangkaian

asam amino dalam komposisi dan sekuens yang teratur dan tetap

Mempunyai “SISI AKTIF” ( bagian permukaan enzim yang berinteraksi dengan SUBSTRAT)

Interaksi enzym dengan substrat

Sucrase adalah enzym yang dapat mengikat disakarida dalam bentuk sucrosa dan menguraikannya jadi : fruktosa dan glukosa

Enzym: Protein Katalisator

Kemampuan katalisis ditentukan oleh sisi aktifnya.

Perubahan sisi aktif menyebabkan enzim kehilangan kemampuan katalisasi

Contoh reaksi sederhana yang dikatalis oleh enzym

E = enzyme S = substrate ES = complex

enzyme-substrate P = product

E + S E S E + P

Substrat binding

Catalytic step

Peningkatan Laju Reaksi Kimia

Peningkatan suhu → energi kinetik meningkat Katalisator → alami (enzym) & sintetik

• energi aktivasi turun

• tdk merubah ΔG

Mekanisme Kerja Enzym

Enzim dapat bekerja dengan beberapa cara :

• Menurunkan energi aktivasi → menciptakan lingkungan dengan keadaan transisi terstabilisasi

• Menurunkan energi keadaan transisi tanpa mengubah bentuk substrat

• Menyediakan lintasan reaksi alternatif

• Menurunkan perubahan entropi reaksi

Termodinamika Enzym

Tahapan-tahapan energi pada reaksi kimia.

• Substrat memerlukan banyak energi untuk mencapai keadaan transisi,

• Keadaan transisi berubah menjadi produk.

• Enzim menstabilisasi keadaan transisi, menurunkan energi yang diperlukan untuk menjadi produk.

Bagaimana enzym menstabilkan keadaan transisi

Sebagai katalis, enzim tidak mengubah posisi kesetimbangan, tetapi reaksi enzimatik tsb akan berjalan lebih cepat

Enzim juga dapat menggabungkan dua atau lebih reaksi

Enzim mengkatalisis reaksi kekiri dan kekanan secara seimbang, tapi tidak mengubah kesetimbangan reaksi tsb

Contoh, enzym karbonat anhidrase mengkatalisis reaksi dua arah

CO2 + H2O H2CO3Carbonat anhidrase

Carbonat anhidraseH2CO3 CO2 + H2O

Kespesifikan Enzym

Spesifik : 1 Enz – 1 Sub. (kekhususan absolut)

-D-glukosa + ATP ADP + glukosa-6-P

Kekhususan relatif: 1 enzim memiliki beberapa substrat

• Contoh : enzim D-Asam amino oksidase

Mg 2+

Glukokinase

Aspek Khusus:1. Kekhususan optik : → absolut

2. Kekhususan gugus: • Beberapa enzim hanya bekerja pd gugus kimia

tertentu

• Contoh: enzym dehidrogenase alkohol hanya mengkatalis reaksi dehidrogenasi pada alkohol

Penggolongan Enzym

a. Enzym ADAPTIF : enzym yang dihasilkan sel mikroba dalam jumlah tertentu bila diperlukan sajab. Enzym KONSTITUTIF : enzym yang selalu dibentuk oleh sel dalam jumlah tertentu

a. Enzym ENDOSELLULER : enzym yang dihasilkan dalam sel atau dalam membran cytoplasma b. Enzym EXOSELLULER : enzym yang dapat dilepaskan ke dalam media fermentasi

Mis. : amylase, protease

Penamaan Enzym Nama konvensional didasarkan atas nama substrat yang

dikatalisisnya dengan menambah akhiran –ase

• sucrase – bereaksi dengan sucrosa

• lipase – bereaksi dengan lipid

Menggambarkan fungsi enzym tersebut

• oxidase – katalis reaksi oksidasi

• hydrolase – katalis reaksi hydrolysis

Nama umum yang masih digunakan untuk enzym, yaitu menggunakan -in , misal : pepsin, trypsin , atau nama dagang : papain, bromelin

Penggolongan enzym IUB Memakai sistem nomor, nomor EC, 4 digit Kompleks dan membingungkan

1. OKSIDOREDUKTASE

S tered + S’ teroks S teroks + S’ tered

2. TRANSFERASE

S—G + S’ S’—G + S

3. HIDROLASE

• Mengkatalisis pemecahan hidrolitik dari C—C, C—N, C—O, P—O

4. LIASE

• Pemecahan tidak dengan cara hidrolisis

• Menghasilkan senyawa berikatan rangkap

5. ISOMERASE

• Mengkatalisis perubahan geometrik/struktural pada suatu molekul

6. LIGASE

• Pengikatan 2 substrat dengan

menggunakan energi

Penggolongan enzym International Union of Biochemistry (1984)

1.Oxidoreductase Rx. Oksidasi-reduksi

(mis. dehydrogenase)

2. Transferase Rx.transfer gugus

(mis. kinase )

3. Hydrolase Rx.Hydrolysis

(mis. protease )

4. Lyase Rx. Adisi pada double bond

(mis. synthase )

5. Isomerase Rearrangement/ isomerisasi

(mis. racemase )

6. Ligase Rx.penggabungan/penguraian ATP, (mis. synthetase )

(1) Oxidoreductase

Mis.:glucose oxidase (EC 1.1.3.4, nama systematic, b-D-glucose : oxygen 1-oxidoreductase).

β-D-glucose + oxygen D-glucono-1,5-lactone +hydrogen peroxide

(2) Transferase

Mis. : aspartate aminotransferase (EC 2.6.1.1, nama systematic, L-aspartate:2-oxoglutarate aminotransferase ; atau glutamic-oxaloacetic transaminase atau GOT).

L-aspartate + 2-oxoglutarate Oxaloacetate+ L-glutamate

(3) HydrolaseMis.: chymosin (EC 3.4.23.4, nama sistematic belum ada; disebut juga rennin).

k-casein + air para-k-casein + caseino macropeptide

(4) Lyase

Mis.: histidine ammonia-lyase (EC 4.3.1.3, nama systematic, L-histidine ammonia-lyase; atau histidase).

L-histidine urocanate + ammonia

(5) Isomerase

Mis.: xylose isomerase (EC 5.3.1.5, nama systematic, D-xylose ketol-isomerase; atau glucose isomerase).

α-D-glucopyranose α-D-fructofuranose

(6) Ligase

Mis.: glutathione synthase (EC 6.3.2.3, nama systematic, g-L-glutamyl-L-cysteine:glycine ligase (ADP-forming); atau glutathione synthetase).

-L-glutamyl-L-cysteine + ATP + glycine glutathione +ADP + phosphate

Fungsi biologis enzym Transduksi signal dan regulasi sel, seringkali

melalui enzim kinase dan fosfatase. Menghasilkan pergerakan tubuh, dengan myosin

menghidrolisis ATP untuk menghasilkan kontraksi otot

Pompa ion yang terlibat dalam transport aktif → ATPase dalam membran sel

Fungsi yang khas, seperti lusiferase,

menghasilkan cahaya pada kunang-kunang. Virus, juga mengandung enzim ,

dapat menyerang sel, mis. HIV integrase

Struktur Enzym

Beberapa enzym mengikat molekul non-protein yang disebut cofactor, untuk

meningkatkan aktifitasnya Cofactor :

• zat anorganik (mis., ion logam )

• zat organik (mis.,flavin dan heme) Cofactor organik :

• gugus prosthetic : yang terikat kuat pada enzym

• coenzym : yang dapat lepas dari sisi aktif enzym selama reaksi. Yang termasuk coenzym : vitamin NADH, NADPH dan adenosine triphosphate.

Coenzym yang paling umum

Coenzym Reaksi yang dikatalisisBiotin Carboxylation

Cobalamin (B12) Alkylation transfer

Coenzyme A Acyl transfers

Flavin Oxido-Reduction

Lipoic acid Acyl transfers

Nicotinamide Oxido-Reduction

Pyridoxal phosphate Amino group transfers

Tetrahydrofolate carbon group transfers

Thiamine pyrophosphate

Aldehyde transfer

Struktur Enzyme

Apoenzym Cofactor

• Coenzym

• Prostetik

• Anorganik

Holoenzym

Holoenzym-apoenzym dengan berbagai type cofaktor

ISOZYM / ISOENZYM

isoenzyme (isozym) : beberapa bentuk enzym, yang mengkatalis reaksi yang sama, namun berbeda dalam urutan (sequen) asam amino dalam strukturnya

enzim yg dpt mengkatalisis reaksi yg sama Sifat fisik, kimia atau imunologis beda Membedakan : metode kinetika enzym dan kimia protein Banyak ditemukan pada sel & jaringan vertebrata,

insekta, tanaman, dan organisme uniseluler. Contoh: glukokinase (hati, pankreas) / heksokinase

(dimana-mana)

Contoh Isoenzym

Creatine kinase memiliki dua subunit Creatine kinase (CK), dan creatine phosphokinase (CPK) (EC 2.7.3.2). Ditemukan dalam rangka, otot dan otak yang lainnya dalam otot jantung

ENZYME Protein enzyme berbentuk globular. katalis yang paling efficien untuk reaksi-reaksi

biokimia dalam sel. mengkatalisis reaksi dengan sangat selektif dan

pada reaksi yang benar-benar spesifik. umumnya terdiri dari protein dan non-protein

(disebut : cofactor). Ikatan intra- dan intermolecular yang

menyebabkan terjadinya structur secondary dan tertiary dalam protein akan terganggu dengan adanya perubahan temperatur dan pH.

aktifitas katalitik dari enzym sangat sensitif terhadap temperatur dan pH

Pengaruh Temperatur terhadap

aktifitas katalitik enzym

Aktifitas rendah pada temperatur rendah

Kecepatan bertambah dengan kenaikan suhu

Aktifitas terbaik pada temperatur optimumnya (biasanya pada 37°C)

Aktifitas hilang karena denaturasi pada temperatur tinggi.

Pengaruh Konsentrasi Substrat

terhadap aktifitas katalitik enzym

Menaikkan konsentrasi substrat menaikkan kecepatan reaksi (konsentrasi enzym konstan)

Aktifitas maksimum tercapai bila semua enzym bereaksi dengan substrate

Pengaruh pH terhadap aktifitas katalitik enzym

Aktifitas maksimum pada pH optimum

Gugus R asam amino menghasilkan muatan

Umumnya kehilangan

aktifitasnya pada pH rendah atau tinggi

Perubahan Struktur dapat menghilangkan daya aktif enzim

Model Interaksi Enzym - Substrata. Lock- and- Key Model (Emil Fischer (1894):

• Enzym berikatan dengan substrat pada daerah yang disebut active site

• Hanya substrat tertentu yang cocok dengan active site

• Gugus R dari asam amino pada active site membantu pengikatan substrat

• Terbentuk kompleks enzym –substrat

• Substrat bereaksi membentuk produk

• Produk dihasilkan

b. Induced Fit Model (Daniel Koshland (1958):

• Struktur enzym fleksibel, tidak kaku

• Enzyme dan active site menyesuaikan bentuk dengan substrat

• Perubahan bentuk menambah katalisis selama reaksi

Model Interaksi Enzym - Substrat

Imobilisasi Enzym

Enzym adalah : suatu katalis biologis mampu mengkatalis dalam suasana moderat, larutan

netral, T &P normal katalis yang efisien dan efektif, namun

• Enzym umumnya tidak stabil, tak dapat digunakan dalam pelarut organik atau suhu tinggi

• Sukar memperoleh kembali keaktifan enzym dari suatu campuran reaksi

Untuk mengatasi kelemahan enzym : Sintesa katalis yang aktifitasnya seperti enzym Modifikasi enzym yang dihasilkan mikro organisme : IMOBILISASI ENZYM

Enzym yang di imobilisasi :• Enzym yang secara fisik dibatasi atau dilokalisasi

dalam daerah tertentu dalam ruang,dengan tetap mempertahankan aktifitas katalitiknya dan dapat digunakan secara kontiniu dan berulang

Telah dikembangkan sejak 1960

REKAYASA ENZYM

Mikroorganisme penghasil enzym :• Bakteri : Bacillus subtilis : amilase,protease

• Fungi : Aspergillus sp: amilase,protease,pektinase

• Ragi : S. cereviciae : invertase

Metoda Immobilisasi Enzym

1. Metoda Carrier- Binding :

pengikatan enzym dengan carrier yang tak larut dalam air

2. Metoda Cross-Lingking: melibatkan cross-link antar molekul dari enzym dengan reagensia bi atau multi fungsional

3. Metoda Entrapping : mempersatukan enzym kedalam kisi-kisi dari suatu membran polimer semipermiabel

Aktifitas Enzym

Jumlah enzim sangat kecil : μ g atau unit. Aktifitas ditentukan dengan menghitung produk yang

terbentuk atau penurunan jumlah substrat dalam waktu tertentu untuk volume tertentu

Cara mengukur → bandingkan kecepatan reaksi dengan kecepatan enzim murni.

Unit aktivitas enzim : mikromol substrat yg bereaksi, atau produk yg terbentuk per satuan waktu.

Menurut IUB → 1u = enzim yg mengkatalisis pembentukan 1 mikromol produk per menit

KECEPATAN REAKSI

Grafik berbelok karena:

• substrat makin berkurang

• “product inhibition”

Kinetika enzym

Teori kinetika enzim yang kuantitatif diamati pertama kali tahun 1902, Victor Henri dan Sorensen tahun 1909

Penyelidikan disempurnakan oleh Michaelis-Menten. dikembangkan lebih jauh oleh Briggs dan Haldane , digunakan secara meluas sampai sekarang

Pada kinetika enzim, reaksi dianggap dua tahap.. Tahap pertama, subtrat terikat ke enzim secara

reversible, membentuk kompleks enzim-substrat. Kompleks ini kadang disebut sebagai kompleks Michaelis.

Enzim kemudian mengkatalisasi reaksi kimia dan melepaskan produk.

HIPOTESIS MICHAELIS-MENTEN

E harus berikatan dulu dengan S → ES sebelum P terbentuk :

Kecepatan reaksi ditentukan oleh ES → E + P Bila [E] tetap, maka kecepatan pembentukan P

tergantung pada kadar [S] → grafik linier. Kenyataan → grafik tidak linier.

1 E hanya punya 1 S . Pada awal reaksi → [P] = 0. Kadar [S] selalu lebih besar daripada [E]

E + S E SK1

K2

K3E + P

Inhibisi Enzym

Substrat dan inhibitor berkompetisi satu sama lainnya untuk bereaksi dengan enzym.

Jenis inhibitor :

• Inhibitor Reversibel - Kompetitif

- Non Kompetitif

• Inhibitor Irreversibel - Non Kompetitif

Inhibitor menghambat fungsi / aktifitas enzim→ inhibitor sering digunakan sebagai obat /racun

inhibitor menurunkan laju reaksi enzim

Mekanisme reaksi dan inhibisi

CARA KERJA INHIBITOR1. INHIBITOR MEMILIKI STRUKTUR MOLEKUL MIRIP SUBSTRAT

Inhibitor analog dengan substrat Contoh: Suksinat + FAD → Fumarat + FADH2 Penghambat : Malonat, Oksalat, Propionat dan Glutarat

2. INHIBITOR TIDAK TERIKAT PADA ACTIVE-SITE, TAPI MENGHALANGI IKATAN SUBSTRAT DENGAN ENZYM (STERIC HIDRANCE INHIBITOR)

Contoh: Sulfanilamida mirip PABA, shg menghambat sintesis as. Folat dalam bakteri.

Pengelompokan inhibitor

SIFAT IKATAN:

1. Inhibitor Reversibel : E + I ↔ EI

2. Inhibitor Irreversibel : E + I → EI

SIFAT KINETIK:

1. Inhibitor Kompetitif

2. Inhibitor Non Kompetitif

INHIBITOR KOMPETITIF• Hanya dpt berikatan dg E saja atau S saja, tdk dg ES

• Inhibitor kompetitif mengikat enzim secara reversibel, bersaing dengan substrat

• Efek Inhibitor hilang bila [S] ditingkatkan

• Sering kali strukturnya sangat mirip dengan substrat

INHIBITOR NON KOMPETITIF REVERSIBEL• Dapat berikatan dengan E maupun ES

E + I →EI ES + I → ESI• Berikatan dengan E pada tempat berbeda dg S

• Struktur tidak mirip S

• Efek Inhibitor tidak hilang bila [S] ditingkatkan

INHIBITOR NON KOMPETITIF IRREVERSIBEL• Merubah konformasi seluruh enzim atau merubah

konfigurasi“active site” (derivat fosfofluoridat), sehingga enzim menjadi inaktif.

• Sulit dibedakan dengan Inhibitor non Kompetitif Reversibel.

Asam folat (substrat) (kiri) dan obat anti kanker metotreksat (kanan). Enzym dihidrofolat reduktase

Inhibitor kompetitif

KITA LANJUTKAN :KARBOHIDRAT