Pemicu 1 : Kinetika

Pertumbuhan Sel

Kelompok 4

Angelina (1406533522)

Mauhibah Yumna (1406577650)

M Galih Utomo (1406533554)

Wawan Irawan (1406544636)

Woro Bismo (1406533472)

1. Bagaimana mekanisme biokimia secara

umum dalam pertumbuhan sel? Bagaimana

pula fase-fase yang dialami oleh sel dalam

masa pertumbuhannya?

Apa itu Biokimia?

Biokimia adalah ilmu yangmempelajari reaksi yang terjadi di dalamatau berhubungan dengan makhluk hidup.Reaksi biokimia umumnya mempelajaritentang reaksi makromolekul kehidupan(karbohidrat, lemak, protein, asam nukleat),dan molekul atau ion lain yang berhubungandengan kehidupan makhluk hidup(contohnya air).

Bagaimana peranan biokimiadalam pertumbuhan sel?

Reaksi-reaksi biokimia sangat berperan dalamsiklus hidup sel, karena tanpa reaksi-reaksitersebut sebuah sel tidak dapat bertahanhidup. Mempelajari reaksi-reaksi biokimiadapat membuat kita mengerti lebih jauhtentang siklus hidup dan pertumbuhan sel,serta memanfaatkan pengetahuan itu untukdiaplikasikan di bidang-bidang lain, sepertimedis dan pertanian.

Sasaran Biokimia

Mempelajari pertumbuhan sel baik kecepatan/produk dan waktu yang dapat direkayasa

Mempelajari jalur-jalur metabolisme dalam pertumbuhan sel & mekanisme pengendaliannya

Struktur kimia dari komponen makhluk hidup dan hubungan antara struktur kimia dengan fungsi biologis

Mempelajari metabolisme, yaitu keseluruhan reaksi kimia dalam makhluk hidup

Proses kimia dan substansi yang menyimpan dan mengirimkan informasi biologis

Mempelajari aktivitas katalitik enzim

Kurva Pertumbuhan Sel

Kurva pertumbuhan sel (Sumber: www.exptec.com)

Fase Lag

• Terlihat mendatar padakurva karena tingkatpertumbuhan sel sangatsedikit.

• Sel mulai beradaptasi danmengumpulkan energidengan memulai reaksienzimatis untukmenguraikan substrat dannutrien.

• Lamanya bergantung padamedium tumbuh danjumlah awal sel yangmempengaruhi waktuadaptasi.

Fase Akselerasi

Fase dimana sel sudah selesai melakukan masa adaptasi namun tingkat pertumbuhannya masih rendah

Fase Eksponensial

• Tingkat aktivitas selmencapai kecepatanmaksimum yang dapatterlihat dari bentuk kurvayang eksponensial.

• Dipengaruhi olehberagam faktor biologisdan nonbiologis, sepertisifat sel, asosiasiorganisme di mediumtumbuh, kandungannutrien, dan lain-lain

Fase Pengurangan (reduction)

Tingkat pertumbuhan selmengalami penurunan,karena nutrien yangdibutuhkan sudahhampir habis atau sel-selyang terdapat padamedium mati karenaterpapar hasilmetabolisme yangbersifat racun ataupersaingan denganorganisme lain.

Fase Stasioner

• Kurva mendatar menunjukan tingkat pertumbuhan selsama dengan tingkat kematian sel. Pada fase ini selmengalami resistensi yang lebih tinggi terhadap faktoreksternal seperti suhu dan zat kimia.

• Nutrisi di medium sangat berkurang

• Terbentuk senyawa penghambat

• Lingkungan mulai tidak menguntungkan

Fase Kematian

• Tingkat kematian selsudah lebih banyakdibandingkan tingkatpertumbuhan sel.

• Nutrien sudah habissehingga sel tidak lagidapat melakukanpertumbuhan, namunhasil metabolisme yangbersifat toksik semakinbanyak dan persainganantar organismesemakin ketat sehinggasel yang mati lebihbanyak dari sel yanghidup.

2. Bagaimana Anda mengukur dan

menganalisis pertumbuhan sel?

(parameter pertumbuhan sel)

Jumlah Total Sel

Pertambahan atau pengurangan banyaknya sel N dari sampel yang diambil berbanding lurus dengan jumlah total sebenarnya

di mana• µ = laju pertumbuhan spesifik per

waktu• X(t) = jumlah total sel per waktu

X(t) = µ (t) X(t)

Aktivitas Populasi Mikrobialdalam Biakan Sistem Tertutup

di mana

• Xo: jumlah sel pada waktu nol,

• X: jumlah sel pada waktu t,

• t: waktu pertumbuhan diamati.

ln X = ln Xo + μ(t)

Doubling Time

Untuk memperkirakan kerapatan populasi pada waktu yang akan datang dengan μsebagai konstanta pertumbuhan yang berlaku. Parameter penting untuk konstanta pertumbuhan populasi secara eksponensial adalah waktu generasi (waktupenggandaan). Penggandaan populasi terjadi saat X / Xo =2, sehingga:

td = ln 2/µ

Laju Pertumbahan Sel

Untuk mengukur pertumbuhan sel, kita dapat menentukannya dengan menggunakan persamaan laju pertumbahan sel (rx)

dimana :

• μ = konstanta kecepatan pertumbuhan

• CX = konsentrasi sel kering per unit volum

rx = μ . CX

Cara Mengukur dan Menganalisis Pertumbuhan Sel

Aktivitas dari pertumbuhan sel dapat diukur secara kuantitatif, baik jumlah maupun perubahan laju dari massa sel. Terdapat dua kategori metode yang dapat digunakan:

Pengukuran Banyaknya

SelBerat Sel

Pengukuran Mikroskopis Langsung

Secara umum, metode yang dilakukan adalah menghitung sel pada slide kaca. Dengan slide Petroff-Hauser, dapat digunakan untuk menghitungbanyaknya sel pada setiap kamar/kotak hemocytometer.

Massa Jenis Sel =Rata − rata sel per kotak

Volume kotak

Diperlukan staining karena jumlah sel mati dan hidup tidak terlihat.

Mikroskop (Sumber: instr.bact.wisc.edu)

Plat Penghitung Sel Hidup

• Teknik yang dilakukan pada metode ini adalah dengan membuat mikroba bertumbuh pada medium (kloning). Kemudian mikroba yang ada dihitung pada plat penghitung sel hidup dengan teknik pengukuran koloni yang terbentuk (CFU).

• Dapat juga diaplikasikan pada mikroba pada lingkungan bebas. Namun, perlu diketahui bahwa mikroba yang terkandung pasti banyak sehingga pertumbuhan pada medium tertentu akan berbeda.

Plating and CFU Counting (Sumber:

upload.wikimedia.org)

Penghitung Coulter

Penghitung yang ditemukan oleh Coulter inimenggunakan arus listrik melaui sebuah lubang.Setiap mikroba yang melewati lubang, tahanan akanbertambah dan arus menurun. Jumlah arus ini dapatterekam pada suatu alat dan dapat menunjukkanpengurangan arus sebandung dengan volume sel.Instrumen ini dapat memberikan banyaknya sel dandistribusi ukuran sel tetapi tidak memberikan infotentang bentuk sel. Partikel yang dapat dihitungadalah partikel yang berukuran 0,5-200 µm.

Coulter Counter (Sumber: instr.bact.wisc.edu)

Aliran Cytometer (Flow Cytometri)

Metode ini dilakukan denganmemanfaatkan sifat optis dari sel.Sampel yang telah dikultur diencerkan di aliran yang akanmemisahkan sel secara membujurdari sel lain. Aliran melaui laserbeam, absorption, flouresence, ataulight diffusion untuk menyampaikanperhitungan sel. Selektifitas jugadapat ditingkatkan dengan melabeldengan flouresencent dye.Pengurutan sel selesai denganmemasukkan muatan pada tetesyang mengandung sel yangdiinginkan. Muatan membuat tetestersebut terbelokkan ke detektor.

Flow Cytometer

(Sumber: www.biocompare.com)

Dry Cell Weight (Berat Sel Kering)

Teknik ini dilakukan dengan mengeringkan sampeldengan proses sentrifugasi atau filtrasi, dicucidengan air atau buffer, dan dikeringkan pada 80derajat celcius. DCW sering digunakan padafermentor. Sampel broth diambil dari fermentorkemudian ukur volumenya. Sel dipisahkan dengansentrifugasi atau filtrasi, namum biasanya masihterdapat pengotor lain yang bukan merupakan selsehingga perlu diperlakukan beberapa metodeseperti penambahan buffer untuk menhilangkanasam. Kemudian sel dikeringkan dan ditimbang.

Packed Cell Volume (PCV)

PCV sering digunakan pada industry plant untuk mengikuti kinerik fermentasi. PCV tergantung tidak hanya pada massa sel, tetapi juga pada kecepatan sentrifugal dan waktu, banyaknya padatan non-selular, mofologi kultur, dan osmolaritas dari medium. Kondisi sentrifugasi biasanya di set untuk mengurangi efek dari variabel lain. Banyaknya padatan nonselular akan berkurang seiring dengan pertambahan waktu. Padatan akan mengendap lebih dulu daripada sel sehingga dapat menghitung berat padatan yang ada.

Turbiditas (kekeruhan)

Turbiditas adalah teknik yang paling sering digunakan pada pengukuran pertumbuhan mikroba.

Spektrofotometer

Visual method

Nephelometric method

Image Analysis

• Khusus untuk kasus pertumbuhanfilamentous dan pembentukan pellet, sulituntuk mengukur pertumbuhan dari selatau massa total sel.

• Analisis ini dapat menjadi alat bergunauntuk mengklasifikasi biomassa.

• Diambil gambar dari broth fermentasi dandiproses dengan software komputer.

3. Bagaimana substrat dan pembentukan

produk dalam sel dapat menginhibisi

pertumbuhan sel? Dapatkah anda

menjelaskan faktor-faktor lainnya yang

dapat menginhibisi laju pertumbuhan sel?

Faktor-faktor yang Menginhibisi Reaksi Pertumbuhan Sel

• Senyawa Kimia

• Pembentukan Produk

• pH

• Suhu

• Cahaya

• Air

• Kelembaban

• Potensial Oksidasi – Reduksi

• Keberadaan Gas

• Keberadaan Antibiotik

• Salinitas

• Kondisi osmotik

• Logam Berat

• Inhibisi oleh substrat ini sering dianggap sebagai sifat biokimia dari substrat yang aneh dan menganggu proses berjalannya reaksi kimia.

• Mekanisme inhibisi oleh substrat ditunjukkan pada Gambar 2. Terlihat substrat menyerang kompleks enzim substrat sehingga membentuk kompleks enzim-substrat-substrat.

Grafik pengaruh kadar substrat terhadap kecepatan

pertumbuhan spesifik Sumber: Julianti, Elisa. 2013)

Inhibisi oleh Substrat

• Tahap Reaksi:

𝐸 + 𝑆 𝑘1𝐸 ∙ 𝑆

𝐸 ∙ 𝑆𝑘−1

𝐸 + 𝑆

𝐸 ∙ 𝑆 𝑘2𝐸 + 𝑃

𝑆 + 𝐸 ∙ 𝑆 𝑘3𝑆 ∙ 𝐸 ∙ 𝑆 (𝑖𝑛𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓)

𝑆 ∙ 𝐸 ∙ 𝑆𝑘−3

𝑆 + 𝐸 ∙ 𝑆

Mekanisme inhibisi oleh substrat (Sumber:http://www1.lsbu.ac.uk/)

Inhibisi oleh Substrat (2)

• Inhibisi oleh produk kadang disebut sebagai negative feedbackatau inhibition feedback.

• Inhibisi oleh produk adalah suatu tipe inhibisi enzim dimanaproduk dari suatu reaksi enzimatis menempel pada enzim danmenghambat aktivitasnya.

• Hal ini penting pada regulasi metabolisme sebagai suatubentuk negative feedback yang mengontrol siklusmetabolisme.

Gambar x. Mekanisme inhibisi oleh produk (Sumber:

http://www.csun.edu/)

Inhibisi oleh PembentukanProduk

• Pada dasarnya, inhibisi oleh produk adalah suatu halyang merugikan dan dalam bioteknologi selaluberusaha dihilangkan karena dapat meningkatkanyield produksi, contohnya dalam produksi antibiotik.

• Pada inhibisi ini, produk secara struktur mirip dengansubstrat sehingga akan berkompetisi dengan substratuntuk menempel pada sisi aktif enzim.

Contoh inhibisi oleh produk (Sumber: http://www.citruscollege.edu/)

Inhibisi oleh PembentukanProduk (2)

• Faktor-faktor lainnya yang dapat menginhibisi reaksi enzimatisadalah inhibitor kompetitif, non-kompetitif, dan inkompetitif,serta isomerisasi kompleks EI menjadi EI* yang inaktif.

• Inhibitor kompetitif mempunyai struktur yang mirip dengansubstrat sehingga akan berkompetisi dengan substrat untukmenempel pada sisi yang sama pada enzim yaitu sisi aktifnya.

• Inhibitor non-kompetitif tidak mirip secara struktural dengansubstrat sehingga akan menempel pada sisi yang berbedadengan sisi aktif enzim, namun mengubah bentuk enzimsehingga substrat tak dapat menempel dengan enzim.

• Pada inhibisi inkompetitif, inhibitor dapat hanya dapatmenempel pada enzim apabila enzim telah berikatan dengansuatu substrat atau lebih.

Inhibisi oleh Faktor Lainnya

Inhibisi olehFaktor

Lainnya

Mekanisme inhibisi kompetitif (Sumber: http://www.csun.edu/)

Mekanisme Inhibisi Non-Kompetitif (Sumber: http://www.csun.edu/)

Mekanisme inhibisi Inkompetitif (Sumber: http://www.csun.edu/)

Inhibisi oleh Faktor Lainnya

4. Dengan adanya pertumbuhan sel ini, dapatkah

anda menjelaskan mekanisme-mekanisme reaksi

yang mungkin dijalani oleh sel dalam masa

pertumbuhannya? Bagaimana menentukan laju

reaksinya dari masing-masing mekanisme

tersebut?

• Pertumbuhan pada sel melibatkan metabolismeenergi, di mana Metabolisme adalah suatuproses komplek yang terjadi didalam sel dimanaterjadi perubahan makanan menjadi energi danpanas melalui suatu proses kimia, berupa prosespembentukan dan penguraian zat.

• Metabolisme bertujuan untuk menghasilkanenergi yang berguna bagi kelangsungan hidup,baik untuk pembelahan sel maupun transpormolekul ke luar dan ke dalam sel.

• Metabolisme sering disebut dengan reaksienzimatis, karena metabolisme terjadi selalumenggunakan katalisator enzim.

Mekanisme ReaksiPertumbuhan Sel

• Anabolisme merupakan rangkaian reaksi kimia yang substratawalnya adalah molekul kecil dan produk akhirnya adalahmolekul besar, bertujuan untuk penyusunan atau sintesismolekul.

• Contoh : Pada reaksi fotosintesis berikut.

Fotosintesis

Gelap Terang

Anabolisme

Proses Penyerapan Energi Cahaya

Beratus- ratus pigmen fotosintesis (fotosistem) meyerap foton

Energi eksitasi dibawa oleh pigmen ke pigmen lainnya hingga ke klorofil a

Klorofil a teraktivasi memberikan elektron ke molekul penerimaelektron dalam sistem transpor elektron

Fotosintesis Terang

Proses Penyerapan Energi Cahaya

(Sumber: http://www.csun.edu/)

Fotosintesis Gelap (Calvin-Benson)

• Berlangsung dalam gelap, dan hanya dapat berlangsung jika ada ATP dan NADPH (yang dihasilkan proses terang)

• Memerlukan ATP, hidrogen, dan elekton dari NADPH, karbon dan oksigen dari karbon dioksida, enzim yang mengkatalisis setiap reaksi, dan RuBP.

Karbon dioksida diikat oleh RuBP menjadi senyawa 6 karbon, yang lalu memecah menjadi 2 fosfogliserat (PGA)

Masing masing PGA menerima gugus fosfat dari ATP dan menerima hidrogen serta elektron dari NADPH, menghasilkan PGAL

Untuk setiap 6 molekul CO2 yang diikat menghasilkan 12 PGAL

Dari 12 PGAL, 10 molekul kembali ke tahap awal menjadi RuBP, dan seterusnya RuBP akan mengikat CO2 yang baru

2 PGAL lainnya akan berkondensasi menjadi glukosa 6 fosfat

𝐶6𝐻12𝑂6 + 6𝑂2 6𝐶𝑂2 + 6𝐻2𝑂

Merupakan rangkaian reaksi yang bertujuanuntuk pembongkaran atau penguraian suatumolekul.

Bersifat eksergonik.

Berfungsi menyediakan bahan baku untuksintesis molekul lain .

Menyediakan energi kimia yang dibutuhkanuntuk melakukan aktivitas kehidupan.

Katabolisme

Pati

Glukosa

Maltosa danpolimer glukosa

Glukosa dangalaktosa

Glukosa danfruktosa

SukrosaLaktosa

PtialinAmilase

SukraseLaktaseMaltase dan 𝛼 −𝑑𝑒𝑘𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑎𝑠𝑒

Pemecahan polisakarida dandisakarida menjadi monosakarida

• Pertumbuhan sel merupakan salah satu dari rangkaianaktivitas sel yang fungsinya untuk mempertahankankehidupannya. Setiap pertumbuhan sel mengikutiaturan-aturan berikut,

𝐶𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 + 𝑁𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 + 𝑝ℎ𝑜𝑠𝑝ℎ𝑎𝑡𝑒 + 𝑂2 𝐶𝑒𝑙𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑠 +𝐶𝑂2 +𝐻2𝑂 + 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡 + ℎ𝑒𝑎𝑡

• Bila pertumbuhan sel terjadi saat kondisi aerob, maka

𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 +𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒

+𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒

+𝑜𝑥𝑦𝑔𝑒𝑛𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒

+𝑝ℎ𝑜𝑠𝑝ℎ𝑎𝑡𝑒𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒

+⋯

𝑐𝑢𝑙𝑡𝑢𝑟𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 (𝑝𝐻,𝑇,𝑒𝑡𝑐.)

𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡 +𝑚𝑜𝑟𝑒𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠

Menentukan Laju Reaksi

Persamaan Monod

• Persamaan laju pertumbuhan sel mengikutialur mekanisme sel sebagai berikut:

𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 + 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑚𝑜𝑟𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 + 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡

• Persamaan Monod untuk pertumbuhaneksponensial (log phase) adalah sebagaiberikut

𝑟𝑔 = 𝜇 𝐶𝑐dimana 𝑟𝑔 adalah cell growth rate (g/dm3.s)𝐶𝑐 adalah cell concentration (g/dm3)𝜇 adalah specific growth rate (s-1).

Laju Pertumbuhan Spesifik

• Laju pertumbuhan spesifik 𝜇 dapatditunjukkan dengan persamaan

𝜇 = 𝜇𝑚𝑎𝑥

𝐶𝑠𝑘𝑠 + 𝐶𝑠

• 𝜇𝑚𝑎𝑥 adalah laju reaksi pertumbuhanspesifik maksimum (s-1)

• 𝑘𝑠 adalah konstanta Monod (g/dm3)• 𝐶𝑠 adalah konsentrasi substrat (g/dm3)• Nilai 𝜇𝑚𝑎𝑥 dan 𝑘𝑠 yang biasa digunakan,

masing-masing, adalah 1,3 h-1 dan 2,2 x 10-5mol/dm3.

• Apabila persamaan Monod dan laju pertumbuhan spesifik digabungkan maka didapatkan persamaan

𝑟𝑔 = 𝜇𝑚𝑎𝑥

𝐶𝑠 𝐶𝑐𝑘𝑠 + 𝐶𝑠

• Apabila konstanta 𝑘𝑠 kecil maka 𝑟𝑔= 𝜇𝑚𝑎𝑥 𝐶𝑐.

• Inhibitor produk dapat mempengaruhi pertumbuhan sel sebagai contoh fermentasi glukosa yang memproduksi etanol dan diinhibisi oleh etanol itu sendiri.

• Maka persamaan empirisnya adalah

𝑟𝑔 =𝑘𝑜𝑏𝑠 𝜇𝑚𝑎𝑥𝐶𝑠 𝐶𝑐

𝑘𝑠 + 𝐶𝑠

Monod + Laju PertumbuhanSpesifik

Persamaan-Persamaan LajuPertumbuhan Sel

• Persamaan lain untuk menentukan laju pertumbuhan sel adalah persamaan Tessier, yakni

𝑟𝑔 = 𝜇𝑚𝑎𝑥 1 − exp −𝐶𝑠𝑘

𝐶𝑐

• dan Persamaan Moser

𝑟𝑔 = 𝜇𝑚𝑎𝑥

𝐶𝑐

1 + 𝑘𝐶𝑠−𝜆

• dimana λ dan k adalah konstanta empiris.• Persamaan Moser dan Tessier sering digunakan

karena keduanya menemukan data eksperimen yang tepat dan lebih baik pada awal atau akhir fermentasi.

Fase Kematian Sel

• Pada fase kematian sel persamaan lajunyamenjadi

𝑟𝑑 = 𝑘𝑑 + 𝑘𝑡𝐶𝑡 𝐶𝑐

• dimana 𝐶𝑡 adalah konsentrasi racun yangmengenai sel

• 𝑘𝑑 adalah kematian alami

• 𝑘𝑡 adalah kematian yang disebabkan oleh racun

• Nilai representatif 𝑘𝑑 berada di antara 0,1 h-1

hingga di bawah dari 0,0005 h-1, sedangkan 𝑘𝑡merupakan racun alam.

5. Bagaimana Anda menghitung laju

reaksi dari suatu data konsentrasi

menggunakan diferensiasi grafis?

Berikan contohnya!

Hukum Laju dari Grafik Konsentrasi Terhadap Waktu

• Reaksi pada orde 0

• Terbentuk garis yang linier

• Laju reaki (r) = d[A]/dt = k

[A] versus t

• Reaksi pada orde 1

• Terbentuk garis yang linier

• Laju reaki (r) = d[A]/dt = k [A]

ln [A] versus t

• Reaksi pada orde 2

• Laju reaki (r) = d[A]/dt = k[A]2

1 / [A] versus t

(sumber: http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howt

osolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#Top)

Metode untuk menentukan tingkat reaksi.

Perubahan konsentrasi pereaksi dalam selang waktu tertentu

Penggunaan persamaan laju secara langsung.

Metode Differensial

Menentukan Laju Reaksi denganMetode Diferensiasi Grafis

dengan mengukur laju perubahan konsentrasi reaktan terhadapwaktu

a A + b B → c C + dD

perubahan konsentrasi reaktan terhadap waktu

selama reaksi berlangsung

Diferensiasi grafis dari data konsentrasi dengan

menggambar tangent

Menentukan Laju Reaksi denganMetode Diferensiasi Grafis

Langkah - Langkah

Menebak bentukpersamaan reaksi

serta orde reaksinya

Menyusun neraca massa Membuat grafik

Garis Tidak Lurus

Garis LurusMetode Least

Square

Pada metoda diferensial, variable dalam bentuk derivatif yang besarnyadapat dicari dengan metoda numeris :

t

CC

t

CC

t

Limit

dt

dC iitttAAAA

A

1

0

100 ml larutan A dengan konsentrasi A 10 gmol/Ldalam reaktor bereaksi membentuk B, selamaterjadi reaksi diamati konsentrasi A, diperoleh datasebagai berikut :

Contoh Soal

Waktu (menit) CA(gmol/L)

5 6,8

10 4,9

15 4,0

20 3,2

25 2,9

30 2,5

Bagaimana bentuk persamaan kecepatan reaksinya, tentukan lajureaksi dan konstanta kecepatan reaksinya!

1. Menentukan orde reaksi

Untuk menentukan, dilakukan percobaanterhadap orde reaksi, percobaan pertamaterhadap reaksi orde 1 dengan persamaankecepatan reaksi :

rA= kCA

2. Menyusun neraca massa

Kecepatanbahan masuk

−Kecepatanbahan Keluar

−Kecepatan

bahan bereaksi=

Kecepatanakumulasi

dt

VdCVkC A

A 00

Volume dianggap konstan, maka :

dt

dCkC A

A 00

Persamaan Derivatif linier

Untuk membuat grafik tersebut diperlukanpengolahan data konsentrasi A dan waktu menjadisehingga dihasilkan data sebagai berikut :

3. Membuat grafik

Waktu

(menit)CA (gmol/L) ĉA (gmol/L) -

5 6,8

5,85 0,38

10 4,9

4,45 0,18

15 4,0

3,60 0,16

20 3,2

3,05 0,06

25 2,9

2,70 0,008

30 2,5

dt

dCA

3. Membuat grafik

y = 0.1114x - 0.2802R² = 0.963

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5

-d

CA

/dt

CA

Grafik - dCA/dt vs CA

Grafik yang diperoleh telah mendekati garis lurus.

Kesimpulan

• Dari grafik tersebut , hubunganmendekati garis lurus maka bisadisimpulkan bahwa reaksi tersebutmerupakan reaksi orde satu denganpersaman kecepatan reaksi rA=kCA.

Nilai konstanta kecepatan reaksi (k)adalah slope dari garis tersebut k =0,118 (1/menit).

6. Bagaimana anda menjelaskan

hubungan kinetik untuk reaksi-reaksi

berorde nol, satu, dan Michaelis-

Menten?

Kinetika Orde Nol

• Reaksi dalam kinetika orde nol, mempunyai laju reaksi yang tidak dipengaruhi oleh konsentrasi reaktan. Berikut adalah persamaannya.

rA = k0

• Kita dapat menuliskan :

𝑘0 = 𝑘0′ 𝑒 atau 𝑘0 = 𝑘0

𝑛𝑥

Kinetika Orde Satu

• Laju reaksi dalam reaksi kinetika orde satu dipengaruhi oleh konsentrasi reaktan, berikut adalah hubungan antara laju reaksi dan konsentrasi reaktan :

𝑟A = 𝑘1𝐶A

Kita asumsikan suatu reaksi dalamsuatu sistem tertutup, dan beradadalam volume konstan, dan kita akanmengukur konsentrasi reaktan Asebagai fungsi waktu. Dibawah kondisi

tersebut, 𝑟A = −d𝐶A

d𝑡

• Untuk menentukan apakah reaksitersebut merupakan kinetika ordesatu, pertama-tama kitamengintegrasi persamaan diatas dan

𝑟A = −d𝐶A

d𝑡 lalu melakukan

pengecekan terhadap datakonsentrasi terhadap persamaanyang dihasilkan.

Memisahkan variabel dan mengintegrasi persamaan diatas dengan kondisi awal 𝐶A =𝐶A0 dengan t = 0 :

𝐶A = 𝐶A0 𝑒−𝑘1 𝑡

ln 𝐶A = ln 𝐶𝐴0 − 𝑘1 𝑡

Jadi, untuk reaksi orde satu, plot grafik dari ln 𝐶A terhadap waktu memberikan garis lurus dengan gradien −𝑘1.

• Kinetika Michaelis-Menten

Kinetika dari sebagian besar reaksi enzimatikmenggunakan persamaan Michaelis Menten:

𝑟A =𝑣max 𝐶A𝐾m+ 𝐶A

• Mekanisme Michaelis Menten biasanyadigunakan untuk reaksi katalis enzim denganpersamaan sebagai berikut :

Pada saat kecepatannya menjadimaksimum sehingga:

Enzyme Source SubstrateKm

(mM)

Alcohol

dehydrogenase

Saccharomyces

cerevisiae

Ethanol 13,0

α-Amylase Bacillus

stearothermophilus

Starch 1,0

Porcine pancreas Starch 0,4

β-Amylase Sweet potato Amylose 0,07

Aspartase Bacillus cadaveris L-Aspartate 30,0

β-Galactosidase Escherichia coli Lactose 3,85

Glucose oxidase Aspergillus niger D-Glucose 33,0

Penicillium notatum D-Glucose 9,6

Histidase Pseudomonas fluorescens L-Histidine 8,9

Invertase Saccharomyces

cerevisiae

Sucrose 9,1

Neurospora crassa Sucrose 6,1

Lactate

dehydrogenase

Bacillus subtilis Lactate 30,0

Penicillinase Bacillus licheniformis Benzylpenicillin 0,049

Urease Jack bean Urea 10,5

Konstanta Michaelis untuk enzim tertentu. Sumber : B. Atkinson andF. Mavituna, 1991, Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook, 2nd edn, Macmillan, Basingstoke

• Michaelis-Menten, yang akandibahasi disini adalah reaksisederhana yang dari sifat kinetik daribanyak enzim adalah :

Michaelis-Menten (laju reaksi kimiapenguraian substrat saat dipengaruhi oleh katalis enzim)

• Persamaan Michaelis-Menten adalah persamaanpaling baik yang dapat mendeskripsikan kinetikadari berbagai enzim yang dipakai di industri,walaupun ada pengecualian terhadap enzimseperti glucose isomerase dan amyloglucosidase.

• Saat konsentrasi substrat [S] jauh lebih kecildaripada konstanta Michaelis-Menten Km, lajureaksi berbanding lurus dengan konsentrasisubstrat. Ini merupakan laju reaksi orde satusehubungan dengan substrat.

• Saat konsentrasi substrat [S] jauh lebih besardaripada konstanta Michaelis-Menten Km, lajureaksinya konstan dan sama dengan lajumaksimum (Vmax). Laju reaksi tidak bergantungpada konsentrasi substrat. Ini merupakan lajureaksi orde nol terhadap substrat.

Grafik laju reaksi orde 0 dan 1 (Richard A. Harvey : Biochemistry)

7. Bagaimana anda menentukan

parameter kinetika enzimatik,

Vmax dan Km dari suatu data

konsentrasi? Berikan contoh!

Reaksi Enzimatik

• Reaksi enzimatik merupakan suatu reaksiyang melibatkan enzim sebagai katalis.

• Enzim berfungsi sebagai katalis yang akanmembuat reaksi berlangsung lebih cepatuntuk menghasilkan produk.

• Peneliti yang bernama Leoner Michaelisdan Maud Menten mengajukan suatumodel untuk suatu reaksi enzimatik. Berikut ini adalah reaksi yang digambarkan oleh Michaelis-Menten:

PEESSE

k

1

k2

k1'

Peneliti yang bernama Leoner Michaelis dan MaudMenten mengajukan suatu model untuk suatu raksienzimatik. Berikut ini adalah reaksi yangdigambarkan oleh Michaelis-Menten:

PEESSE k1 k2

k1'

][][

2 ESkvdt

Pd ][]][[]][[

][2'11 ESkSEkSEk

dt

ESd

Laju Pembentukan Produk

][][][][][][ ESEEESEE tottot

Enzim berperan sebagai katalis, sehingga konsentrasi enzimitu tetap atau dapat dikatakan tidak terkonsumsi makapersamaan konsentrasi enzim dapat dituliskan menjadisebagaiberikut:

Dari reaksi diatas, kita dapat mendapatkan persamaan lajupembentukan produk dan kompleks substrat-enzim sebagaiberikut:

Laju Pembentukan KompleksSubstrat-Enzim

PEESSE k1 k2

k1'

Reaksi yang menggunakan enzim sebagai katalis,akan menghasilkan grafik seperti berikut ini jika kitalakukan plot antara laju pembentukan produkterhadap konsentrasi substrat:

Keterangan : Km adalah konstanta MichaelisMenten (Konsentrasi substrat dimana kecepatansudah mencapai ½ kecepatan maksimal.

Plot Michaelis - Menten

• Vmax dan Km dapat ditentukan dari grafik, Vmax

adalah sebagai laju s~ dan Km nilai dari s saatV=Vmax/2. Pengakurasian metode ini memilikikelemahan karena sulit untuk menentukan tmx.

Plot Lineweaver - Burk

• Metode ini digunakan untuk langkah linearisasiuntuk menghasilkan plot garis lurus yang bisamenentukan Vmax dan Km dengan persamaan:

1

𝑉=

𝐾𝑚𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆

+1

𝑉𝑚𝑎𝑥

• Sehingga plot dari 1/v vs 1/s harus menghasilkangaris lurus dengan slop Km/Vmax dan intercept1/Vmax. Plot ini dikenal sebagai Lineweaver-Burkplot. Bagaimanapun juga, proses linearisasi yangdigunakan pada data eksperimen error pada v,sehingga kesalahan ini diperkuat padakonsentrasi substrat yang rendah.

Plot Eadie - Hofstee

• Jika persamaan1

𝑉=

𝐾𝑚

𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆+

1

𝑉𝑚𝑎𝑥dikalikan dengan

𝑉(𝑉𝑚𝑎𝑥

𝐾𝑚), dan kemudian disusun, bentuk linearisasi

lainnya dari persamaan Michaelis-Menten adalah𝑉

𝑆=𝑉𝑚𝑎𝑥

𝐾𝑚−

𝑉

𝐾𝑚• Pada persamaan di atas, plot v/s versus Vmax/Km

akan menghasilkan garis lurus dengan slop -1/Km

dan intercept Vmax/Km yang dikenal dengan Eadie-Hofstee plot. Seperti plot Lineweaver-burk, Eadie-Hofstee linearisasi mendistorsi kesalahan dalamdata, sehingga metode ini telah mengurangiakurasi.

Plot Langmuir

• Dengan mengalikan persamaan1

𝑉=

𝐾𝑚

𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆+

1

𝑉𝑚𝑎𝑥dengan S, maka bentuk linearisasi

persamaan Michaelis-Menten menjadi Langmuiradalah:

𝑆

𝑉=

𝐾𝑚𝑉𝑚𝑎𝑥

+𝑆

𝑉𝑚𝑎𝑥

• Sehingga sebuah plot Langmuir pada S/V versus Sharus menghasilkan garis lurus dengan slop1/Vmax dan intercept Km/Vmax. Linearisasi darimetode ini menghasilkan kesalahan yang kecil,sehingga metode Langmuir direkomendasikanmetode untuk menentukan Km dan Vmax.

Direct Linear PlotGaris lurus dihasilkan pada (-s,v) akan mendapatkan titik yang unik(Km dan Vmax), yaitu dimana semua hasil garis lurus dari –S dan Vakan menghasilkan titik potong yang banyak di suatu titik. Ketikadata yang diplot mengandung kesalahan, maka akan diperoleh titikpersimpangan. Setiap persimpangan akan memberikan suatu nilaiperkiraan Vmax dan Km, kemudian median Vmax dan Km yangdijadikan sebagai parameter kinetik reaksi.

Contoh soalLaktosa yang juga dikenal sebagai β-galactosidase, yang

mengkatalis hidrolisis laktosa untuk memproduksiglukosa dan galaktosa dari susu. Eksperimen dilakukan

untuk menentukan parameter kinetik untuk enzim.

Konsentrasi Laktosa

(mol/L)

Initial reaction velocity

(mol-1 min-1 x 103)

0,0250 1,94

0,0227 1,91

0,0184 1,85

0,0135 1,80

0,0125 1,78

0,00730 1,46

0,00460 1,17

0,00204 0,779

• Untuk menentukan parameter kinetika enzimdengan metode Langmuir, Langmuir Plot dengan

mengalikan persamaan1

𝑉=

𝐾𝑚

𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆+

1

𝑉𝑚𝑎𝑥dengan

s, maka bentuk linearisasi persamaan Michaelis-Menten menjadi Langmuir adalah :

𝑆

𝑉=

𝐾𝑚𝑉𝑚𝑎𝑥

+𝑆

𝑉𝑚𝑎𝑥

• Sehingga sebuah plot Langmuir pada s/v versus sharus menghasilkan garis lurus dengan slop1/vmax dan intercept Km/Vmax. Linearisasi darimetode ini menghasilkan kesalahan yang kecil,sehingga metode Langmuir direkomendasikansebagai metode untuk menentukan Km dan Vmax.

s (mol/L) s/v (min)

0,0250 12,89

0,0227 11,88

0,0184 9,95

0,0135 7,50

0,0125 7,02

0,00730 5,00

0,00460 3,93

0,00204 2,62

y = 444,8x + 1,702R² = 0.9984

0

2

4

6

8

10

0.00204 0.0046 0.0073 0.0125 0.0135

S/V

(m

in)

S (mol/L)

Hubungan S/V vs S dalam Reaksi Hidrolisis Laktosa

Data Plot Langmuir

Gambar Grafik Plot Data Perhitungan Langmuir

Persamaan garis pada grafik adalah

y = 444,8x + 1,702

•1

𝑉𝑚𝑎𝑥= 445 mol-1 min

• Vmax = 2,25 × 10-3 mol min-1

•𝐾𝑚

𝑉𝑚𝑎𝑥= 1,70

• Km = 1,70 × 2,25 ×10-3 = 3,83 ×10-3 mol-1

• Jadi Km bernilai 3,83 ×10-3 mol-1 dan Vmax =2,25 ×10-3 mol min-1

8. Bagaimana pengaruh suhu

terhadap laju reaksi enzimatik?

Berikan contoh!

• Enzim umumnya merupakan proteinglobular. Aktivitas enzim ditentukan olehstruktur tiga dimensinya (strukturkuaterner). Walaupun struktur enzimmenentukan fungsinya, prediksi aktivitas enzimbaru yang hanya dilihat dari strukturnya adalahhal yang sangat sulit.

• Kebanyakan enzim berukuran lebih besardaripada substratnya. Enzim terdiri dari sisiaktif dan inaktif.

• Enzim merupakan rantai asam aminoyang melipat. Tiap-tiap urutan asam aminomenghasilkan struktur pelipatan dan sifat-sifatkimiawi yang khas.

Enzim

Enzim adalah biomolekul berupa proteinyang berfungsi sebagai katalis (senyawayang mempercepat proses reaksi tanpahabis bereaksi) dalam suatu reaksibiokimia. Hal ini akan menyebabkanzat awal yang disebut substrat akandipercepat perubahannya menjadimolekul lain yang disebut produk.

E + S ES E + P

Reaksi Enzimatik

• Pada reaksi antara substrat dan enzim, saatterjadi pemanasan, aktivitas enzim meningkat,sehingga terjadi gerakan termodinamik atautumbukan antara substrat dan enzim.

• Pada suhu rendah, aktivitas enzim rendah,bahkan bisa berhenti sama sekali.

• Pada suhu diatas suhu optimum, aktivitasenzim menurun karena terjadi denaturasi padaenzim.

• Karena enzim tersusun dari protein maka enzimsangat peka terhadap temperatur. Temperaturterlalu tinggi dapat menyebabkan denaturasiprotein.

Pengaruh Temperatur

KIRI

Molekul enzim & substrat bergeraklambat. Dengan naiknya suhu, energikinetik mereka meningkat dan gerakanyang terjadi lebih cepat . Semakin tinggisuhu, semakin cepat gerakan dan lebihsering terjadi tabrakan danmenyebabkan reaksi berlangsung lebihcepat.

TENGAH

Suhu terbaik untuk reaksi, disebut suhuoptimum.

KANAN

Setelah mencapai suhu optimum, lajureaksi mulai melambat. Hal ini karenaenzim molekul mulai didenaturasi dantidak lagi cocok menjadi situs aktif,sampai akhirnya tidak ada reaksi terjadisama sekali.

Hampir semua enzim memilikiaktivitas optimum pada suhu sekitar

30oC & denaturasi dimulai padatemperatur 45oC (Winarno,1986).

Pengaruh Temperatur

Hubungan antara suhu dan laju reaksi secaraempiris dinyatakan dengan ketetapanArrhenius

k : Laju ReaksiA : Tetapan Arrhenius R : Konstanta gas (1,987 kal / g-mole K)T : Temperatur KEA : Energi Aktivasi ( J mol-1)

Perhitungan Laju Reaksi

Perubahan nilai k terhadapperubahan suhu (T) yang

dinyatakan dalam hubunganArrhenius

Hubungan Arrhenius

Contoh

• Dari data tabel di bawah ini terlihat bahwabeberapa enzim memiliki suhu optimalyang berbeda-beda dan bervariasitergantung pada jenis enzim itu sendiri.

• Dari tabel Hasil Pengamatan Pegaruh SuhuTerhadap Aktivitas Enzim Amilase yangdiambil dari hasil praktikum Biokimia Gizi(IPB 2013) di bawah ini, dapat terlihatbahwa enzim amylase memiliki suhuoptimum dan bekerja efektif pada suhu25oC.

Tabel Hasil Pengamatan Pegaruh SuhuTerhadap Aktivitas Enzim Amilase (IPB, 2013)

Suhu (oC) ∆A / menit (V)

0 0,106

25 0,146

Suhu Ruang 0,043

37 0,047

60 0,038

100 0,031

9. Bagaimana menghitung yields pada

kultur sel dan peran pentingnya

sebagai salah satu parameter kinetika

reaksi?

Konsep Dasar Yield

(theoritical yield)

FaktorYield

Nutrisi yang dibutuhkan

Karakteristik produksi

BiayaProduksi

Definisi

• Yield merupakan suatu koefisien yangberguna untuk menghubungkan substratterkonsumsi, sel-sel baru yang dihasilkan,dan produk yang dihasilkan.

• Ketika kita mengikutsertakan prosespertumbuhan sel pada perhitunganmaka akan menggunakan banyak enzimdan konversi kimia. Meskipun kompleks,prinsip-prinsip yield dapat diterapkan untukmetabolisme yang berkaitan dengan aliransubstrat untuk pembentukan biomassa.Yield terkespresikan dengan menggunakankoefisien yield atau faktor yield

YFG = faktor yieldΔF = massa yang diproduksiΔG = massa yang dikonsumsi

Pada kultur sel, nilai ΔF dan ΔG dihitung sebagaiperbedaan antara nilai awal dan nilai akhir.Nilai ini merepresentasikan sebagai nilai rata-rata seluruh yield dari keseluruhan langkah.

Koefisien Yield

YFG

Yxs

Sebagai contoh, YXS pada suatu waktu tertentu:

Yield akan bervariasi pada setiap periode, oleh karena itu selain harusmenghitung nilai keseluruhan yield kita juga harus menghitung nilai yieldpada titik waktu tertentu.

Instaneous Yield

Massa atau mol produk yang terbentuk per satuan massa atau mol substrat dikonsumsi.YPS

Massa atau mol biomassa yang dihasilkan per satuan massa atau mol substrat dikonsumsi.YXS

X = biomassaS = substratP = produk

C = karbon dioksida (carbon dioxyde)O = oksigen

Macam-macam Yield

Massa atau mol karbon dioksida yang

terbentuk per satuan massa atau mol substrat

dikonsumsi.

YCS

YPX

Massa atau mol produk yang terbentuk per satuan

massa atau mol biomasa terbentuk.

Massa atau mol biomasa yang terbentuk per

satuan massa atau mol oksigen yang dikonsumsi.YXO

RQRespiratory Quotient. Mol karbon dioksida yang

terbentuk per mol dikonsumsi oksigen. Hasil ini

disebut hasil bagi pernafasan.

Massa atau mol biomassa terbentuk per mol ATP

terbentuk.

Massa atau mol biomassa yang terbentuk per kilo

kalori panas yang berkembang selama fermentasi.YCAL

YATP

Biomass Yield

Biomass yield dipengaruhi oleh banyak faktor, seperti:- komposisi medium- sumber karbon dan nitrogen- pH - temperatur

MW cell = biomass formula-weight ditambah residucatatan: tidak terdapat extracellular product

Grafik

10. Bagaimana anda mengevaluasi

proses kultivasi sel, mulai dari

pertumbuhan sel, serapan substrat

hingga laju produksinya?

Kultivasi Sel

• Kultivasi adalah menumbuhkan sel/ bakteri dalam biakan murni

• Hal yang perlu diperhatikan untukmengevaluasi proses kultivasi sel:

Laju Pertumbuhan

Serapan Substrat

Laju Produksi Biomassa

Laju Pertumbuhan Sel

Hal yang perlu diketahui: konsentrasi sel

Metode pengukuran konsentrasi sel:

Metode pengukuran langsung jumlah sel

Metode pengukuran berat kering sel

Metode turbidity (tingkat kekeruhan kultur)

Metode pengukuran produk yang terbentuk

Terlepas dari metode di atas, terdapatsuatu teknik pengukuran konsentrasi sel,yaitu diferensiasi grafik konsentrasi.

Diferensiasi Grafik Konsentrasi

• Berguna untuk -> menyatakan laju pertumbuhanvolumetrik (rx) dalam kultur batch.

Ketika rx diketahui, maka laju pertumbuhan spesifik(μ) dapat dihitung dengan membagi rx terhadapkonsentrasi sel.

μ = rx /x

• Laju volumetrik serapan substrat dan pembentukanproduk, rS dan rP, juga dapat dievaluasi dengan metodediferensiasi grafik konsentrasi substrat dan produk.

Ketika rS dan rP diketahui, laju pembentukan produkspesifik qP dan laju serapan substrat spesifik qS dapatdiperoleh dengan membagi laju volumetriknyamasing-masing terhadap konsentrasi sel.

Diferensiasi Grafik Konsentrasi

(Sumber: Pauline M. Doran, 2002)

Diferensiasigrafik pada

sistem kultur batch.

Kinetika Serapan Substrat Sel

• Tidak hanya untuk pertumbuhan sertapembentukan (sintesis) produk, penambahansubstrat juga ditujukan untuk mengenerasi energiuntuk menjaga aktivitas selnya.

• Laju spesifik serapan substrat untuk menjagaaktivitas sel dikenal sebagai maintenancecoefficient (mS).

• Dimensi untuk mS adalah T-1 dengan satuan (kgbiomassa)-1s-1. Nilai koefisien ini berbeda padaorganisme dan kondisi kulturnya.

Maintenance coefficient beberapa organisme dengan glukosa sebagai energi

(Sumber: Pauline M. Doran, 2002)

Kinetika Serapan Substrat Sel

• Persamaan laju serapan substrat sebagaifungsi dari konsentrasi biomassa:

Keterangan:rs = laju volumetrik konsumsi substrat (kgm-3s-1)

qS = laju spesifik serapan substrat

x = konsentrasi biomassa.

rs = qS x

Kinetika Serapan Substrat Sel

• Pada kondisi dimana tidak terjadi pembentukanproduk, diasumsikan jika seluruh substratdigunakan untuk pertumbuhan dan fungsipemeliharaan (maintenance), persamaan lajuaktivitas selnya adalah:

Keterangan:

rX = laju volumetrik pembentukan biomassa

YXS = yield biomassa dari substrat

mS = maintenance coefficient

x = konsentrasi biomassa

Kinetika Serapan Substrat Sel

• Untuk kondisi dimana terjadi pembentukansubstrat yang disertai dengan metabolismeenergi, laju konsumsi substrat merupakan fungsidari 3 faktor, yaitu laju pertumbuhan, lajupembentukan produk, dan laju serapan substratuntuk pemeliharaan (maintenance).Persamaannya, yaitu:

Keterangan:rS =laju volumetrik konsumsi substratrP =laju volumetrik pembentukan produkYPS = yield produk dari substrat.

TERIMA KASIH

Daftar Pustaka

• Anonim. Inhibition of Enzyme Activity [pdf]. Terdapat pada <http://www.csun.edu/~hcchm001/5enzyme.pdf> diakses pada 17 April 2016.

• Anonim.2009. Teknik Fermentasi. <akademik.che.itb.ac.id/ /fer-teknik-fermentasi.pdf>. [ONLINE]. Diakses padatanggal 18 April 2016.

• Doran, Pauline M., 1995. Bioprocess Engineering Principles. Elsevier Science & Technology Books

• Fogler, H. Scott. 2006. Elements of Chemical Reaction Engineering 4th edition. USA: Pearson Education, Inc.

• Julianti, Elisa., 2013. Kinetika Pertumbuhan Mikroba [pdf] Terdapat pada <http://elisajulianti.files.wordpress.com/2013/03/kinetika-pertumbuhan-mikroba.pdf> diakses pada 17 April 2016