Nama : Muhammad Yusuf Arya Ramadhan

Kelompok/Program Studi : Kelompok 2 / Teknologi Bioproses

Materi : Reaksi Biokimia dalam Sel

Outline : (1) Michaelis-Menten

(2) Respirasi

(3) Fermentasi

(4) Nitrifikasi

(5) Hukum Laju

(6) Laju Reaksi menggunakan Diferensiasi Grafik

Pembahasan :

(1) Dalam masa pertumbuhannya, sel mungkin mengalami berbagai reaksi biokimia.

Sebagian besar reaksi yang terjadi dan dijalani oleh sel selama pertumbuhannya adalah reaksi

metabolisme. Beberapa contoh dari reaksi metabolisme ini adalah reaksi katabolisme gula

oleh sel, menghasilkan energi sehingga sel dapat membelah diri dan bereproduksi. Selain itu,

metabolisme sel juga dapat menghasilkan berbagai senyawa seperti etanol, asam levulinat,

dan sebagainya. Seluruh reaksi yang terjadi di dalam sel tersebut berlangsung karena adanya

senyawa katalis berupa enzim. Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa reaksi yang terjadi

di dalam sel merupakan reaksi enzimatik yang secara umum dapat digambarkan sebagai:

Persamaan tersebut dapat dihitung lajunya dengan menggunakan pendekatan persamaan

Michaelis-Menten.

Pada pendekatan Michaelis-Menten, laju pembentukan produk diasumsikan lebih

lambat dibandingkan dengan reaksi reversible kompleks enzim subtrat. Dengan demikian,

laju reaksi dapat ditentukan oleh reaksi lambat, yaitu reaksi pembentukan produk. Pendekatan

ini sering digunakan pada reaksi heterogen, namun dapat digunakan pada reaksi enzim karena

enzim memiliki ukuran molekul yang besar sehingga dapat dianalogikan sebagai katalis padat

pada reaksi kimia. Selain itu, enzim membentuk kompleks enzim-substrat dengan interaksi

ikatan yang lemah sehingga lajunya akan menjadi sangat cepat.

Proses penurunan fungsi Michaelis-Menten adalah sebagai berikut:

Karena kompleks enzim-substrat terbentuk dengan sangat cepat, maka dengan pendekatan

PSSH dapat diasumsikan bahwa d(ES)/dt = 0.

( )

( )( ) ( ) ( )

( )

( )( )

Karena tidak mungkin mengetahui berapa konsentrasi enzim yang bereaksi, maka enzim

dinyatakan dalam konsentrasi enzim total, yaitu

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( )

( )( )

( ) (

( )) ( )

( ) ( )

( )

Maka persamaan untuk kompleks enzim substrat akan menjadi

( )

( )

( )

( )

( ) ( )( )

( )

( ) ( )( )

( )

Dengan demikian, laju pembentukan produk dapat dihitung dengan

( )

( )( )

( )

Persamaan diatas dapat disederhanakan dengan menggunakan parameter Michaelis-Menten,

yaitu

Vmax=k3(Et)

KM=

Sehingga persamaannya menjadi

( )

( )

Persamaan diatas dapat digunakan apabila dalam reaksi tidak terjadi inhibisi. Seperti

yang telah dijelaskan sebelumnya, terdapat beberapa faktor dalam reaksi pada pertumbuhan

sel yang dapat mempengaruhi laju pertumbuhan sel. Beberapa hal tersebut adalah produk dan

substrat itu sendiri. Secara umum, faktor-faktor yang menyebabkan inhibisi dapat disebut

sebagai inhibitor (I). Terdapat tiga tipe inhibitor yang umum terjadi pada suatu reaksi, yaitu

inhibitor competitive, uncompetitive, noncompetitive.

Inhibitor competitive adalah inhibitor yang memiliki kesamaan struktural dengan

substrat yang tinggi, sehingga bersaing dengan substrat untuk memperebutkan sisi aktif dari

enzim. Hal ini mengakibatkan penurunan laju pembentukan produk karena terbentuknya

kompleks enzim-inhibitor. Mekanisme reaksinya dapat dituliskan sebagai:

Persamaan lajunya dapat dituliskan dengan pendekatan PSSH.

][][][][0][

521 SEkSEkESkdt

ESd

][][][52

1 ESkk

kES

][][][0][

43 EIkEIkdt

EId

][][][4

3 EIk

kEI

Karena konsentrasi enzim bereaksi tidak diketahui, digunakan konsentrasi enzim total.

52

1

4

3 ][][][][][][][][][][

kk

SEkEI

k

kEEESEIEE tt

][][1

][][

52

1

4

3 Skk

kI

k

k

EE t

Sehingga persamaan laju reaksinya akan menjadi:

][5 ESkrp

][][52

15 ES

kk

kkrp

][][)()(

][][

][][1

][][

1

4

35252

15

52

1

4

352

15

SkIk

kkkkk

ESkk

Skk

kI

k

k

ES

kk

kk tt

pr

][][

][][

4

3

1

52

1

52

5

SIk

k

k

kk

k

kk

ESkr t

p

][][

][][

4

3

5

SIk

kKK

SEkr

MM

tp

Konstanta laju reaksi dari pembentukan dan penguraian kompleks enzim-inhibitor dapat

dinyatakan dalam suatu konstanta kesetimbangan inhibitor, KI, yaitu:

3

4

k

kK i

][][

][][5

SK

IKK

SEkr

I

MM

tp

][][

1

][max

SK

IK

SVr

I

M

p

Jenis inhibitor berikutnya adalah inhibitor uncompetitive. Inhibitor jenis ini tidak

berkompetisi dengan substrat untuk berikatan dengan enzim, tetapi berikatan dengan

kompleks enzim-substrat sehingga membentuk kompleks inhibitor-enzim-sunstrat. Kompleks

ini mencegah pemisahan kompleks enzim-substrat sehingga tidak terbentuk produk.

Mekanisme reaksinya adalah:

Dengan PSSH, lajunya dapat diturunkan menjadi

][][][][][][][0][

54321 ESkEISkIESkESkESkdt

ESd

532

41

][

][][][][

kIkk

EISkESkES

][][][0][

43 EISkESIkdt

EISd

][][][4

3 ESIk

kEIS

532

31

][

][][][][][

kIkk

ESIkESkES

532

1

532

3

][

][][][

][

][][

kIkk

ESkES

kIkk

IkES

][][][52

1 ESkk

kES

Karena tidak diketahui berapa jumlah enzim yang bereaksi, maka digunakan neraca enzim

untuk mensubstitusi enzim bereaksi dengan enzim total.

][][][][ EISESEE t

][][][][][][4

3

52

1 ESIk

kES

kk

kEE t

][][][][][][][

52

1

4

3

52

1 ESkk

kI

k

kES

kk

kEE t

][][][1][][

52

1

4

3

52

1 Skk

kI

k

kS

kk

kEE t

][][][1

][][

52

1

4

3

52

1 Skk

kI

k

kS

kk

k

EE t

Setelah diketahui berapa enzim bereaksi dalam enzim total, persamaan dikembalikan ke

persamaan kompleks enzim-substrat. Dengan demikian dapat diketahui berapa laju

pembentukan produk.

][][][1

][][][

52

1

4

3

52

152

1

Skk

kI

k

kS

kk

k

ES

kk

kES t

][][][

][][][

1

4

3152

1

SkIk

kSkkk

ESkES t

][][][

][][][

4

3

1

52 SIk

kS

k

kk

ESES t

][][

][

][][][

SK

ISK

ESES

i

M

t

i

M

t

K

ISK

SEES

][1][

][][][

][5 ESkrp

i

M

tp

K

ISK

SEkr

][1][

][][5

i

M

p

K

ISK

SVr

][1][

][max

Jenis reaksi inhibisi yang terakhir adalah inhibisi noncompetitive. Inhibitor jenis ini

tidak berikatan pada sisi yang sama pada enzim sehingga inhibisi dapat terjadi dengan dua

skenario yang keduanya akan membentuk kompleks enzim-substrat-inhibitor. Skenario

pertama adalah Inhibitor menempel pada sisi inhibitor dari enzim setelah enzim berikatan

dengan substrat membentuk kompleks enzim-substrat. Skenario kedua adalah ketika substrat

menempel setelah inhibitor membentuk kompleks enzim-inhibitor. Dengan demikian,

inhibitor jenis ini seakan-akan adalah gabungan dari inhibitor competitive dan uncompetitive.

Karena baik substrat maupun inhibitor tidak berkompetisi dalam pembentukan kompleks

dengan enzim, maka dapat diasumsikan bahwa konstanta disosiasi dari persamaan

kesetimbangan 1 dan dua adalah sama. Asumsi ini juga berlaku pada persamaan

kesetimbangan dua dan empat. Dengan demikian, dapat diperoleh persamaan sebagai berikut:

Dengan menggunakan PSSH didapatkan

][][][ ESKES S

][][][ EIKEI I

][][][ 65 EISkSEIk

][][][][ SEIKEIS SI

][][][ 87 EISkIESk

][][][][ SEIKEIS IS

Dengan neraca enzim dapat diperoleh

][][][][][ EISEIESEE t

][][][][][][][][][ SEIKEIKESKEE SIiSt

][][][][1

][][

ISKIKSK

EE

SIiS

t

Dengan pendefinisian parameter sebagai

SiSIIS

I

i

S

M KKKKK

KK

K .;1

;1

Dapat dihitung laju pembentukan produknya sebagai

][9 ESkrp

i

m

p

K

IKS

SVr

][1)(

][max

(2) Respirasi adalah proses penguraian bahan makanan yang menghasilkan energy

yang dilakukan oleh semua penyusun tubuh. Respirasi dilakukan baik pada siang maupun

malam hari.

2.1 Aerobic Respiration

Pada respirasi pembakaran glukosa oleh oksigen akan menghasilkan energi

karena semua bagian tumbuhan dan hewan tersusun atas jaringan dan jaringan

tersusun atas sel, maka respirasi terjadi pada sel (Campbell, 2002).

Persamaan reaksi nya adalah sebagai berikut:

C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + 2900 kJ/mol

Glukose + Oksigen Karbon dioksida + air + energi

Pada persamaan diatas, dapat dilihat bahwa glukosa dipecah oleh

oksigen untuk menghasilkan energi dengan karbon dioksida dan air

diproduksi sebagai produk sampingan. Sekitar 2900 kJ energi diproduksi setip

1 mol glukosa yang dipecah. Energi yang dihasilkan tersebut akan digunakan

untuk memproduksi Adenosine triphosphate (ATP). ATP merupakan sumber

energy yang disimpan untuk kemudian digunakan. Respirasi aerob

berlangsung baik pada hewan maupun tumbuhan. Oksigen memasuki sel

tumbuhan melalui stomata. Tumbuhan memproduksi makanan mereka

sendiri melalui fotosintesis dan menghasilkan energy darinya. Berikut

persamaan reaksi fotosintesis.

Karbon dioksida + air Glukosa + Oksigen

Dengan membandingkan kedua persamaan reaksi tersebut, dapat dilihat

bahwa respirasi aerob merupakan kebalikan dari reaksi fotosintesis.

2.2 Anaerobic Respiration

Apabila pada lingkungan tidak tersedia oksigen yang cukup, baik

tumbuhan maupun hewan akan tetap melakukan respirasi tanpa oksigen atau

biasa disebut respirasi anaerob.

2.2.1 Hewan

Pada hewan, otot membutuhkan oksigen dan glukosa untuk

menghasilkan energi. Namun apabila tidak terdapat cukup oksigen,

sel-sel pada hewan akan melakukan respirasi secara anaerob.

Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:

Glukosa Asam Laktat + Energi

C6H12O6 2C3H6O3 + 120 kJ/mol

Respirasi anaerobik tidak lebih efisien dari respirasi aerobik, karena

hanya sejumlah kecil energi dihasilkan

2.2.2 Tumbuhan

Pasokan oksigen untuk tanaman juga dapat menurun, hal ini terjadi

sebagai contoh jika tanah mengalami waterlogged. Dalam hal ini

mereka harus mendapatkan energi mereka melalui respirasi

anaerob. Persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:

Glukosa Etanol + Karbon dioksida + Energi

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + Energy

(3) 3.1 Fermentasi Alkohol

Fermentasi adalah proses penguraian bahan-bahan organik menjadi ATP

dengan hidrogen sebagai akseptornya. Sedangkan fermentasi alcohol adalah

fermentasi gula oleh semacam jamur, protista, dan beberapa bacteria yang

menghasilkan ethanol dan CO2. Proses fermentasi glukosa menjadi alkohol

adalah sebagai berikut:

C6H12O6 + khamir 2 C2H5OH +2 CO2

(Glukosa) (Etil alkohol) (Karbondioksida)

3.2 Fermentasi Asam Laktat

Fermentasi asam laktat adalah respirasi yang terjadi pada sel hewan atau

manusia, ketika kebutuhan oksigen tidak tercukupi akibat bekerja terlalu berat.

Di dalam sel otot asam laktat dapat menyebabkan gejala kram dan kelelahan.

Laktat yang terakumulasi sebagai produk limbah dapat menyebabkan otot

letih dan nyeri, namun secara perlahan diangkut oleh darah ke hati untuk

diubah kembali menjadi piruvat. Reaksinya adalah sebagai berikut:

C6H12O6 2 Asam Piruvat 2 Asam laktat + 2 ATP

3.3 Fermentasi Asam Cuka

Merupakan suatu contoh fermentasi yang berlangsung dalam keadaan aerob.

Fermentasi ini dilakukan oleh bakteri Acetobacter aceti dengan substrat etanol.

Energi yang dihasilkan 5 kali lebih besar dari energi yang dihasilkan oleh

fermentasi alkohol secara anaerob. Reaksinya adalah sebagai berikut:

C6H12O62 C2H5OH2 CH3COOH + H2O + 116 kal

(4) Nitrifikasi merupakan proses dimana ammonium (NH4+) atau ammonia (NH3)

dioksidasi menjadi Nitrit (NO2-) dengan bakteri pengoksidasi ammonia atau AOB, dan nitrit

dioksidasi menjadi nitrat (NO3-) oleh bakteri pengoksidasi nitrit atau NOB. Dua proses

pada nitrifikasi adalah nitrifikasi dan nitratasi. Kelompok bakteri yang bersifat kemo-

litho-autotrof, yang mendapatkan energi dari energi kimia. Donor elektron mereka

adalah senyawa anorganik dan sumber karbon mereka berasal dari karbon dioksida

(CO2), atau karbon dalam bikarbonat (HCO3-

).

4.1 Nitritasi

Proses pertama dari nitrifikasi adalah nitritasi. Dalam proses ini NH4+ dioksidasi

menjadi NO2-. Proses ini dibagi menjadi 3 tahap, yaitu:

Step 1: NH3, dioksidasi menjadi hydroxyl-amine (NH2OH) dengan bantuan

enzyme mono-oxygenase (NH3 + O2 + 2H+ +2e

- NH2OH + H2O).

Step 2: NH2OH dioksidasi menjadi NO2- (NH2OH + H2O NO2

- + 5H

+ + 4e

-)

Step 3: Elektron dan oksigen dan ion hydrogen bebas dikonversi menjadi air.

(½O2 + 2H+ + 2e

-H2O).

Sehingga total reaksinya menjadi:

NH3 + 1.5 O2 NO2- + H

+ + H2O

4.2 Nitratasi

Tahap kedua nitrifikasi adalah nitratasi. NOB menggunakan enzyme nitrite

oxidoreductase (NOR) untuk mempercepat prosesnya. Reaksi berlangsung melalui

2 tahap, yaitu:

Step 4: NO2- dioksidasi menjadi NO3

- dengan bantuan enzim NOR

Step 5: oksigen yang tersisa, electron, dan proton menyatu menjadi air.

Total Reaksi: NO2- + ½O2 NO3

-

Reaksi nitrifikasi total adalah:

NH3 + 2 O2 NO3- + H

+ + H2O

(5) Sel + Substrat Sel + Produk

Persamaan yang sering digunakan untuk exponential growth adalah persamaan monod, yaitu:

Dimana rg merupakan laju pertumbuhan sel (g/dm3.s), Cc merupakan konsentrasi sel (g/dm

3),

dan µ merupakan laju pertumbuhan spesifik (s-1

).

Dimana μmax adalah laju pertumbuhan spesifik maksimum (s-1

), Ks merupakan konstanta

Monod (g/dm3), dan Cs merupakan konsentrasi substrat.

Kedua persamaan diatas dapat digabungkan menjadi

Pada bakteri, K akan bernilai sangat kecil, sehingga persamaan diatas dapat disedehanakan

menjadi

Pada beberapa sistem, produk yang dihasilkan dapat menjadi penghambat bagi laju

pertumbuhan. Untuk menghitung penghambatan yang terjadi dapat digunakan persamaan:

Persamaan lainnya untuk menghitung laju pertumbuhan sel adalah

(6) Laju reaksi dapat dinyatakan sebagai berkurangnya jumlah konsentrasi pereaksi per

satuan waktu atau bertambahnya jumlah konsentrasi hasil reaksi per satuan waktu. Laju

volumetrik reaksi dalam system tertutup dapat ditentukan dengan mengukur perubahan laju

pada adanya reaktan, ketersediaan reaktan yang terlibat dalam satu reaksi. Salah satu cara

yang jelas untuk menentukan laju rekasi adalah untuk menarik garis singgung kurva pada

grafik 1 (a) pada berbagai waktu dan mengevaluasi lereng garis singgung yang ditunjukkan

pada grafik 1 (b).

Menggambar garis singgung kurva adalah prosedur yang sangat subjektif dan sangat rentan

terhadap ketidaktelitian, walaupun dengan perangkat gambar yang khusus sekalipun. Hasil

yang diperoleh sangat bergantung pada cara data dihaluskan dan garis dari tampilan kurva

di titik-titik yang dipilih. Teknik yang lebih dapat digunakan dengan baik adalah metode

diferensiasi grafis pada perhitungan data laju reaksi. Metode ini didasarkan ada diferensiasi

Grafik 1 (a) change in reactant concentration with time during reaction (b) graphical

differentiation of concentration data by drawing a tangent. Sumber: Doran, 1995

data-data percobaan (konsentrasi versus waktu) untuk memperoleh kecepatan reaksi yang

sebenarnya. Pada metode ini, analisis data kinetika dilakukan dengan menduga beberapa

hubungan antara kecepatan reaksi sebagai fungsi konsentrasi dan menguji dugaan-dugaan

tersebut melalui grafik-grafik yang bersesuaian.

A. Average Rate-Equal Area Method

Metode ini digunakan untuk menentukan laju didasarkan pada average rate-equal area

contruction, Langkah-langkah untuk metode ini adalah:

1. Mentabulasi data ∆CA dan ∆t dari data konsentrasi dan waktu yang telah

didapat.

2. Menghitung laju rata-rata, ∆CA/∆t, pada setiap interval waktu

3. Mem-plot ∆CA/∆t di grafik linier. Pada setiap interval waktu, garis horizontal

ditarik untuk mewakili ∆CA/∆t untuk interval tersebut

4. Menggambar kurva halus untuk memotong garis horizontal yang ada

sedemikian rupa sehingga daerah yang diarsir baik di bagian atas dan di bagian

bawah kurva tersebut adalah sama untuk setiap interval waktu. Kurva tersebut

kemudian dikembangkan sehingga nilai-nilai dCA/dt untuk semua titik dalam

fungsi waktu. Hasil untuk memberikan dCA/dt pada saat sampling dapat dibaca

dari kurva dan ikut ditabulasikan juga pada table sebelumnya.

Contoh:

Untuk mengilustrasikan metode ini bisa menggunakan data serapan oksigen oleh sel yang

diimobilisasi. Hasil dari pengukuran oksigen dalam system tertutup sebagai fungsi waktu

dan juga langkah-langkah dalam metode ini ditabulasikan pada tabel 1.

Time (t, min) Oxygen

Concentration

(CA, ppm)

∆CA ∆t ∆CA/∆t dCA/dt

0.0 8.00 -0.59

1.0 7.55 -0.45 1.0 -0.45 -0.38

2.0 7.22 -0.33 1.0 -0.33 -0.29

3.0 6.96 -0.26 1.0 -0.26 -0.23

4.0 6.76 -0.20 1.0 -0.20 -0.18

5.0 6.61 -0.15 1.0 -0.15 -0.14

6.0 6.49 -0.12 1.0 -0.12 -0.11

8.0 6.33 -0.16 2.0 -0.08 -0.06

10.0 6.25 -0.08 2.0 -0.04 -0.02

Tabel 1. Data Percobaan dan Hasil Pengolahan. Sumber: Doran, 1995

Kelemahan dari diferensiasi grafis dengan metode ini adalah akan sangat sulit untuk

diterapkan apabila data yang tersedia beragam atau acak. Bila perhitungan konsentrasi

tidak akurat, maka garis horizontal yang terbentuk tidak simetris secara simultan. Oleh

karena itu, pada langkah ke-4, penarikan garis kurva halus yang memotong tept tengah

pada garis harus berupa naik turun. Akan tetapi, differensiasi data yang seperti ini

termasuk tidak realistis untuk perhitungan laju reaksi.

B. Mid-Point Slope Method

Pada metode ini, data mentah dihaluskan dan nilai tersebut kemudian ditabulasikan pada

interval tertentu. Langkah-langkah untuk metode ini adalah:

1. Mem-plot data mentah ke grafik yang dihaluskan

2. Menandai kurva yang telah halus pada interval waktu (e – e) harus dipilih

sehingga jumlah interval kurang dari jumlah titik data yang diukur, semakin

kurang akurat data yang diukur, semakin sedikit interval yang diambil.

3. Dalam metode kemiringan mid point, laju reaksi dihitung pada titik pertengahan

antara dua interval yang berdekatan dengan lebar e. Oleh karena itu, penentuan

laju pertama ditentukan pada saat t = 1 menit. Hitung perbedaan [(CA)t+e - (CA)t-

e].

4. Kemiringan atau laju dapat ditentukan menggunakan rumus central-difference

( ) ( )

Grafik 2. (kiri) Graphical

differentiation using the

average rate-equal area

construction. (kanan)

average rate-equal area

method for data with

experimental error.

Sumber: Doran, 1995

Contoh:

Metode lereng mid point ini diilustrasikan dengan menggunakan data dari tabel pada

metode sebelumnya, yaitu hasil dari pengukuran oksigen dalam sIstem tertutup sebagai

fungsi waktu.

Tabel 2. Graphical Differentiation using the mid point slope methode

Time (t, min) Oxygen

Concentration

(CA, ppm)

∆t [(CA) t+e - (CA) t-e]. dCA/dt

0.0 8.00 - -

1.0 7.55 1.0 -0.78 -0.39

2.0 7.22 1.0 -0.59 -0.30

3.0 6.96 1.0 -0.46 -0.23

4.0 6.76 1.0 -0.35 -0.18

5.0 6.61 1.0 -0.27 -0.14

6.0 6.49 1.0 -0.22 -0.11

8.0 6.33 2.0 -0.24 -0.06

10.0 6.25 2.0 - -

Sumber: Doran, 1995

Grafik 3. Data yang telah

dihaluskan. Sumber: Doran,

1995