Enzymes Catabolic and Anabolic Reactions

BIOKIMIA ENZIM
Dr. Retno Sintowati
ENZYMES
Pendahuluan (overview)
 Enzyme Specificity
 Kofaktor Enzim
 Enzyme Nomenclature
 Lock and Key
 Enzyme-Substrate Complex
 Induced Fit Theory
 Cara Kerja Enzim
 Conditions Affecting the Actions of Enzymes
 Inhibitor Enzim
 Isozim/Isoenzim
 Regulation of Enzymatic Activity

PENDAHULUAN
Organisme hidup rangkaian reaksi biokimia
peran enzim
 Enzim : biokatalisator yg mengatur kecepatan
berlangsungnya semua proses fisiologis
 Hampir semua dr 2000/ lebih enzim yg diketahui
 merupakan protein globular
 Aktivitas katalitiknya bergantung pd integritas
struktur sbg protein


Contoh :
 Jika enzim dididihkan dg asam
kuat/diinkubasi dg tripsin (perlakuan yg
memotong rantai polipeptida)  aktivitas
katalitiknya akan hancur  pentingnya
struktur kerangka primer protein enzim

Jika struktur berlipatnya rantai protein yang
khas dr enzim diubah (oleh panas, pH extrim,
senyawa perusak )  aktivitas katalitiknya
juga lenyap  jadi struktur primer, sekunder
dan tertier protein juga penting bagi aktivitas
katalitiknya.
KESPESIFIKAN ENZIM

Enzymes are highly specific both
 in the reactions they catalyze and
 in the compounds (reactants/substrates) on
which they act
Contoh : enzim proteolitik
 Mengkatalisis hidrolosis ikatan peptida
 Enzim2 proteolitik berbeda tingkat spesifisitas
substratnya, misalnya :
SUBTILIN pd bakteri  tdk bedakan ik. peptida yg akan
diputus
 TRIPSIN  memutus ik. pep pd sisi karboksil arginin/lisin
 TROMBIN  memutus ik.pep antara arginin dan glisin

KOFAKTOR ENZIM


Dlm fungsinya sbg katalisator suatu reaksi kadang
enzim cukup mengandalkan struktur proteinnya, tp.
kadang enzim butuh senyawa lain yang bukan
protein yang disebut KOFAKTOR
Yg termsk kofaktor :
GUGUS PROSTETIK : GUGUS YG MEMBENTUK
IKATAN KOVALEN DG ENZIM & TDK MDH TERLEPAS
DR ENZIM.
 KOENZIM : KOFAKTOR YG MUDAH TERDISOSIASI &
DPT DIPISAHKAN DR ENZIM DG CARA DIALISIS.
(sebag besar turunan dr vit B, mis : vit B2 FAD, FMN;
asam pantotenat Koenzim A; Niasin NAD, NADP)
 AKTIVATOR : UMUMNYA ION LOGAM YG DPT
TERIKAT / MUDAH LEPAS DARI ENZIM (mis. Mn, Mg,
Cu)

Kompleks enzim-kofaktor disebut Holoenzim,
Jika kofaktornya diambil, disebut Apoenzim
BEBERAPA ENZIM YG MEMERLUKAN ION LOGAM
Kofaktor :
Enzim :

Zn2+


Mg2+








Mn2+
Fe2+/Fe3+
Cu2+
K+
Ni2+
Mo
Se







Dehidrogenase alkohol
Anhidrase karbonat
Polimerase DNA
Heksokinase
6-fosfatase glukosa
Arginase
Sitokrom,
Peroksidase,Katalase
Oksidase sitokrom
Kinase piruvat
Urease
Reduktase nitrat
Peroksidase glutation
BEBERAPA CONTOH KOENZIM DAN FUNGSI












NAD
NADP
FMN
FAD
Koenzim Q
Tiamin pirofosfat
Koenzim A
Lipoamid
Koenzim kobamid
Biositin
Piridoksal fosfat
Koenzim tetrahidrofolat












Atom hidrogen (elektron)
Atom hidrogen (elektron)
Atom hidrogen (elektron)
Atom hidrogen (elektron)
Atom hidrogen (elektron)
Aldehid
Gugus asil
Gugus asil
Gugus alkil
Karbon dioksida
Gugus amino
Gugus metil, metilen,
formil,formimino
ENZYMES

Enzymes are PROTEIN CATALYSTS
Komplex protein besar yg disusun oleh satu / lebih
rantai polypeptida
 In Vivo disebut sbg enzyme.
 Diluar tubuh disebut katalis.
 Mengendalikan laju reaksi kimia yg tjd di dlm sel,
jaringan dan organ.


Setiap reaksi kimia yg tjd dlm sistem biologik
membutuhkan bantuan enzim spesifik.
Catalyst: A substance that changes the speed of a
chemical reaction without itself undergoing a
permanent chemical change in the process
4 KATA KUNCI

Aktif
Interaksi spesifik dr enzim dg molekul tertentu (substrat )
menyebabkan pengaktifan molekul tsb dan mengakibatkan
perubahan struktur kimianya.
Katalis
 Protein

Ada makromolekul lain yg bukan protein, tp mpy
kemampuan katalis tdk termsk dlm enzim.
Mis : Ribozim (ribonukleat-enzim)

Spesifik
KATALIS

Dlm reaksi biokimia,
reaktan bertubrukan
dan masuk ke
transition state

this state is short and
rapidly breaks down to
either products or
reactants
Free energy (G)
 Free Energy of
Activation ( G = )
 Free Energy difference
( G)

WHAT IS HAPPENING...
 Catalyst
reduces amount of activation energy
so the reaction occurs faster
 Catalyst accelerates both the forward and
reverse reactions and thus only increases the
rate at which a reaction approaches
equilibrium
ENZIM EKSTRASEL &ENZIM INTRASEL
 Enzim hanya disintesis oleh dan di dalam sel
 Sbg produk sel, enzim hy akan disintesis jk sel
mpy gen utk enzim tsb.
 Pd dasarnya enzim2 berada & bekerja
menjalankan fungsinya dalam sel , kecuali:
1. Enzim-enzim pencernaan
2. Enzim-enzim penggumpalan darah dan
pemecah bekuan darah
3. Sistem pertahanan tubuh (antibodi,
komplemen)
TATA NAMA ENZIM
Dulu penget. enzim msh sedikit  substrat+ase
( Amilase, Lipase, Urease)  < praktis
 Nama trivial

( Steapsin  lipid; Pepsin, Tripsin  polipeptida )

International Union of Biochemestry (IUB)
penggolongan enzim secara sistematis menjadi 6
kelas utama berdasar jenis reaksi yang
dikatalisa, dg ketentuan umum sbb :
1. Reaksi dan enzim yg mengkatalisisnya
membentuk 6 klas, masing2 klas mpy 4-13
subklas
LANJ. IUB
2. The official name of an enzyme has (2) parts


First: names the substrates or the products of the
reaction
Second: Designates the type of reaction catalyzed
+ase
3. Info tambahan, bila perlu utk menjelaskan
reaksi, dpt dituliskan dlm tanda kurung dibag
akhir.


L-malat+NAD+  piruvat+CO2+NADH+H+
Diberi nama :
1.1.1.37 L-malat : NAD+ oksidoreduktase
(dekarboksilasi)
4. Setiap enzim mpy nomer code (EC) yg
menandai tipe reaksi berkenaan dengan :
LANJ IUB 4.
- kelas (digit pertama)
- subkelas (digit kedua)
- sub subkelas (digit ketiga)
- digit keempat adalah utk enzim spesifik
Contoh : Laktat dehidrogenase, bernomor 1.1.1.27
Artinya : Kelompok 1 : oksidoreduktase
Subkelompok 1. 1: gugus CH-OH sbg donor
elektron
Sub subkelompok : 1.1.1 : NAD(P)+ sbg akseptor
PENGGOLONGAN ENZIM
3.
Oksidoreduktase
Transferase
Hidrolase
4.
Liase

5.
Isomerase

6.
Ligase
1.
2.




Pemindahan elektron
Rx pemindahan gugus fungsionil
Rx hidrolisis (pemindahan gugus
fungsional ke molekul air)
Penambahan gugus ke ikatan
ganda /sebaliknya
Pemindahan gugus di dlm
molekul, menghasilkan bentuk
isomer
Pembentukan ikatan : C-C, C-S,
C-O, dan C-N oleh reaksi
kondensasi yg berkaitan dg
penguraian ATP
“LOCK AND KEY” THEORY
“Lock and Key” theory: simple analogy commonly
used to explain the specificity of enzymes
 A specific key will only open a specific lock
 The key can be used over and over on the same
type of lock

ENZYME-SUBSTRATE COMPLEX
Explains the specificity of enzyme action
 Substrates of an enzymatic reaction bind to a
specific site on the enzyme
 shape of that site is complementary to that of
the substrates
 Active Site: part of an enzyme to which the
substrates bind (most cases: a pocket of groove in
the surface of the protein)

ENZYME-SUBSTRATE COMPLEX
DRAWING
EXAMPLES OF ACTIVE SITES
INDUCED FIT THEORY


Active site on enzyme not
as rigid as “lock and key”
model
As the substrate attaches
to the enzyme’s active
site, the site changes
shape to fit the substrate
 improves the fit of the
active site to the
substrate
 brings catalytic groups
into the correct position
for action
MECHANISMS OF CATALYSIS
A
large part of the catalytic power of an
enzyme depends on its ability to lower the
activation energy
 To do so, an enzyme may provide an
environment within the active site that
favors the transitions state...or it may
provide catalytic groups that allow the
reaction to proceed via intermediates not part
of the uncatalyzed reaction
 many enzymes act as general acid-base
catalysts
MECHANISMS OF CATALYSIS

Polypeptides cannot by themselves catalyze all of
the biologically important reactions.

Use coenzymes and cofactors
KONDISI YANG MEMPENGARUHI
AKTIVITAS ENZIM
Temperature
 pH
 Kadar enzim
 Kadar substrat
 Ada tidaknya senyawa inhibitor(Heavy Metal Ions)

 *everything
that affect a protein affect
an enzyme because ENZYMES ARE
PROTEINS
ION-ION LOGAM BERAT

Dapat mengganggu aktivitas enzimatik

Ketika berhadapandengansisi aktif enzim,
penggantian ion yang asli dengan ion logam berat
akan mengakibatkan malfungsi dan denaturasi
enzim
EXTREMES OF TEMPERATURE

Changes enzyme structure
 changes active site



prevents enzyme from
attaching to substrate
The thermal agitation of the
enzyme molecule disrupts
the hydrogen bonds, ionic
bonds, and other weak
interactions within the
protein molecule
In humans, enzymes have
an optimum temperature of
37ºC
PH

Extreme changes in pH
values denature such
ionisable enzymes rendering
them ineffective


CHANGES ON ENZYME ACTIVITY
within a narrow pH range,
enzyme structure changes
reversibility, and each
such enzyme was
optimally at a specific pH
Optimal pH values for most
enzymes
6-8 pH
 exception: I.e. digestive
enzymes in stomachs

INHIBITORS
 Competitive
Inhibitors
Compete with substrate for the enzymes
 Do not affect Vmax
 Raise the apparent Km

NONCOMPETITIVE INHIBITORS
 Do
not affect Km
 Lower Vmax
 Slows down dissociation of ES
PENGATURAN ENZIM ada 4
JALUR :
1. Pengendalian alosterik (sisi lain)
2. Modifikasi kovalen yang reversibel
3. Aktivasi proteolitik
4. Stimulasi dan inhibisi oleh pengendali
-Mempunyai sisi lain selain katalitik
-Enz pengatur yg berfx mell pengikatan non-kovalen
-Contoh penghambatan balik alosterik : perub L-treonin
menjadi L-isoleusin (enz dehidratase treonin pd bakteri)
L-treonin
L-Isoleusin
E1
E2, E3, E4, E5
Dehidratase treonin
Inhibisi umpan balik
Catatan : Isoleusin merup. penghambat spesifik.
Isoleusin yg tdk berikatan dg sisi substrat tp dg sisi spesifik lain pd molekul
enzim, yg disebut sbg SISI PENGATUR .
Ikatan bersifat nonkovalen.
`
Contoh lain :
Enz. Aspartat transkarbamoilase (ATC ase)
 mengkatalisa biosintesis pirimidin
 dihambat oleh sitidin trifosfat (CTP)
 Sifat2 enz im alosterik berbeda dari enzim2 biasa yg
bukan enzim pengatur.
 Bedanya :
1. Enzim alosterik memiliki sisi katalitik ( mengikat
substrat) dan sisi pengatur (mengikat metabolit
pengatur : modulator atau efektor)
2. Molekul enz alosterik umumnya lebih besar dan lebih
kompleks dibanding enz biasa (2/> rantai polipeptida)
3. Enz. alosterik biasanya memperlihatkan penyimpangan
nyata dari tingkah laku klasik Michaelis-Menten


Modulator ada 2 jenis:
a. Modulator negatif / penghambat spesifik.
Biasanya oleh molekul bukan substrat, shg
enzimnya disbt enzim HETEROTROPIK
b. Modulatorpositif / perangsang/pengaktif.
Berperan sbg isyarat thd enzim utk
mempercepat dirinya, seringkalimerupakan
substratnya sendiri, shg enzimnya disbt enzim
HOMOTROPIK.
aktif
ratio
Sisi katalitik
inaktif
+
fosforil
Aktivasi
katalitik
berubah
Perubahan
ratio
Modifikasi
kovalen
(GLUKOSA )n
+ fosfat
glikogen
Fosforilase
glikogen (otot,
hati)
(GLUKOSA)n-1
Rantai glikogen
diperpendek
+ glukosa 1-fosfat
Aktifasi sesekali
intermiten
BAKAL ENZIM
ZIMOGEN/ PROENZIM
Belum
aktif
Proses proteolitis
terbatas
Aktifasi cepat
Membuat
Tempat
katalitik
Katalitik aktif
Contoh : enz digestif (pepsin, tripsin), enz hemostasis dan fibrinolisis
Kimotripsinogen (245rantai)
enzim yg aktf penuh jika ikatan
peptida antara arginin15 dipisah dg isoleusin16 oleh tripsin
1KIMOTRIPSINOGEN INAKTF
TRIPSIN
Л1kimotripsin 15
16
245
aktivasi
kalmodulin
kerja
inaktivasi
Tergantu
ng ion
ca++
4 tempat
α-antitripsin
Pengikatan
ca++
•Suatu protein plasma 53-kd
•Melindungi jar dari Elastase (rusaknya serat ellastin) alveoli paru
atau dikenal dg EMFISEMA
ISOENZIM




Mengkatalisis reaksi yang sama
Sifat fisik dan kimia berbeda
Diagnosa
Contoh:





LDH 1 : H4  jantung
LDH 2 : H3M  jantung
LDH 3 : H2M2
LDH 4 : H1M3 (hati)
LDH 5 : M4 (hati)
CPK BB=CK1  plg dominan di otak
 CPK MM =CK3 otot rangka dan otot jantung
 CPK MB =CK2  otot jantung

MUTASI GENETIK
Penyakit
Enzim yang rusak
Albino
Alkaptonuria
Galaktosemia
Homosistinuria
Fenilketonuria
Penyakit Tay-Sachs
3 - monooksigenase tirosin
1,2 – dioksigenase homogentisat
Uridilil transferase galaktosa 1fosfat
β – sintase sistationin
4 monooksigenase fenilalanin
Heksosaminidase A
MAKNA KLINIS
Gangguan terhadap pembentukan enzym dan
terhadap faktor-faktornya akan terjadi gangguan
homeostasis tubuh
 Diagnosis penyakit
 Toksikologi dan Farmakoterapi
 Biologi molekuler

STREPTOKINASE IN BREAKING DOWN
BLOOD CLOTS

STREPTOKINASE

can dissolve blood clots that form in the heart, blood
vessels, or lungs after a process, such as a heart attack

called a thrombolytic agent

can also dissolve blood clots that form in intravenous
catheters

tubing that goes into a vein for fluid exchange