Mata Kuliah / Materi Kuliah - smtom

BIOKIMIA TANAMAN
Pengenalan Enzim
mtom
Prof. Dr. S.M. Sitompul
Lab. Plant Physiology, Faculty of Agriculture, Universitas Brawijaya
Email : [email protected]
MODUL
2.2 Urease
2.3 Papain
1. PENDAHULUAN
1.1 Definisi
1.2 Kepentingan Enzim
2
2. KHARAKTERISTIK ENZIM
2.1 Nomenklatur Enzim
2.2 Struktur Enzim
2.2 Sifat Enzim
2. PENEMUAN ENZIM
2.1 Zymase
DAMPAK PEMBELAJARAN
Dengan penguasaan materi dalam modul ini yang dirancang
sebagai landasan dasar fisiologi tanaman, peserta didik
diharapkan mampu untuk
1. membuat suatu sabun enzim (enzyme cleaner) yang
digunakan untuk menghilangkan noda
2. menjelaskan enzim sebagai katalis metabolik untuk
mendukung reaksi tertentu
3. menguraikan penemuan awa enzim dan kristalisasi enzim
pertama
4. menjelaskan klasifikasi enzim
5. menjelaskan sifat enzim yang meliputi struktur dan
kharakteristik enzim
1. PENDAHULUAN
1.1 Definisi
•
Kehidupan adalah proses dinamik (berubah dengan waktu) yang
melibatkan perubahan dalam komposisi kimia yang berhubungan
dengan fungsi sel. Perubahan tersebut terjadi melalui reaksi
yang dikendalikan oleh katalisis atau katalist. Suatu katalist
adalah suatu zat yang berfungsi meningkatkan kecepatan reaksi
dan tidak habis digunakan (dikonsumsi) dalam reaksi. Katalis
dalam sel organisme adalah enzim, yang secara kata berarti
dalam ragi (in yeast), dibatasi dengan pengertian berikut.
- Enzim adalah katalist metabolik yang berperanan meningkatkan kecepatan (laju) reaksi dengan penurunan energi aktivasi
reaksi.
- Enzim adalah katalist paling besar dan spesifik dalam tubuh
organisme untuk reaksi metabolisme yang terdiri terutama dari
protein.
©Modul ini tidak boleh digandakan sebagian
atau seluruhnya tanpa izin dari penulis
SELF-PROPAGATING ENTREPRENEURIAL EDUCATION DEVELOPMENT
(SPEED)
Hak cipta dilindungi undang-undang. ©Module ini tidak boleh digandan sebagian atau seluruhnya tanpa izin dari penulis
DAMPAK PEMBELAJARAN
Hak cipta diindungi undangundang
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
• Jumlah enzim dalam sel sangat banyak (ribuan) sebagai konsekuensi dari
jumlah reaksi yang sangat banyak. Pengetahuan mengenai semua reaksi
dengan kecepatannya dianggap dapat memahami sel dan karenanya
kehidupan. Enzim adalah katalist dari hampir semua reaksi yang terdapat
dalam sel organisme hidup, sehingga pengetahuan mengenai enzim
menjadi sangat penting.
• Uraian berikut difokuskan pada pengenalan enzim yang mencakup
pengertian dan penemuan enzim serta kharakteristik (struktur dan sifat
dasar) enzim. Suatu yang perlu ditegaskan pada bagian awal ini adalah
bahwa kehidupan yang berlangsung sekarang ini tidak mungkin terjadi
tanpa enzim.
Ketergantungan kelangsungan hidup pada enzim dapat
digambarkan dengan peranan enzim Rubisco (Gambar 2.1) dalam reduksi
CO2 menjadi karbohidrat yang membentuk tubuh tanaman dan menjadi
sumber pangan bagi orgnisme hidup secara langsung atau tidak langsung.
Rubisco (ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) dianggap
sebagai protein paling banyak di dunia karena setiap tanaman mengandung
enzim ini dan sekitar 20-25% protein dapat larut dalam daun adalah
Rubisco (Ellis, 1979; Moore et al., 1995).
• Suatu tinjauan belakangan ini menunjukkan bahwa Rubisco adalah
mungkin protein paling banyak di
dunia setelah kontribusi tanaman
C4 sekitar 20% pada produktivitas
primer terrestrial dipertimbangkan
(Raven, 2013). Jumlah C (karbon)
yang difixasi tana-man diestimasi
sebesar 50*1015 g/tahun (50 milyar
ton/tahun). Jumlah enzim Rubisco
yang dibutuhkan untuk fixasi tersebut dengan pertimbangan kapasitas enzim (turnover number)
adalah 4*1013 g protein (40 juta Gambar 2.1 Struktur (hexadecameton protein). Estimasi lain menun- ric) Rubisco dengan 8 subunit besar
jukkan produktivitas primer kotor (L, biru terang & gelap), 8 subunit
global paling sedikit 100 Pmol CO2 kecil (S, kuning & oranye). Subunit
(100* 1015 mol CO2) yang dapat besar membentuk dimer erat dengan
dikaitkan dengan aktivitas Rubisco dua tempat aktif pada interfase (in(Field et al., 1998; Raven, 2009). terface) subunit. Sumber: van Lun
Rubisco
yang
diestimasi
44 et al. (2014)
kg/orang diproduksi pada tingkat
1000 kg/s (Moore et al., 1995).
• Rubisco, yang ditemukan oleh Melvin Calvin di Berkeley pada tahun 1940an (Vapaavuori, 1986), adalah suatu molekul yang besar (∼560 kDa). Ini
terdiri dari 8 subunit kecil (∼14 kDa/unit) dan 8 subunitnbesar (∼56
kDa/unit). Kinerja enzim ini tergolong rendah dengan tingkat fixasi hanya
sekitar 3-10 molekul CO2 per detik untuk setiap molekul enzim.
PROJECT: Enzyme Cleaner
Sabun Enzim pembersih noda
Banyak jenis enzim yang digunakan
dalam bentuk larutan, tetapi enzim
utama dalam campuran paten yang
Materials
 300 gram kulit jeruk (mis. lemon
dll.)
 100 gram gula coklat
Page 2 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
paling banyak digunakan adalah
Protease, Amylase, dan Lipase
Prosedur
1. 300 g potongan jeruk dicacah
dan ditempatkan dalam botol
plastik (kapasitas 2 liter)
2. Tambahkan 100 g gula coklat
(brown sugar) ke dalam botol
3. Tuangkan 1 liter air bersih ke
dalam botol kemudian tutup
4. Kocok campuran bahan hingga
gula terlarut dan tercampur
merata yang memakan waktu
sekitar 30-60 detik
The University of Brawijaya
 1 liter air
 Botol plastik (kapasitas 2 liter)
5. Buat keterangan waktu (hari &
bulan) pembuatan bahan pada
wadah
6. Simpan wadah pada tempat aman
selama 3 bulan untuk mendapatkan
hasil fermentasi yang baik
7. Bahan kemudian sudah dapat
digunakan (300 ml bahan + 1 liter
air) dengan kualitas yang sama
dengan yang dijual
1.2 Kepentingan Enzim
 Kehidupan dicirikan oleh metabolisme yang pada umumnya tidak terjadi
secara spontan, tetapi melalui proses katalisis yang berfungsi mempercepat
reaksi pada kondisi (suhu, pH dll.) fisiologi.
Katalist reaksi biokimia,
sebagaimana diuraikan diatas, adalah enzim yang bertanggung jawab atas
kelangsungan hampir semua reaksi kimia dalam tubuh organism hidup.
Reaksi tersebut, tanpa enzim, akan terjadi sangat lambat sehingga tidak
mungking mendukung kehidupan seperti sekarang ini.
 Percepatan reaksi, yang berlangsung tanpa katalist, dengan peningkatan
suhu akan merusak sel. Sebagai gambaran, oksidasi suatu asam lemak (a
fatty acid) menjadi karbon dioxidasi dan air dalam tabung reaksi
memerlukan suhu yang tinggi disamping faktor lain. Reaksi demikian
dalam tubuh organisme terjadi secara halus dan cepat dalam kisaran pH
dan suhu yang sempit dengan keberdaan enzim. Perombakan protein
secara lengkap di laboratorium umumnya dicapai melalui pemanasan
hingga mendidih sekitar 24 jam dengan 20% larutan HCl. Dalam tubuh
organism, perombakan protein terjadi dalam sekitar 4 jam pada suhu dan
pH fisiologi. Jadi pemahaman enzim sangat penting untuk studi kehidupan
(pertumbuhan dan perkembangan) dan membuat upaya peningkatan
kualitas dan pemecahan permalahan kehidupan.
2. PENEMUAN ENZIM
2.1 Zymase
 Studi paling awal yang berhubungan dengan enzim dilakukan pada tahun
1835 oleh Jon Jakob Berzelius, ahli kimia Swedia. Tetapi fakta pertama
tentang keberadaan enzim diperoleh pada tahun 1879 oleh Eduard Buchner
yang menggunakan extrat ragi untuk fermentasi gula menjadi alkohol yang
dapat dinyatakan dengan reaksi berikut.
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP
E. Buchner dianugerahi hadiah Novel pada tahun 1907 dalam bidang kimia
atas karyanya dalam fermentasi.
 Reaksi konversi gula ke alkohol (ethanol) dikatalisis oleh beberapa enzim
yang dihasilkan ragi (yeast) dan secara keseluruhan disebut zymase.
Enzim tersebut— yang dapat meliputi sucrase (invertase), maltase
(glucase) lactase, hexophosphatase, reductase, carboxylase, melibiase,
Page 3 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
endo-tryptase, dan enzim proteolitik— dapat berbeda antara ragi.
Penemuan ini menunjukkan bahwa fermentasi terjadi dengan keberadaan
molekul yang terus berfungsi diluar sel.
2.2 Urease
 Enzim pertama tanaman yang diperoleh dalam bentuk murni adalah urease
(Gambar 2.2) yang dilakukan pada tahun 1926 dan merupakan karya dari
James B. Sumner dari Cornell University. Sumner dapat mengisolasi dan
membuat kristal enzim urease dari kacang parang (Jack bean, Canavalia
ensiformis) yang membuatnya memperoleh Novel Prize pada tahun 1947.
Urease, yang berperanan dalam katalisis perombakan urea menjadi amonia,
dalam bentuk kristal hanya terdiri dari protein yang mendorong Sumner
mengusulkan bahwa semua enzim adalah protein.
CH4N2O + H2O → 2NH3 + CO2
 Novel Prize tersebut diperoleh oleh Sumner secara bersama dengan John H.
Northrop dan Wendell M. Stanley dari ―the Rockefeller Institute for Medical
Research‖. Northrop and Stanley menemukan suatu prosedur komplex
untuk isolasi pepsin dengan tehnik presipitasi yang telah digunakan untuk
kristalisasi beberapa enzim.
Kacang parang
Residu asam amino pada tempat
aktif urease
Struktur kristal urease
DOI: 10.2210/pdb3la4/pdb
Klasifikasi: HYDROLASE
Deposisi: 2010-01-06
Pelepasan: 2010-07-28
Autor depositor: Ponnuraj, K.
Organisme: Canavalia ensiformis
Gambar 2.2 Tanaman kacang parang (Canavalia ensiformis) sebagai sumber
dari enzim urease (kiri atas), jenis residu asam amino pada tempat aktif
urease, dan struktur kristal Sbentuk pita dari urease pertama tanaman yang
diisolasi. Sumber: Panpae et al. (2012)
2.3 Papain
What is papain?
 Salah satu enzim yang cukup dekat dengan kehidupan sehari-hari dan
sudah dikenal secara luas bahkan pada tingkat komersil adalah papain
Page 4 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
(Gambar 2.3). Rasa gatal pada kulit yang terkena getah papaya berkaitan
dengan enzim papain.
 Papain adalah suatu enzim yang berfungsi
untuk memotong protein (a proteincleaving enzyme) dan berasal dari
tanaman papaya atau tanaman lain.
 Enzim pada umumnya adalah molekul
yang komplex yang dihasilkan dalam
tubuh organisme untuk katalisis (speed
up) reaksi kimia dalam sel.
Why is meat tough?
Gambar 2.3 Struktur kristal
 Otot, yang mengalami banyak stress
suatu komex papain-E-64.
mekanis (menahan beban dan melakukan
Sumber: Varughese et al.
pergerakan), terbentuk dari serat kuat
(1989)
yang sulit dipotong, dan diikat oleh
jaringan penghubung yang juga kuat
(tough).
 Individu sel otot mengandung serat halus (fibril) mikroskopik yang menghasilkan integritas stuktural otot dan dapat membuatnya berkonstraksi.
Serat tersebut mempunyai suatu struktur internal komplex yang terikat
satu sama lain dengan rantain protein lain. Jaringan penghubung yang
mengikat keseluruhan otot juga kebanyakan protein.
How does papain tenderize meat?
 Papain memotong rantai protein dalam serat halus (fibrils) dan juga dalam
jaringan penghubungan (connective tissue) yang memutus integritas struktural serat otot yang membuat daging menjadi empuk.
2. KHARAKTERISTIK ENZIM
2.1 Nomenklatur Enzim
 Enzim umumnya diberi nama dengan akhiran ―ase‖ kecuali beberapa enzim
(mis. pepsin, rennin dan trypsin).
IUB (International Union of
Biochemistry) mengusulkan nomenklatur baku enzim yang menunjukkan
substrat dan tipe reaksi.
Dengan sistem ini, enzim uricase disebut
urate:O2 oxidoreductase, dan glutamic oxaloacetic transaminase (GOT)
disebut L-aspartate:2-oxoglutarate aminotransferase.
 Enzim dibagi menjadi enam (6) kelas berdasarkan fungsi atau aktivitasnya
(Superfamilies: EC 1.1.3.4) sebagaimana ditunjukkan berikut ini.
1. Transferase
 Transfer gugusan fungsional antara molekul
 Aminotransferase: suatu contoh transferase yang berfungsi dalam
katalisis degradasi asam amino dengan pemotongan gugusan amino.
2. Oxidoreductase
 Transfer elekron (reaksi RedOx, Reduksi Oxidasi)
 Alcohol dehydrogenase: suatu contoh oxidoreductase yang berfungsi dalam konversi alkohol menjadi aldehid/keton.
3. Hydrolase
 Pemutusan ikatan dengan penambahan air
Page 5 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
 Glucose-6-phosphatase: suatu contoh hydrolase yang berfungsi
memotongan gugusan fosfat dari G6P (glucose-6-phosphate) dan meninggalkan glukosa dan H3PO4.
4. Lyase
 Eliminasi reaksi untuk membentuk ikatan ganda (double bond)
 Pyruvate decarboxylase adalah suatu contoh yang berfungsi dalam
pemotongan CO2 dari pyruvate.
5. Isomerase
 Penataan kemabali susunan dalam molekul
 Ribulose phosphate epimerase: suatu contoh lyase yang berfungsi
dalam katalisis interkonversi antara R5P (ribulose-5-phosphate) dan
X5P (xylulose-5-phosphate).
6. Ligase
 Menggabung molekul dengan ikatan baru
 Hexokinase: suatu contoh ligase yang berfungsi dalam katalisis
interkonversi antara glukosa dan ATP dengan G6P (glucose-6phosphate) dan ADP.
2.2 Struktur Enzim
 Enzim terdiri dari protein dengan tempat aktif (active site) dan kofaktor
(cofactor & coenzyme) (Gambar 2.4).
(a)
Apoenzyme + Coenzyme = Holoenzyme
(c)
NADH
(d)
(b)
Gambar 2.4 Model struktur enzim dengan bagian protein (apoenzyme),
kofaktor (coenzyme), tempat aktif, dan aktivator ion logam (a), model
apoenzyme dan kofaktor (b), kofaktor coenzyme NADH (c), dan Alcohol
dehydrogenase dengan coenzyme NAD+, activator ion Zn, tempat aktif dan
substrat ethanol (d)
Page 6 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
Apoenzyme. Polipeptida atau bagian protein dari enzim disebut apoenzim
(apoenzyme) yang dapat berada pada kondisi tidak aktif saat disintesis
dengan bentuk struktur yang masih asli. Bentuk tidak aktif dari apoenzyme
disebut proenzyme atau zymogen.
Proenzyme dapat mengandung
beberapa asam amino extra dalam protein yang dipotong kemudian untuk
struktur tertier spesifik akhir yang dibentuk sebelum aktivasi sebagai suatu
apoenzyme.
Cofactor. Banyak enzim, sebelum aktivitas katalisisnya dapat digunakan,
memerlukan keberadaan dari faktor pendamping (cofactor) yang dapat
dalam bentuk;
- Coenzyme: Suatu zat organik nonprotein yang terikat lemah pada
bagian protein enzim, dapat dipisahkan (dialysis) dan stabil suhu (thermostable)
- Gugusan prosthetic: Suatu zat
yang terikat kuat pada bagian protein enzim (apoenzyme), dapat
dipisahkan (dialysis), dan stabil suhu.
- Aktivator ion logam: Ini mencakup,
antara lain, K+, Fe++, Fe+++, Cu++,
Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++, dan
Mo+++.
 Seluruh komplex aktif enzim disebut
Gambar 2.5 Enzim Carboxyholoenzyme; apoenzyme (bagian propeptidase dengan apoenzyme,
tein) + kofaktor (coenzyme, gugusan
tempat aktif (active site) dan
prosthetic dan/atau aktivatir ion logam)
substrate serta kofaktor ion Zn
seperti Carboxypeptidase (Gambar 2.5).
Beberapa contoh kofaktor dan enzim ditunjukkan pada tabel dibawah ini.
Tabel 2.1 Beberapa contoh kofaktor (coenzyme & logam) dan enzim
T Kofaktor
PCoenzyme
PTPP
FAD
=NAD
PP
TCoA
hBiotin
i DAC
aTHF
m
Enzim
Pyruvate dehydrogenase
Monoamine oxidase
Lactate dehydrogenase
Glycogen phosphorylase
Acetyl CoA carboxylase
Pyruvate carboxylase
Methylmalonyl mutase
Thymidylate synthase
Kofaktor
Logam
Zn+2
Zn+2
Mg+2
Mg+2
Ni+2
Mo
Se
Mn+2
K+
Enzim
Carbonic anhydrase
Carboxypeptidase
EcoRV
Hexokinase
Urease
Nitrate reductase
Glutathione peroxidase
Superoxide dismutase
Propionyl CoA carboxylase
TPP = Thiamine pyrophosphate, FAD = Flavin adenine nucleotide, NAD =
Nicotinamide adenine dinucleotide, PP = pyridoxal phosphate, CoA = Coenzyme A,
DAC = 5’-Deoxyadenosyl cobalamin & THF = Tetrahydrofolate
Tempat Aktif Enzim. Tempat aktif adalah
- ruang spesifik dari enzim dalam mana substrat terikat saat
reaksi.
- bagian konformasi (conformation) dari molekul enzim yang ditata
untuk menciptakan suatu kantong khsus atau celah dengan
Page 7 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
struktur tiga dimensinya komplemeter (sesuai) dengan struktur
substrat.
 Enzim dan molekul substrat ―kenal‖ satu sama lain melalui kesesuaian
struktural seperti enzim sucrase (Gambar 2.6).
Substrat dan enzim
menyatu dengan gaya ikatan H yang lemah, ikatan ion (jembatan garam,
salt bridge), dan interaksi van der Waals antara kluster atom yang
komplementer secara spasial.
1 Enzim siap dengan
tempat aktif kosong
Tempat aktif
Organic
molecule
Enzim
(sucrase)
Substrat
(sukrosa)
Substrat
2 terikat pada
enzim
Glukosa
Air
Fruktosa
Substrat
3 dikonversi
ke produk
4 Produk
dibebaskan
Gambar 2.6 Model enzim Sucrase dengan tempat aktifnya (kiri),
dan struktur Lysozyme dengan tempat aktif
2.3 Sifat Enzim
Komponen Penting. Kehadiran enzim
kritis (critical) dalam setiap aspek kehidupan sel (cell metabolism & biological
processes) seperti siklus Krebs (Gambar
2.7).
Sangat efisien. Enzim sebagai katalist
sangat efisien, dan transformasi substrat
yang sangat banyak dapat dilakukan oleh
enzim dengan jumlah yang jauh lebih
sedikit seperti enzim berikut ini.
- Sucrase
- Catalase
Sucrase (invertase) dapat menghasilkan
hidrolisis
sukrosa
paling
sedikit
1.000.000 kali dari berat enzim tanpa
menunjukkan penurunan aktivitas yang
nyata.
Gambar 2.7 Siklus Krebs yang
dikatalisis oleh sejumlah enzim
Catalase. Enzim ini adalah salah satu
yang paling efisien, dan dapat melakukan konversi 5.000.000 molekul H202 per menit (reduksi hidrogen peroxida
Page 8 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
menjadi air dan O2) untuk setiap satu molekul catalase apabila kondisi
menguntungkan.
Enzim
Fungsi reaksi
Tingkat1)
Merombak H2O2 dari cell2)
1015
Reaksi yang dikatalisis
Catalase
2H2O2  2H2O + O2
Carbonic
Hidrasi gas CO2 untuk
CO2 + H2O H2CO3
107
anhydrase
transport
1) Kecepatan reaksi dengan enzim dibandingkat dengan tanpa enzim, dan
2) H2O2 bersifat toxis dalam sel
Menurunkan energi aktivasi. Suatu konsep dasar dalam reaksi kimia
adalah bahwa substrat berubah ke bentuk transis zat antara atau ―intermediate‖ (I) sebelum dikonversi menjadi produk (P).
S
I
P
Sebagai contoh, konversi G3P (glyceraldehyde 3-phosphate) ke DHAP
(dihydroxyacetone phosphate) terjadi melalui zat antara (Gambar 2.8).
Gambar 2.8 Konversi G3P (Glyceraldehyde 3-phosphate) ke DHAP (dihydroxyacetone phosphate) terjadi melalui zat transisi (intermediate)
Perubahan substrat ke bentuk transisi membutuhkan energi yang disebut
energi aktivasi (Gambar 2.9) yang dapat diestimasi dengan persamaan
Arrhenius berikut.
k  Ae

Ea
RT
atau
E  1
ln k  ln A   a 
 R T
dimana A adalah suatu konstanta yang sebanding dengan frekuensi
tabrakan (collision), k konstanta kecepatan (rate constant), R konstanta
Page 9 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
gas ideal (8.314 J/mol-K), T adalah suhu absolut (0K, 273,15+0C), dan Ea
energi aktivasi yaitu energi minimum yang dibutuhkan untuk kelangsungan
reaksi atau tabrakan. Secara umum, peluang molekul tabrakan lebih tinggi
dengan jumlah molekul yang lebih banyak (Gambar 2.10) dan pada suhu
yang lebih tinggi akibat peningkatan kecepatan gerakan molekul dalam
larutan. Keadaan demikian akan menghasilkan peningkatan kecepatan
reaksi yang dapat dihasilkan dengan penurunan energi aktivasi molekul
(Gambar 2.10).
B
Jumlah molekul
A
Suhu rendah
C
Suhu tinggi
Ea
Ea
tinggi
Ea
rendah
Energi
Energi
Gambar 2.10 Peningkatan tabrakan molekul dengan peningkatan jumlah
molekul (A), Sebaran molekul dengan energi (B & C). Jumlah molekul
dengan energi yang lebih tinggi dari Ea (energi aktivasi) lebih tinggi pada
suhu yang lebih tinggi (B), dan jumlah molekul dengan Ea yang lebih
rendah lebih tinggi dari yang sebaliknya (C).
Keberadaan enzim berfungsi
menurunkan energi aktivasi
(Gambar 2.11) yang menghasilkan peningkatan kecepatan reaksi akibat peningkatan
jumlah molekul dengan energi
kinetik yang lebih tinggi dari
energi aktivasi. Sebagai contoh, energi aktivasi yang dibutuhkan dalam perubahan H2O2
menjadi H2O dan O2 adalah 86
kJ mol-1 tanpa katalist. Energi
aktivasi ini turun menjadi 62
kJ mol-1 tengan katalist anorGambar 2.9 Bagan peranan enzim
ganik dan menjadi 1 kJ mol-1
dalam penurunan energi aktivasi reaksi
dengan
enzim
catalase.
Beberapa contoh reaksi tanpa
katalist dan dengan enzim menunjukkan perbedaan kecepatan reaksi yang
sangat besar (Tabel 2.1). Sebagai contoh, enzim OMP decarboxylase
dengan peruh waktu (half-life) 78 juta tahun (tahan sangat lama) dapat
meningkatkan kecepatan reaksi 1017 kali lipat. Reaksi perombakan H2O2
dengan catalase meningkat 107 kali lipat dibandingkat dengan katalist
anorganik (Fe+2) pada suhu 220C (Tabel 2.2).
Energi aktivasi tersebut dinyatakan dengan perubahan energi bebas Gibbs
(G) yang dalam hal ini adalah perbedaan dalam energi bebas antara
Page 10 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
molekul pada keadaan transisi dengan substrat, dan berhubungan dengan
konstanta keseimbangan reaksi (K’eq = [P]/[S]).
Tabel 2.1 Contoh daya tahan dan katalisis dari enzim
Enzim
OMP decarboxylase
Staphylococcal nuclease
AMP nucleosidase
Carboxypeptidase A
Ketosteoid isomerase
Triose phosphate isomerase
Chorismate mutase
Carbonic anhydrase
Kecepatan (s-1)
kun
kcat
2,8.10-16
39
1,7.10-13
95
-11
1,0.10
60
3,0.10-9
578
1,7.10-7
66.000
4,3.10-6
4.300
2,6.10-5
50
1,3.10-1
1.106
t½
(tahun)*
78.106
13.104
69.103
7,3
7
1,9
7,4
5
Kcat/kun
1,4.1017
5,6.1014
6,0.1017
1,9.1011
3,9.1011
1,0.109
1,9.106
7,7.106
* t½: half-life, kun: tanpa katalist & kcat: dengan katalist
Tabel 2.2 Contoh daya katalisis dari enzim
Substrat
katalist
Suhu (0K)
Hidrolisis
Benzamide
Hidrolisis urea
2H2O22H2O+O2
H+
OH
-chymotrypsin
H+
urease
Fe+2
catalase
325
326
298
335
294
295
295
(52
(53
(25
(62
(21
(22
(22
0
C)
C)
0
C)
0
C)
0
C)
0
C)
0
C)
0
Konstanta K (mol
dm-3)-1 s-1
2,4.10-5
8,5.10-6
14,9
7,4.10-7
5,0.106
56
3,5.107
Tabel 2.3 Hubungan antara konstanta keseimbangan
dengan perubahan energi bebas Gibbs (G)
K’eq
G'0
(KJ/mol)
10-6
10-5
10-4
10-3
(K’eq)
10-2
10-1
1
10
102
103
34.2 28.5 22.8 17.1 11.4
5.7
0
-5.7
-11.4
-17.1
UREA FERTILIZER
 The optimum conditions for enzyme catalysis are almost invariably
moderate temperatures, and pHs which are not extreme
 The contrast between a reaction catalysed by an enzyme and by a nonenzymatic catalyst is well illustrated by the process of nitrogen fixation
(i.e. reduction of N2 to ammonia). Nitrogenase catalyses this reaction
at temperatures around 300 K and at neutral pH. The enzyme is a
complex system comprising two dissociating protein components one of
which contains iron and the other iron and molybdenum. Several
molecules of ATP are hydrolyzed during the reduction
 By contrast, in the industrial synthesis of ammonia from nitrogen and
hydrogen, the conditions used are as follows: temperature 700 - 900 K,
pressure 100 - 900 atmospheres, and the presence of an iron catalyst,
often promoted by traces of oxides of other metals
Spesifitas Enzim. Spesifitas enzim ditentukan oleh tempat aktif (Gambar
2.9), dan enzim bersifat spesifik untuk
Page 11 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
– substrat yang dikatalisis
– reaksi yang dikatalisis
Contoh: Protease adalah suatu kelas enziim yang berfungsi dalam katalisis
ikatan peptide (peptide).
Kelas spesifitas
- Spesifitas aksolut – hanya satu reaksi
yang dikatalisis oleh enzim.
- Spesifitas kelompok – enzim hanya akan
berfungsi untuk molekul yang mempunyai
gugusan fungsional spesifik seperti amino,
fosfat dan gugusan metil.
- Spesifitas ikatan – enzim hanya berfungsi
untuk tipe ikatan kimia tertentu yang tidak
tergantung pada struktur molekul.
- Spesifitas stereokimia – enzim hanya
berfungsi pada isomer ruang atau optis.
Regulasi Enzim
- Enzim
dikendalikan
sangat
ketat seperti tombol lampu
agar
metabolisme
berjalan
normal.
Karena gangguan
pada salah satu reaksi akibat
enzim yang tidak dikendalikan
akan mengganggu reaksi lain
dan
akhirnya
keseluruhan
metabolisme (Gambar 2.10).
- Enzim yang tidak dikendalikan
menjadi
tidak
aktif,
dan
aktivitas enzim yang tidak
dikendalikan
mengganggu
keadaan ―homeostasis‖ sel dan
sering membawa keadaan sakit.
Gambar 2.9 Tempat aktif
yang menentukan spesifitas enzim
Gambar 2.10 Suatu potongan metabolisme
REFERENSI
Berg, J.M., Tymoczko, J.L. and Stryer, L., 2002. Biochemistry. 5th edition: W.H.
Freeman and Co,. New York
Ellis, R.J., 1979. Most abundant protein in the world. Trends in Biochemical
Sciences 4: 241–244
Field, C.H., Behrenfeld, M.J., Randerson, J.T. and Falkowski, P., 1998. Primary
production of the biosphere: integrating terrestrial and oceanic components.
Science, 281:237–240
Goodwin, T.W. and Mercer, E.I., 1990. Introduction to Plant Biochemistry.
Page 12 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
Pergamon Press, Oxford
Stryer, L., 1975. Biochemistry. W.H. Freeman and Company, San Francisco
Raven, J.A., 2009. Contributions of anoxygenic and oxygenic phototrophy and
chemolithotrophy to carbon and oxygen fluxes in aquatic environments.
Aquatic Microbial Ecology, 56: 177–192
Raven, J.A., 2013. Rubisco: still the most abundant protein of Earth?. New
Phytologist, 198: 1–3
Vapaavuori, E. M., 1986. Correlation of Activity and Amount of Ribulose 1,5<I>Bis</I>Phosphate Carboxylase with Chloroplast Stroma Crystals in WaterStressed Willow Leaves. Journal of Experimental Botany, 37(174): 189-198
Lundqvist, T. and Schneider, G., 1991. Crystal Structure of Activated Ribulose-1,5Bisphosphate Carboxylase Complexed with Its Substrate, Ribulose-1,5Bisphosphate. Journal of Biological Chemistry, 266: 12604-12611
van Lun, M., Hub, J.S., van der Spoel, D. and Andersson, I., 2014. CO2 and O2
Distribution in Rubisco Suggests the Small Subunit Functions as a CO2
Reservoir. J. Am. Chem. Soc., 136: 3165−3171. dx.doi.org/10.1021/ja411579b
PROPAGASI
A. Penguasaan Materi (Membaca dan Menulis kembali)
Penguasaan materi dapat dilakukan dengan membaca modul ini secara
cermat yang diikuti dengan membuat catatan/ringkasan dari setiap bagian
dengan cara dan bahasa sendiri.
B. Pendalaman Materi (Studi Literatur)
Pendalaman materi dapat dilakukan dengan studi literatur untuk materi yang
dianggap perlu didalami lebih lanjut baik karena tidak jelas atau menarik
untuk mendapat informasi lebih rinci.
C. Pemantapan (Latihan/Evaluasi Mandiri)
Pemantapan dapat dilakukan dengan membuat pertanyaan yang dapat
timbul dari setiap bagian materi pembelajaran seperti yang disajikan
dibawah ini, dan menjawab pertanyaan tersebut. Ini dapat diikuti dengan
pemecahan masalah atau permasalahan (problematik) yang relevan.
Pertanyaan
1. Apakah protein yang dipertimbangkan paling banyak di dunia
2. Apakah yang dimaksud dengan zymase
3. Apakah yang dimaksud dengan enzim (enzyme)
4. Apakah fungsi dari enzim urease
5. Apa yang dimaksud dengan apoenzyme, kofaktor dan tempat aktif
Problematik
Masalah atau problematik untuk dipecahkan sendiri atau dalam diskusi
kelompok dapat berasal dari materi pembelajaran, studi pustaka dan dari
lapangan yang berhubungan dengan topik pembelajaran seperti contoh
berikut ini.
D. Pengembangan (Diskusi Kelompok)
Pengembangan kompetensi dapat dilakukan dengan diskusi kelompok
(kelompok studi) untuk
(a) evaluasi kemampuan yang berkembang dengan upaya yang telah
dilakukan,
(b) mengembangkan kemampuan mengemukakan apa yang telah diketahui
secara ilmiah (logis dan sistematis), dan
Page 13 of 14
2016
Biokimia Tanaman/Pengenalan Enzim/S.M. Sitompul
The University of Brawijaya
(c) untuk membagi kemampuan/pengetahuan antara anggota kelompok
diskusi
E. Entrepreneurship
Kompetensi entrepreneurship dapat dilakukan secara mandiri dan diskusi
untuk menggali (explorasi) kegiatan yang dapat dilakukan sebagai bidang
usaha (entrepreneurship) seperti
(a) Usaha Jasa/Konsultasi
(b) Usaha Kreatif (E-Commerce)
(c) Usaha Produksi/Lapangan
Page 14 of 14
2016