Nama enzim ini sering berasal dari substrat - MARzuki
advertisement
Kuliah MIKROBIOLOGI PERTANIAN Oleh: Dr. Ir. I. Marzuki, M.Si HP: 081343164304 E-mail: [email protected]; blok: marzuki64.weebly.com Hari & jam kuliah: Jumat, 16:00 - 17:30 WIT Pokok Bahasan: Metabolisme Mikroba Konsep dasar dalam reaksi kimia metabolisme: Definisi Metabolisme Oksidasi dan Reduksi Donor dan Akseptor Elektron Aerobik dan Anerobik Katabolisme dan Anabolisme Pembangkitan energi metabolisme Konsep energi Mekanisme pembangkitan energi ATP Pemanfaatan ATP dalam reaksi metabolime Enzim metabolime Definisi dan tata-nama enzim Peran enzim dalam metabolisme Enzim yang aktif dalam metabolisme respirasi Enzim yang aktif dalam metabolisme fotosintesis Konsep Dasar dalam Reaksi Biokimia Metabolisme Definisi Metabolisme Metabolisme adalah keseluruhan reaksi kimia yang terjadi di dalam tubuh mahluk hidup. Dengan demikian, metabolisme mikroba berarti keseluruhan reaksi kimia yang terjadi di dalam tubuh mikroba (bakteri, bakteri biruhijau, protozoa, fungi, dan virus). Oksidasi dan Reduksi Perubahan-perubahan yang terjadi di dalam tubuh atau sel mikroba melibatkan sejumlah reaksi kimia yang kompleks, yang secara umum dapat dikelompokkan ke dalam dua proses dasar: Oksidasi dan Reduksi. Kedua proses fisiko-kimia ini saling terkait dan takterpisahkan, dan karenanya seringkali ditulis oksidasi-reduksi atau disingkat redoks. Dalam konteks metabolisme, oksidasi diartikan sebagai reaksi melepaskan elektron dari zat pemberi (donor elektron) ke zat penerima (akseptor elektron). Sementara reduksi adalah kebalikannya, proses mendapatkan elektron oleh akseptor dari donor. Donor maupun akseptor dalam reaksi redoks dapat berupa zat anorganik atau organik. Oksidan dan Reduktan Penerima elektron disebut juga oksidan, sedangkan pemberi elektron dinamai reduktan. Jadi, dapat dikatakan bahwa oksidan adalah zat yang mempunyai kemampuan mereduksi zat lainnya, sedangkan reduktan adalah zat yang memiliki kemampuan mengoksidasi zat lainnya. Pada reaksi redoks, reduktan memindahkan elektron ke oksidan, karenanya reduktan kehilangan elektron sehingga keadaannya dikatakan teroksidasi. Contoh reduktan anorganik adalah ion-ion logam seperti: litium, natrium, magnesium, besi, seng, dan aluminium; dan contoh oksidan anorganik seperti: O2, F2, Cl2, dan Br2. Secara skematik redoks dapat digambarkan sebagai berikut. Reaksi oksidasi: Reaksi reduksi: − Reduktan Produk + e Oksidan + e− Produk (elektron dilepaskan) (elektron diperoleh) Perhatikan contoh reaksi redoks berikut, yaitu reaksi antara hidrogen (H) dan fluor (F): H2 + F2 → 2 HF Reaksi oksidasinya adalah: H2 → 2 H+ + 2 e− Reaksi reduksinya adalah: F2 + 2 e− → 2 F− Contoh reaksi redoks lainnya: Reaksi antara besi (Fe) dan tembaga (Cu) sulfat: Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu Reaksi oksidasi besi (Fe): Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu Fe → Fe2+ + 2 e− Reaksi reduksi tembaga (Cu): Cu2+ + 2 e− → Cu Contoh lainnya: Oksidasi karbon (C) menjadi karbon dioksida (CO2) Reduksi karbon (C) oleh hidrogen menjadi metana (CH4) Contoh reaksi redoks pada senyawa organik: Reaksi oksidasi gula glukosa: Glukosa + Oksigen Karbon Dioksida + Air + Energi atau C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6H2O + 38 ATP Reaksi reduksi asam piruvat: Piruvat + NADH + H+ Laktat + NAD+ Pada reaksi di atas, piruvat tereduksi oleh NADH (menerima elektron) dan berubah menjadi laktat. Aerobik dan Anerobik Jika proses oksidasi suatu zat melibatkan secara langsung molekul oksigen (O 2) sebagai akseptor elektron, maka reaksi metabolisme yang demikian disebut aerobik, tetapi bila tidak ada keterlibatan O2 keadaannya disebut anerobik. Jadi, erobik atau pun anerobik menunjukkan suatu keadaan reaksi metabolisme dengan atau tanpa keterlibatan oksigen. Kondisi tanpa opksigen lazim disebut anoksia. Kondisi anoksia yang berkepanjangan akan (membahayakan mahluk hidup karena terjadi keracunan akibat penimbunan zat yang bersifat toksin (racun) seperti alkohol dan laktat. Metabolisme: Katabolisme vs Anabolisme Sebagaimana diketahui bahwa mikroba adalah mahluk hidup yang mengalami pertumbuhan, perkembangan, dan reproduksi seperti mahluk hidup lainnya. Untuk tumbuh, mikroba memerlukan nutrisi, energi, dan lingkungan yang mendukung. Tumbuh dan berkembang pada mikroba menunjukkan adanya aktivitas metabolime di dalam tubuhnya. Metabolism diartikan keseluruhan reaksi biokimia yang terjadi di dalam tubuh atau sel mahluk hidup. Secara garis besar, metabolisme dibedakan atas anabolisme dan katabolisme. Anabolisme adalah metabolisme yang berhubungan dengan reaksi penyusunan molekul organik (sintesis atau asmililasi)) yang lebih kompleks dari molekul yang lebih sederhana. Reaksi anabolisme memerlukana energi ATP. Contoh reaksi anabolisme adalah proses sintesis protein dari molekul sederhana, asam amino. Juga, fotosintesis pada tumbuhan yang membentuk gula glukosa adalah contoh anabolisme. Katabolisme adalah reaksi pemecahan molekul organik (dekomposisi atau disimilasi) yang lebih kompleks menjadi molekul yang lebih sederhana. Proses katabolisme menghasilkan energi ATP. Contoh reaksi katabolisme adalah proses penguaraian glukosa menjadi CO2 dan H2O dalam proses respirasi. Juga, perombakan cadangan makanan (karbohidrat, protein, lemak) di dalam biji untuk perkecambahan adalah contoh proses katabolisme. Dalam perkecambahan biji, karbohidrat diurai menjadi gula sederhana (monosakarida); protein rirombak menjadi asam amino; dan lemak dipecah menjadi asam lemak dan gliserol. Pada anabolisme dan katabolisme, fokus utama adalah adanya pemakaian dan pembentukan energi ATP. Anabolisme menggunakan ATP, sedangkan katabolisme menghasilkan ATP. Molekul berenergi tinggi ATP tersusu dari 3 komponen: basa nitrogen Adenin, gula Ribosa, dan gugus Fosfat. Energi ATP terletak pada ikatanikatan kimia pada tiga gugus fosfat. Setiap pelepasan satu gugus fosfat akan dihasilkan energi (sekitar 7,3 Kkal/mol). Molekul berenergi tinggi ATP dibentuk dari AMP (adenosin monofosfat) atau ADP (adenosin difosfat). AMP + Pi => ADP ADP + Pi => ATP Perhatikan struktur molekul ATP berikut. Pembangkitan energi metabolisme Untuk tumbuh dan berkembang, bakteri memerlukan energi (ATP). Mikroba misalnya bisa mengoksidasi karbohidrat sebagai sumber energi utamanya. Glukosa adalah jenis karbohidrat yang umum digunakan oleh bakteri sebagai penghasil energi. Energi yang terkandung di dalam karbohidrat/glukosa diekstrak atau dikeluarkan melalui proses biokimia, yaitu: Respirasi dan Fermentasi. Dalam proses respirasi, jika di lingkungan bakteri tersedia cukup oksigen (O2) maka yang terjadi adalah Respirasi Aerobik. Sebaliknya jika tidak tersedia oksigen, bakteri melakukan jalur katabolisme alternatif yaitu Respirasi Anerobik atau Fermentasi. Respirasi bakteri Elektron yang dilepaskan oleh proses oksidasi diteruskan ke Sistem Transpor Elektron (STE) dimana oksigen adalah penerima terakhir elektron. Pada saat oksigen menerima elektron maka terbentuk gas O 2. Glukosa + Oksigen Karbon Dioksida + Air + Energi atau C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O + 38 ATP Respirasi aerobik yang melibatkan kehadiran oksigen sebagai akseptor elektron dan berlangsung di dalam sel mikroba. Respirasi aerobik terdiri atas 4 tahapan: Glikolisis, Reaksi Transisi, Siklus Kreb, dan STE. Glikolisis atau pemecahan gula adalah reaksi oksidasi yang memecah molekul glukosa menjadi molekul yang lebih sederhana, yaitu piruvat. Reaksi ini berlangsung di dalam sitoplasma sel dan melibatkan enzim. Glukosa => 2 Piruvat + 2 NADH2 + 2 ATP In the bacteria there exist three major pathways of glycolysis (the dissimilation of sugars): the classic Embden-Meyerhof pathway, which is also used by most eucaryotes, including yeast (Saccharomyces): theheterolactic pathway used by lactic acid bacteria, and the Entner-Doudoroff pathway used by vibrios and pseudomonads, including Zymomonas. Although the latter two pathways have some interesting applications in the manufacture of dairy products and alcoholic beverages, they will not be discussed further in this section. Embden-Meyerhof pathway Reaksi Transisi adalah reaksi yang menghubungkan tahap glikolisis dengan tahap Siklus Kreb. Piruvat yang terbentuk pada glikolisis masuk ke dalam mitokondria sel dan di dalamnya mengalami serangkaian reaksi kimia yang melibatkan beberapa enzim. 2 Piruvat => 2 Asetil-CoA + 2 NADH2 + 2 CO2 Siklus Kreb atau disebut juga siklus Asam Trikarboksilat (TCA) yaitu tahapan dimana Asetil-CoA diproses lebih lanjut secara kimia menjadi produk antara atau intermediat, yang berawal dan berakhir dengan asam sitrat. Proses Kreb berlangsung di dalam mitokondria. Siklus Kreb menghasilkan: 2 ATP, 6 NADH2, 2 FADH2, dan 4 CO2. Sistem Transpor Elektron, yaitu tahapan dimana terjadi serangkain reaksi pemindahan elektron yang mengubah 10 NADH2 dan 2 FADH2 menjadi 34 ATP. Secara keseluruhan tahapan respirasi aerobik adalah sebagai berikut: Tahapan Glikolisis Reaksi Transisi Siklus Kreb STE NADH2 2 2 6 FADH2 2 Total ATP 2 0 2 34 38 Perlu dicatat bahwa CO2 yang terbentuk pada tahap Siklus Kreb dipandang sebagai produk sampingan yang dilepaskan bakteri ke lingkungannya (ke atmosfer). Jadi oksidasi sempurna 1 molekul glukosa dalam respirasi aerobik menghasilkan 34 molekul ATP. ATP adalah sumber energi yang tersedia bagi metabolisme mikroba. Energi pada ATP tersimpan pada ikatan molekul fosfatnya. Pelepasan gugus fosfat pada ATP dilepaskan energi sekitar 8 Kkal. ATP ADP + Pi + energi (8 Kkal) NAD (Nikotinamida Adenin Dinukleotida) NAD (bentuk teroksidasi) NADH2 (bentuk tereduksi) Respirasi anerobik sebaliknya terjadi jika oksigen tidak cukup tersedia. Pada kondisi tanpa oksigen atau anoksia ini mikroba menjalankan metabolisme pembangkitan energi fermentasi. Pada respirasi anerobik, elektron yang dilepaskan dari reaksi oksidasi diteruskan ke ETS, tetapi penerima elektron (akseptor elektron) bukanlah oksigen. Akseptor elektron dalam respirasi anerobik adalah zat anorganik, seperti nitrat, sulfat, atau karbonat. Tabel Akseptor Elektron Respirasi pada Mikroba Akseptor Elektron Produk (Tereduksi) O2 Akhir Nama Proses Mikroba H2O Respirasi Aerobik Escherichia, Streptomyces NO3 NO2, NH3 atau N2 Respirasi Anerobik: Denitrifikasi Bacillus, Pseudomonas SO4 S atau H2S Respirasi Anerobik: Reduksi Sulfat Desulfovibrio Fumarat Suksinat Respirasi Anerobik: Menggunakan Akseptor anorganik CO2 CH4 Metanogenesis Elektron Escherichia Methanococcus Konsep energi Before we dive into bacterial metabolism I want to present some over arching ideas that you should keep in mind as we explore how bacteria make their energy and what they use it for. First let me impress on you an important idea. Thousands of years ago, human tribes worshiped the sun. The light and heat of the sun was pivotal to their survival. Life on earth is possible because of the energy generated by the sun and almost all life depends upon it. (OK, OK, organisms living at deep sea ocean vents don't need the sun.) This ultimate source of energy is transformed into living matter. To start getting comfortable with this idea, let's look at thermodynamics, which is concerned with the storage, transformation and dissipation of energy. Cells store energy, they transform it and they dissipate it to drive unfavorable reactions. Here we introduce the laws of thermodynamics because they govern everything a cell does. The first law of thermodynamics Energy can neither be created nor destroyed in the universe. For living organisms this means they must collect and convert existing energy into a form suitable for biological processes from the surrounding environment. Usually this means grabbing it from the sun or breaking down large molecules and releasing the energy in them. Plants and photosynthetic microbes convert light from the sun into high energy compounds that help to build cell material. Figure 1 - Energy from the sun. When you eat a bagel, your stomach and intestines break down the compounds that make up the bagel and convert this into high energy compounds for you to use.. Figure 2 - Energy from a bagel. The second law of thermodynamics In all processes or reactions, some of the energy involved irreversibly loses its ability to do work. or In any reaction the amount of molecular disorder always increases Living systems are ordered, while the natural tendency of the universe is to move toward systems of disorder with unavailable energy (increasing entropy). A cell is a protest against the second law of thermodynamics! Organisms are in a constant battle with entropy and when they finally lose the war, they die. Ah the futility of existence.... Free Energy (delta G) All chemical reactions can be describe by the following equation. DH = DG + TDS H is the total energy of a reaction. S is the amount of energy that is lost to disordering the system and is not available for work (entropy). G is the amount of free energy available to do work This equation can be rearranged as follows DG = DH - TDS Think about this for a moment. Increasing DS (entropy) results in a disordering of the system, giving a negative DG. So things that result in a large amount of disorder, like breaking starch (a polymer of sugar) into carbon dioxide and water, are favorable and result in a negative DG value. The take home message - negative DG (free energy) is good and is available to do work in the cell. Figure 3 - A favorable reaction - the degradation of starch by amylase. Note how the system becomes more disorganized by the action of amylase. If the above graphic is a shockwave animation, click on the button below to get the latest player. If the above graphic is a Quicktime animation, Go to apples web site to get the latest player. A decrease in entropy results from an ordering of a system and a positive DG. For example, building a cell wall orders a system. This is an unfavorable reaction and will not occur spontaneously. But cells have to build cell walls, how do they do it? To get these reaction to go, you have to add energy. This energy usually increases the entropy of the universe by breaking down ATP into ADP + "Pi" or degrading some other phosphate containing compound. The increase in molecular disorder from breaking apart ATP compensates for the ordering of the cell wall assembly and enables the reaction to proceed. Oxidation-Reduction Reactions (Redox reactions) Much of the energy that cells extract from the universe comes from oxidation-reduction reactions. It is critical to have a basic understanding of these if you are going to have any idea about how metabolism works. All molecules contain electrons as part of the atoms that make them up. Each molecule has a potential to donate and accept electrons from another molecule. In chemistry this is written as a redox reaction. NAD(P)+ + 2H+ + 2eNAD(P)H + H+ Figure 5 - An example of redox reaction The potential of a redox reaction to donate electrons can be measured. Scientists of a previous age spent some time sitting around in lab and determined the redox potential at "standard conditions" (E´ o) for almost every chemical reaction imaginable. They arbitrarily designated a hydrogen electrode as the standard and everything else is determined from it. The table below lists some common redox reactions found in the cell) E´o Redox Couple 2H++ 2e- -0.42 H2 ferredoxin(Fe+3) + e- ferredoxin(Fe+2) NAD(P)+ + 2H+ + 2e- NAD(P)H + H+ S + 2H+ + 2e- -0.22 H2S pyruvate + 2H+ + 2e- -0.185 lactate-2 FAD + 2H+ + 2e- -0.32 -0.274 H2S SO4-2 + 8H+ + 8e- -0.42 -0.18 FADH + H+ cytochrome b(Fe3+) + e- cytochrome b(Fe+2) 0.075 ubiquinone + 2H+ + 2e- ubiquinone H2 cytochrome c(Fe+3) + e- cytochrome c(Fe+2) 0.254 NO3- + 2H+ + 2e- Fe+3 + e- 0.421 NO2- + H2O NO2- 8H+ + 6e- 0.10 0.44 NH4 0.771 Fe+2 0.815 O2 + 4H+ + 4e2H2O Redox reactions with more negative reduction potentials will donate electrons to redox reactions with more positive potentials. For example. NAD(P)+ + 2H+ + 2eO2 + 4H+ + 4e2 NAD(P)H+ 2 H+ + 4e- + O2 + NAD(P)H + H+ -0.32 0.815 2H2O 2NAD+ + 2H2O 1.135 Notice that to get the reaction to work, you have to reverse the first redox reaction NAD(P)+ + 2H+ + 2e2NAD(P)H + 2H + NAD(P)H + H+ becomes 2NAD(P)+ + 4H+ + 4e-. There are many oxidation reduction reactions in the cell, during both catabolism and Anabolism. Much of the energy for the cell is captured by running redox reactions as you will see when we talk about respiration. Energy Requirements To summarize what we have learned so far, cells get their energy from the universe to drive energy requiring (thermodynamically unfavorable) reactions. Many of their reactions involve oxidation/reduction couples. So the cell has energy. What do they use it for? Three main activities 1. 2. 3. Chemical energy - synthesis of complex biological molecules. In other words, to make more of themselves. Transport - Cells often live in dilute environments. They are sitting in a lake and they need some amino acid, the concentration of that nutrient is very low in the environment. Cells have to expend energy to transport that nutrient into the cell. Mechanical Energy - Cells may be able to change their physical location and all cells need to move structures within them. This requires energy. Energy Carriers Cells can get energy and now we know generally what they do with it, but how do you get from the sun to a cell wall? Photons from the sun don't directly get put into the chemical bonds of the cell wall, there has to be intermediate "high energy" carriers to store this energy until the cell is ready to use it. There are two main carriers of energy in living cells, Adenosine TriPhosphate (ATP) andNicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+). ATP is a carrier of chemical energy in the form of high energy phosphate bonds. (The anhydride links between the phosphate groups in the figure above.) NAD+ is a carrier of hydrogen and electrons and is involved in many oxidation-reduction reactions in the cell. It can pick up and transport 2e - and 2H+ when loaded. You can think of NAD+ and ATP as little trucks that transport energy around the cell. Another common metaphor for them is money. NAD + and ATP are the energy currency for the cell. Money is a medium of exchange. People assign work for us to do, we receive money for doing it, and we convert that money into things we want or need. The cell takes its energy source, converts it into NADH and ATP, and then uses them to perform needed tasks in the cell. NAD+ and ATP are not the only carriers of energy, but they are the major ones. It is amazing to consider that given the diversity of life on this planet that we all use the same energy carriers. Protons An important player in many forms of catabolism is the hydrogen ion (H +). Hydrogen is the smallest element. It has one proton in its nucleus and one electron orbiting it. If you remove that electron, you have a hydrogen ion, which is also called a proton since that is all that's left. Protons play a major role in respiration and many enzymatic reactions. To pull it all together, the energy in chemicals or light is extracted by running a series of reactions that eventually deposit bond energy and high energy electrons in ATP and NADH. This stored up energy then drives other reactions that help the cell grow and reproduce. Great, but what catalyzes, controls and coordinates all these reactions? Enzymes! Mekanisme pembangkitan energi ATP Pemanfaatan ATP dalam metabolime ATP adalah sumber energi utama yang menggerakkan mesin biologis suatu sel. ATP dihasilkan oleh mikroba melalui proses pembangkitan energi, yaitu respirasi, fermentasi, dan fotosintesis. Mekanisme terbentuknya ATP meliputi fosforilasi oksidatif dan fotofosforilasi. Fosforilasi oksidatif adalah proses dimana ATP terbentuk dari hasil transfer elektron yang melalui serangkaian pembawa elektron dari NADH2 atau FADH2 ke oksigen (O2). Proses ini berlangsung di dalam mitokondria. Fotofosforilasi di lain pihak adalah proses terbentuknya ATP dalam reaksi cahaya fotosintesis. Proses ini berlangsung di dalam membran kloroplas. ATP --> ADP + Pi + Energi (7300 kalori) Pemanfaatan energi ATP dalam metabolisme mikroba meliputi untuk aktivasi molekul organik melalui proses yang disebut fosforilasi substrat. Molekul organik yang telah difosforilasi menjadi lebih reaktif. Glukosa + ATP => Glukosa 6-fosfat + ADP Molekul glukosa yang telah difosforilasi (bereaksi dengan ATP) berubah menjadi molekul yang berenergi (reaktif). ATP digunakan untuk banyak fungsi sel yang meliputi proses transpor untuk memindahkan zat dari luar masuk melintasi membran sel. Peran utama ATP adalah untuk kerja kimia dengan menyediakan energi untuk mensintesis ribuan macam biomolekul yang diperlukan bagi kelangsungan hidup. Kuliah MIKROBIOLOGI PERTANIAN Materi: Enzim Pokok Bahasan: (a) Nomenklatur Enzim, (b) Cara Kerja Enzim. Dosen: Dr. I. Marzuki NOMENKLATUR ENZIM Edisi ke-6 terbitan International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) tahun 1992, memuat 3.196 jenis enzim. Nomenklatur enzim pertama kali dikembangkan tahun 1955 oleh International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB), saat berlangsungnya sebuah Kongres Biokimia Internasional di Brussels, Belgia yang kemudian menetapkan sebuah Komisi Enzim. Nomenklatur enzim adalah sistem tatanama, yaitu aturan penamaan suatu enzim. Sistem tata-nama enzim ditetapkan oleh Komisi Enzim (EC). Oleh komisi enzim, kemudian setiap enzim diberi angka EC yang terdiri atas empat digit yang dipisahkan oleh titik. Digit pertama menunjukkan klas enzim; digit kedua menunjukkan sub-klas; digit ketiga menunjukkan sub-sub klas; dan digit keempat menunjukkan spesifikasi khusus enzim tersebut. Sebagai sistem nomenklatur enzim, setiap angka EC berkaitan dengan nama enzim. Angka EC tidak merujuk pada nama enzim secara spesifik, tetapi lebih pada jenis reaksi yang dikatalisis enzim yang bersangkutan. Jika ada dua (nama) enzim yang berbeda tetapi mengkatalisis reaksi biokimia yang sama, maka kedua enzim itu memiliki angka EC yang sama. Sebagai contoh, enzim aminopeptidase dengan kode nomenklatur: EC 3.4.11.4. – EC 3 berarti enzim kelompok hidrolase; – EC 3.4 menunjukkan Hidrolase yang memutus ikatan peptida; – EC 3.4.11 menunjukkan hidrolase yang memutus ikatan peptida pada asam amino terminal amino dari senyawa polipeptida; – EC 3.4.11.4 menunjukkan reaksi pemutusan ujung amino terminal dari tripeptida. Sebagai contoh, Oksidoreduktase diberi kode kelompok EC.1 yang berarti enzim-ezim yang masuk golongan 1. Enzim dibagi ke dalam enam kelompok. Pengelompokan enzim didasarkan pada tipe reaksi yang dikatalisis. Keenam kelompok itu adalah: 1. Oksidoreduktase 2. Transferase 3. Hidrolase 4. Liase 5. Isomerase 6. Ligase Kelompok Enzim EC 1 Oksidoredukt ase EC 2 Transferase EC 3 Hidrolase EC 4 Liase EC 5 Isomerase EC 6 Ligase Reaksi yang dikatalisis Mengkatalisis reaksi oksidasi/reduksi; Memindahkan atom H dan Oatau elektron dari satu molekul ke molekul lainnya. Memindahkan gugus fungsi dari satu molekul ke molekul lainnya. Gugug fungsi, misalnya: metil, asil, amino, atau gugus fosfat. Pembentukan dua produk dari hasil hidrolisis suatu molekul/senyawa. Penambahan atau pelepasan gugus fungsi secara non-hidrolisis. Ikatan yang diputus adalah C-C, C-N, C-O atau CS. Penataan ulang struktur pada satu molekul (perubahan isomerasi). Menyatukan dua molekul dengan cara mensintesis ikatan baru: C-O, C-S, CN atau C-C disertai dengan pemecahan ATP Model reaksi AH + B → A + BH (Tereduksi) A + O → AO (Teroksidasi) Contoh Enzim Dehidrogenase, oksidase AB + C → A + BC Transaminase, kinase AB + H2O → AOH + BH Lipase, amilase, peptidase RCOCOOH → RCOH + CO2 or [x-A-B-Y] → [A=B + X-Y] Dekarboksilase AB → BA Isomerase, mutase X + Y+ ATP → XY + ADP + Pi Sintetase CARA KERJA ENZIM Kuliah Mikrobiologi Pertanian ENZIM: STRUKTUR, NOMENKLATUR, DAN MEKANISME KERJA Oleh: Dr. Ir. I. Marzuki ENZIM Enzim adalah protein yang mengkatalisis (yaitu, mempercepat atau mengurangi tingkat dari) reaksi kimia. [1] [2] Dalam reaksi enzimatik, yang molekul pada awal proses disebut substrat , dan mereka diubah menjadi molekul yang berbeda, disebut produk . Hampir semua proses dalam sel biologi perlu enzim terjadi pada tingkat yang signifikan. Karena enzim adalah selektif untuk substrat mereka dan mempercepat hanya beberapa reaksi dari antara banyak kemungkinan, set enzim yang dibuat dalam sel menentukan jalur metabolik terjadi pada sel tersebut. Seperti semua katalis, enzim bekerja dengan menurunkan energi aktivasi (E a ‡) untuk suatu reaksi, sehingga secara dramatis meningkatkan laju reaksi. Akibatnya, produk terbentuk lebih cepat dan reaksi mencapai keadaan setimbang mereka lebih cepat. Kebanyakan tingkat reaksi enzim jutaan kali lebih cepat dibandingkan reaksi sebanding un-katalis. Seperti dengan semua katalis, enzim tidak dikonsumsi oleh reaksi mereka mengkatalisasi, juga tidak mengubah kesetimbangan reaksi ini. Namun, enzim yang berbeda dari kebanyakan katalis lain dengan menjadi jauh lebih spesifik. Enzim dikenal untuk mengkatalisasi sekitar 4.000 reaksi biokimia. [3] Beberapa RNA molekul yang disebut ribozymes juga mengkatalisis reaksi, dengan contoh penting menjadi beberapa bagian dari ribosom. [4] [5] molekul sintetik yang disebut enzim buatan juga menampilkan enzim seperti katalisis. [6] Aktivitas enzim dapat dipengaruhi oleh molekul lain. Inhibitor adalah molekul yang menurunkan aktivitas enzim, aktivator adalah molekul yang meningkatkan aktivitas. Banyak obat dan racun adalah penghambat enzim. Kegiatan ini juga dipengaruhi oleh suhu , lingkungan kimia (misalnya, pH ), dan konsentrasi substrat. Beberapa enzim yang digunakan secara komersial, misalnya, dalam sintesis antibiotik . Selain itu, beberapa produk rumah tangga menggunakan enzim untuk mempercepat reaksi biokimia (misalnya, enzim dalam biologi bubuk cuci memecah protein atau lemak noda pada pakaian, enzim dalam pelunak daging memecah protein menjadi molekul yang lebih kecil, membuat daging lebih mudah untuk dikunyah). Etimologi dan Sejarah Pada awal akhir abad 18 dan awal abad 19, pencernaan daging oleh sekresi perut [7] dan konversi pati untuk gula oleh ekstrak tumbuhan dan ludah telah diketahui. Namun, mekanisme yang terjadi belum teridentifikasi. [8] Pada abad ke-19, ketika mempelajari fermentasi gula ke alkohol oleh ragi , Louis Pasteur sampai pada kesimpulan bahwa fermentasi ini dikatalisasi oleh suatu kekuatan penting yang terkandung dalam sel-sel ragi yang disebut " fermentasi ", yang diperkirakan berfungsi hanya dalam organisme hidup . Ia menulis bahwa "fermentasi alkohol adalah suatu tindakan yang berhubungan dengan kehidupan dan organisasi sel ragi, bukan dengan kematian atau pembusukan dari sel." [9] Pada tahun 1877, ahli fisiologi Jerman Wilhelm Kühne (1837-1900) pertama kali menggunakan istilah enzim , yang berasal dari bahasa Yunani ενζυμον, "dalam ragi", untuk menggambarkan proses ini. [10] Enzim kata itu digunakan kemudian untuk mengacu pada zat-zat tak hidup seperti pepsin , dan kata fermentasi digunakan untuk mengacu pada aktivitas kimia yang diproduksi oleh organisme hidup. Pada tahun 1897, Eduard Buchner menyerahkan kertas pertamanya pada kemampuan ekstrak ragi yang kekurangan sel-sel ragi hidup untuk fermentasi gula. Dalam serangkaian percobaan di Universitas Berlin , ia menemukan bahwa gula difermentasi bahkan ketika tidak ada sel ragi hidup dalam campuran. [11] Dia bernama enzim yang membawa fermentasi sukrosa " zymase ". [12 ] Pada tahun 1907, ia menerima Hadiah Nobel dalam Kimia "untuk penelitian biokimia dan penemuan fermentasi sel-bebas". Berikut contoh Buchner, enzim biasanya dinamai sesuai dengan reaksi mereka lakukan. Biasanya, untuk menghasilkan nama enzim, akhiran -ase ditambahkan pada nama nya substrat (misalnya, laktase adalah enzim yang memotong laktosa ) atau jenis reaksi (misalnya, DNA polimerase membentuk polimer DNA). [13 ] Setelah menunjukkan bahwa enzim bisa berfungsi di luar sel hidup, langkah berikutnya adalah untuk menentukan sifat biokimia mereka. Banyak pekerja awal mencatat bahwa aktivitas enzim diasosiasikan dengan protein, namun beberapa ilmuwan (seperti peraih Nobel Richard Willstätter ) menyatakan bahwa protein hanyalah pembawa untuk enzim yang benar dan bahwa protein per se tidak mampu katalisis. Namun, pada tahun 1926, James B. Sumner menunjukkan bahwa enzim urease adalah protein murni dan mengkristal itu, Sumner melakukan hal yang sama untuk enzim katalase pada tahun 1937. Kesimpulan bahwa protein murni dapat enzim yang definitif dibuktikan oleh Northrop dan Stanley , yang bekerja pada enzim pencernaan pepsin (1930), tripsin, dan kimotripsin. Ketiga ilmuwan diberikan tahun 1946 Nobel Kimia. [14] Penemuan bahwa enzim dapat dikristalisasi pada akhirnya memungkinkan struktur mereka harus dipecahkan oleh kristalografi x-ray . Ini pertama kali dilakukan untuk lisozim , enzim yang ditemukan dalam air mata, air liur dan putih telur yang mencerna lapisan dari beberapa bakteri, struktur ini diselesaikan oleh sebuah kelompok yang dipimpin oleh David Chilton Phillips . dan diterbitkan pada tahun 1965 [15] struktur resolusi tinggi ini lisozim menandai awal dari bidang biologi struktural dan usaha untuk memahami bagaimana enzim bekerja pada tingkat atom detail. Struktur dan Mekanisme Enzim umumnya protein globular dan berkisar dari hanya 62 residu asam amino dalam ukuran, untuk monomer dari 4-oxalocrotonate tautomerase , [16] untuk lebih dari 2.500 residu pada hewan asam lemak sintase . [17] Sejumlah kecil RNA berbasis biologi katalis ada, dengan yang paling umum adalah ribosom , ini disebut sebagai salah RNAenzim atau ribozymes . Aktivitas enzim ditentukan oleh mereka struktur tiga dimensi . [18] Namun, meskipun struktur tidak menentukan fungsi, memprediksi aktivitas enzim novel hanya dari strukturnya adalah masalah yang sangat sulit yang belum terpecahkan. [19] Kebanyakan enzim yang jauh lebih besar daripada substrat mereka bertindak atas, dan hanya sebagian kecil dari enzim (sekitar 3-4 asam amino ) secara langsung terlibat dalam katalisis. [20] Daerah yang berisi residu katalitik ini, mengikat substrat, dan kemudian melakukan reaksi dikenal sebagai situs aktif . Enzim juga dapat berisi situs yang mengikat kofaktor , yang dibutuhkan untuk katalisis. Beberapa enzim juga mengikat lokasi untuk molekul kecil, yang sering langsung maupun tidak langsung produk atau substrat dari reaksi yang dikatalisasi. Ini mengikat dapat berfungsi untuk menambah atau mengurangi aktivitas enzim, menyediakan sarana untuk umpan balik regulasi. Seperti semua protein, enzim yang lama, rantai linear asam amino yang melipat untuk menghasilkan produk tiga dimensi . Setiap urutan asam amino yang unik menghasilkan struktur tertentu, yang memiliki sifat unik. Rantai protein individu kadang-kadang mungkin kelompok bersama untuk membentuk sebuah kompleks protein . Sebagian besar enzim dapat didenaturasi -yaitu, membuka dan tidak aktif-dengan pemanasan atau denaturants kimia, yang mengganggu struktur tiga dimensi dari protein. Tergantung pada enzim, denaturasi dapat bersifat reversibel atau ireversibel. Struktur enzim dalam kompleks dengan substrat atau analog substrat selama reaksi dapat diperoleh dengan menggunakan Waktu diselesaikan kristalografi metode. Kekhususan Enzim biasanya sangat spesifik terhadap reaksi yang dikatalisis dan substrat yang terlibat dalam reaksi. Bentuk komplementer, biaya dan hidrofilik / hidrofobik karakteristik enzim dan substrat bertanggung jawab atas spesifisitas ini. Enzim juga dapat menunjukkan tingkat mengesankan stereospesifisitas , regioselectivity dan chemoselectivity . [21] Beberapa enzim menunjukkan spesifisitas dan akurasi tertinggi yang terlibat dalam menyalin dan ekspresi dari genom. Enzim ini memiliki "bukti-membaca" mekanisme. Di sini, suatu enzim seperti DNA polimerase mengkatalisis reaksi pada langkah pertama dan kemudian memeriksa bahwa produk ini benar pada langkah kedua. [22] hasil proses dua langkah ini dalam tingkat kesalahan rata-rata kurang dari 1 kesalahan dalam 100 juta reaksi dalam high-fidelity mamalia polimerase. [23] mekanisme proofreading serupa juga ditemukan dalam RNA polimerase , [24] aminoasil tRNA sintetase [25] dan ribosom . [26] Beberapa enzim yang menghasilkan metabolit sekunder digambarkan sebagai promiscuous, karena mereka dapat bertindak pada kisaran yang relatif luas substrat yang berbeda. Ia telah mengemukakan bahwa spesifisitas substrat yang luas ini penting bagi evolusi jalur biosintesis baru. [27] Model "Gembok dan Kunci" Enzim sangat spesifik, dan itu disarankan oleh pemenang Nobel kimia organik Emil Fischer pada tahun 1894 bahwa ini adalah karena kedua enzim dan substrat memiliki bentuk geometris komplementer spesifik yang tepat masuk ke satu sama lain. [28] Hal ini sering disebut sebagai "kunci dan kunci" model. Namun, sementara model ini menjelaskan spesifisitas enzim, gagal untuk menjelaskan stabilisasi keadaan transisi yang mencapai enzim. Pada tahun 1958, Daniel Koshland mengusulkan modifikasi kunci dan model yang kunci: karena enzim adalah struktur yang agak fleksibel, situs aktif terus dibentuk kembali oleh interaksi dengan substrat sebagai substrat berinteraksi dengan enzim. [29] Sebagai hasilnya, substrat tidak hanya mengikat ke situs aktif kaku; asam amino rantai samping yang membentuk situs aktif yang dibentuk menjadi posisi yang tepat yang memungkinkan enzim untuk menjalankan fungsi katalitik. Dalam beberapa kasus, seperti glycosidases, molekul substrat juga berubah bentuk sedikit karena memasuki situs aktif. [30] Situs aktif terus berubah sampai substrat benar-benar terikat, di mana titik bentuk akhir dan muatan ditentukan. [ 31] fit Terimbas dapat meningkatkan kesetiaan dari pengakuan molekul dengan adanya persaingan dan kebisingan melalui proofreading konformasi mekanisme. [32] Mekanisme Enzim dapat bertindak dalam beberapa cara, yang semuanya menurunkan delta G [33] Menurunkan energi aktivasi dengan menciptakan suatu lingkungan di mana keadaan transisi distabilkan (misalnya mengejan bentuk substrat - dengan mengikat konformasi transisi-state dari molekul substrat / produk, enzim mendistorsi substrat terikat (s) ke dalam transisi mereka bentuk negara, sehingga mengurangi jumlah energi yang dibutuhkan untuk menyelesaikan transisi). Menurunkan energi keadaan transisi, tetapi tanpa distorsi substrat, dengan menciptakan suatu lingkungan dengan distribusi muatan berlawanan dengan keadaan transisi. Menyediakan jalur alternatif. Sebagai contoh, sementara bereaksi dengan substrat untuk membentuk sebuah kompleks ES menengah, yang tidak mungkin tanpa adanya enzim. Mengurangi perubahan entropi reaksi dengan membawa substrat bersama pada orientasi yang benar untuk bereaksi. Mengingat Δ H ‡ saja menghadap efek ini. Peningkatan suhu mempercepat reaksi. Dengan demikian, peningkatan suhu membantu fungsi enzim dan mengembangkan produk akhir lebih cepat. Namun, jika dipanaskan terlalu banyak, bentuk enzim 's memburuk dan enzim menjadi didenaturasi. Beberapa enzim seperti enzim termolabil bekerja terbaik pada suhu rendah. Menariknya, entropi ini efek melibatkan destabilisasi keadaan dasar, kecil. [35] [34] dan kontribusinya terhadap katalis relatif Transisi Kondisi Stabilisasi Pemahaman asal pengurangan delta G memerlukan satu untuk mengetahui bagaimana enzim dapat menstabilkan keadaan transisi yang lebih dari keadaan transisi reaksi uncatalyzed. Rupanya, cara yang paling efektif untuk mencapai stabilisasi yang besar adalah penggunaan efek elektrostatik, khususnya, dengan memiliki kutub lingkungan yang relatif tetap yang berorientasi pada distribusi muatan keadaan transisi. [36] Lingkungan seperti tidak ada di Reaksi uncatalyzed dalam air. Dinamika dan fungsi Dinamika internal enzim terkait dengan mekanisme mereka katalisis. [37] [38] [39] dinamika internal adalah pergerakan bagian struktur enzim, seperti residu asam amino individual, sekelompok asam amino, atau bahkan seluruh domain protein . Pergerakan ini terjadi pada berbagai skala waktu mulai dari femtoseconds ke detik. Jaringan residu protein di seluruh struktur enzim dapat berkontribusi terhadap katalisis melalui gerakan dinamis. [40] [41] [42] [43] gerakan Protein sangat penting untuk banyak enzim, tetapi apakah gerakan konformasi getaran kecil dan cepat, atau lebih besar dan lebih lambat lebih penting tergantung pada jenis reaksi yang terlibat. Namun, meskipun gerakan ini penting dalam mengikat dan melepaskan substrat dan produk, tidak jelas apakah gerakan protein membantu mempercepat langkah-langkah kimia dalam reaksi enzimatik. [44] ini wawasan baru juga memiliki implikasi dalam memahami efek alosterik dan pengembangan obat baru. Modulasi Alosterik Transisi alosterik enzim antara R dan T menyatakan, distabilkan oleh antagonis, inhibitor dan substrat (dengan model yang MWC ) Situs alosterik situs pada enzim yang mengikat molekul dalam lingkungan selular. Situs membentuk lemah, ikatan nonkovalen dengan molekul-molekul ini, menyebabkan perubahan dalam konformasi enzim. Perubahan konformasi diterjemahkan ke situs aktif, yang kemudian mempengaruhi laju reaksi enzim. [45] interaksi alosterik dapat menghambat baik dan mengaktifkan enzim dan merupakan cara yang umum bahwa enzim dikontrol di dalam tubuh. [46] Kofaktor dan Koenzim Kofaktor Beberapa enzim tidak memerlukan komponen tambahan untuk menunjukkan aktivitas penuh. Namun, yang lain memerlukan molekul non-protein yang disebut kofaktor untuk terikat untuk kegiatan. [47] Koenzim dapat berupa anorganik (misalnya, ion logam dan kluster zat besi-sulfur ) atau senyawa organik (misalnya, flavin dan heme ). Kofaktor organik dapat berupa kelompok prostetik , yang terikat erat dengan enzim, atau koenzim , yang dilepaskan dari situs aktif enzim selama reaksi. Koenzim mencakup NADH , NADPH dan adenosin trifosfat . Molekulmolekul ini mentransfer kelompok kimia antara enzim. [48] Contoh enzim yang mengandung kofaktor adalah karbonat anhidrase , dan ditampilkan dalam diagram pita di atas dengan kofaktor seng terikat sebagai bagian dari situs aktif. [49] Molekul terikat erat biasanya ditemukan di situs aktif dan terlibat dalam katalisis. Misalnya, flavin dan heme kofaktor sering terlibat dalam redoks reaksi. Enzim yang memerlukan kofaktor tetapi tidak memiliki satu terikat disebut apoenzymes atau apoprotein. Sebuah apoenzyme bersama dengan kofaktor (s) disebut holoenzyme (ini adalah bentuk aktif). Kebanyakan kofaktor tidak kovalen melekat pada enzim, tetapi terikat sangat erat. Namun, kelompok prostetik organik dapat kovalen terikat (misalnya, pirofosfat tiamin dalam enzim pyruvate dehydrogenase ). Istilah "holoenzyme" juga dapat diterapkan untuk enzim yang berisi beberapa subunit protein, seperti DNA polimerase , di sini holoenzyme adalah kompleks lengkap berisi semua subunit yang diperlukan untuk aktivitas. Koenzim Koenzim adalah molekul organik kecil yang dapat longgar mengikat enzim atau erat mengikat enzim. Dalam kasus, koenzim mengikat tighly untuk enzim yang disebut kelompok alosterik. Koenzim adalah kelompok kimia transportasi dari satu enzim yang lain. [50] Beberapa bahan kimia ini seperti riboflavin , thiamine dan asam folat adalah vitamin (senyawa yang tidak dapat disintesis oleh tubuh dan harus diperoleh dari makanan). Kelompok kimia yang dibawa meliputi hidrida ion (H -) yang dibawa oleh NAD atau NADP + , gugus fosfat yang dibawa oleh adenosin trifosfat , gugus asetil yang dibawa oleh koenzim A , formil, methenyl atau metil kelompok yang dibawa oleh asam folat dan kelompok metil yang dibawa by S-adenosylmethionine . Karena koenzim secara kimiawi berubah sebagai konsekuensi dari aksi enzim, hal ini berguna untuk mempertimbangkan koenzim untuk menjadi kelas khusus substrat, atau substrat kedua, yang umum bagi banyak enzim yang berbeda. Sebagai contoh, sekitar 700 enzim yang dikenal untuk menggunakan NADH koenzim. [51] Koenzim biasanya terus menerus diperbaharui dan konsentrasi mereka dipertahankan pada tingkat yang stabil di dalam sel: misalnya, NADPH diregenerasi melalui lintasan pentosa fosfat dan S-adenosylmethionine oleh metionin adenosyltransferase . Regenerasi terus menerus Ini berarti bahwa bahkan sejumlah kecil koenzim yang digunakan sangat intensif. Sebagai contoh, tubuh manusia ternyata lebih beratnya sendiri dalam ATP setiap hari. [52] Termodinamika Enzim Energi dari tahapan reaksi kimia . Substrat membutuhkan banyak energi untuk mencapai keadaan transisi , yang kemudian meluruh menjadi produk. Enzim menstabilkan keadaan transisi, mengurangi energi yang dibutuhkan untuk membentuk produk. Karena semua katalis, enzim tidak mengubah posisi kesetimbangan kimia reaksi. Biasanya, dengan adanya enzim, reaksi berjalan dalam arah yang sama karena akan tanpa enzim, hanya lebih cepat. Namun, dengan tidak adanya enzim, mungkin uncatalyzed, "spontan" reaksi lainnya dapat mengakibatkan produk yang berbeda, karena dalam kondisi produk yang berbeda ini terbentuk lebih cepat. Selanjutnya, enzim dapat pasangan dua atau lebih reaksi, sehingga reaksi termodinamika menguntungkan dapat digunakan untuk "drive" yang termodinamika menguntungkan. Misalnya, hidrolisis ATP sering digunakan untuk mendorong reaksi kimia lainnya. [53] Enzim mengkatalisis reaksi maju dan mundur sama. Mereka tidak mengubah ekuilibrium itu sendiri, tetapi hanya kecepatan yang tercapai. Sebagai contoh, karbonat anhidrase mengkatalisis reaksi di kedua arah tergantung pada konsentrasi reaktan nya. (Dalam jaringan ; CO 2 konsentrasi tinggi) (Di paru-paru , CO 2 konsentrasi rendah) Namun demikian, jika kesetimbangan tersebut sangat pengungsi dalam satu arah, yaitu, dengan cara yang sangat eksergonik reaksi, reaksi secara efektif ireversibel. Dalam kondisi ini enzim akan, pada kenyataannya, hanya mengkatalisis reaksi ke arah termodinamika diperbolehkan. Kinetika Mekanisme enzim substrat tunggal katalis reaksi. Enzim (E) mengikat substrat (S) dan menghasilkan produk (P). Kinetika enzim adalah investigasi bagaimana enzim mengikat substrat dan mengubahnya menjadi produk. Data tingkat yang digunakan dalam analisis kinetik yang diperoleh dari tes enzim . Pada tahun 1902 Victor Henri [54] mengusulkan teori kuantitatif kinetika enzim, namun data eksperimental tidak berguna karena pentingnya konsentrasi ion hidrogen belum dihargai. Setelah Peter Lauritz Sørensen telah mendefinisikan pH skala logaritmik dan memperkenalkan konsep penyangga tahun 1909 [55] kimiawan Jerman Leonor Michaelis dan Postdoc dari Kanada Maud Leonora Menten mengulangi eksperimen Henri dan mengkonfirmasi persamaan nya yang disebut sebagai Henri-Michaelis- kinetika Menten (kadang-kadang juga Michaelis-Menten kinetika ). [56] Pekerjaan mereka dikembangkan lebih lanjut oleh GE Briggs dan JBS Haldane , yang berasal persamaan kinetik yang masih banyak digunakan saat ini. [57] Kontribusi utama Henri adalah memikirkan reaksi enzim dalam dua tahap. Pada bagian pertama, substrat mengikat reversibel ke enzim, membentuk kompleks enzim-substrat. Ini kadang-kadang disebut kompleks Michaelis. Enzim kemudian mengkatalisis langkah kimia dalam reaksi dan melepaskan produk. Kurva saturasi untuk reaksi enzim yang menunjukkan hubungan antara konsentrasi substrat (S) dan laju (v). Enzim dapat mengkatalisis hingga beberapa juta reaksi per detik. Sebagai contoh, dekarboksilasi uncatalyzed dari orotidine 5'-monophosphate memiliki kehidupan setengah dari 78 juta tahun. Namun, ketika enzim dekarboksilase orotidine 5'-fosfat yang ditambahkan, proses yang sama hanya butuh 25 milidetik. [58] tingkat enzim tergantung pada kondisi larutan dan konsentrasi substrat. Kondisi itu mengubah sifat protein menghapuskan aktivitas enzim, seperti suhu tinggi, pH ekstrem atau konsentrasi garam yang tinggi, sekaligus meningkatkan konsentrasi substrat cenderung untuk meningkatkan aktivitas. Untuk menemukan kecepatan maksimum dari suatu reaksi enzimatik, konsentrasi substrat ditingkatkan sampai laju konstan pembentukan produk terlihat. Hal ini ditunjukkan dalam kurva kejenuhan di sebelah kanan. Kejenuhan terjadi karena, dengan meningkatnya konsentrasi substrat, semakin banyak enzim bebas yang diubah menjadi bentuk ES substrat terikat. Pada kecepatan maksimum (V max) dari enzim, semua situs aktif enzim terikat untuk substrat, dan jumlah kompleks ES adalah sama dengan jumlah total enzim. Namun, V max hanyalah salah satu konstanta kinetika enzim. Jumlah substrat yang diperlukan untuk mencapai tingkat tertentu reaksi juga penting. Ini diberikan oleh konstanta Michaelis-Menten (K m), yang merupakan konsentrasi substrat yang diperlukan untuk enzim untuk mencapai setengah kecepatan maksimum. Setiap enzim memiliki karakteristik K m untuk substrat tertentu, dan ini dapat menunjukkan seberapa ketat pengikatan substrat untuk enzim. Konstan lain yang berguna adalah k cat, yang merupakan jumlah molekul substrat yang ditangani oleh satu situs aktif per detik. Efisiensi dari suatu enzim dapat dinyatakan dalam kcat/K m. Ini juga disebut spesifisitas konstan dan menggabungkan konstanta laju untuk semua langkah dalam reaksi. Karena kekhususan konstan mencerminkan afinitas dan kemampuan katalitik, hal ini berguna untuk membandingkan enzim yang berbeda terhadap satu sama lain, atau enzim yang sama dengan substrat yang berbeda. Maksimum teoritis untuk kekhususan konstan disebut batas difusi dan sekitar 108 - 1010 (M -1 s -1). Pada titik ini setiap benturan enzim dengan substratnya akan mengakibatkan katalisis, dan laju pembentukan produk tidak dibatasi oleh laju reaksi tetapi oleh laju difusi. Enzim dengan properti ini disebut katalis sempurna atau kinetis sempurna. Contoh enzim tersebut isomerase triose-fosfat, karbonat anhidrase, asetilkolinesterase, katalase, fumarase, β-laktamase, dan superoksida dismutase . Michaelis-Menten kinetika bergantung pada hukum aksi massa, yang berasal dari asumsi gratis difusi dan termodinamika didorong tabrakan acak. Namun, banyak proses biokimia atau seluler menyimpang secara signifikan dari kondisi ini, karena crowding makromolekul, fase-pemisahan enzim / substrat / produk, atau satu atau gerakan molekul dua dimensi. [59] Dalam situasi ini, sebuah fraktal Michaelis-Menten kinetika dapat diterapkan. [60] [61] [62] [63] Beberapa enzim beroperasi dengan kinetika yang lebih cepat dari tingkat difusi, yang tampaknya akan menjadi mustahil. Beberapa mekanisme telah dipanggil untuk menjelaskan fenomena ini. Beberapa protein diyakini mempercepat katalisis dengan menarik substratnya dan pra-orientasi mereka dengan menggunakan medan listrik dipolar. Model-model lain memanggil kuantum mekanik tunneling penjelasan, dimana proton atau elektron dapat terowongan melalui hambatan aktivasi, meskipun untuk proton tunneling model ini masih agak kontroversial. [64] [65] Quantum tunneling untuk proton telah diamati pada tryptamine . [66 ] Hal ini menunjukkan bahwa enzim katalisis mungkin lebih akurat dicirikan sebagai "melalui penghalang" daripada model tradisional, yang membutuhkan substrat untuk pergi "lebih" penghalang energi diturunkan. Penghambatan (Penghambatan) Inhibitor kompetitif mengikat reversibel ke enzim, mencegah pengikatan substrat. Di sisi lain, mengikat substrat mencegah pengikatan inhibitor. Substrat dan inhibitor bersaing untuk enzim. Jenis penghambatan. Klasifikasi ini diperkenalkan oleh WW Cleland . [67] Laju reaksi enzim dapat dikurangi dengan berbagai jenis inhibitor enzim . Penghambatan kompetitif Pada Penghambatan kompetitif, inhibitor dan substrat bersaing untuk enzim (yaitu, mereka tidak dapat mengikat pada waktu yang sama). [68] Seringkali inhibitor kompetitif sangat menyerupai substrat nyata enzim. Sebagai contoh, metotreksat adalah inhibitor kompetitif enzim dihydrofolate reduktase , yang mengkatalisis pengurangan dihydrofolate ke tetrahydrofolate . Kesamaan antara struktur asam folat dan obat ini ditunjukkan pada gambar ke kanan bawah. Perhatikan bahwa pengikatan inhibitor tidak perlu ke situs pengikatan substrat (sesering lain), jika pengikatan inhibitor perubahan konformasi enzim untuk mencegah substrat yang mengikat dan sebaliknya. Pada Penghambatan kompetitif kecepatan maksimal reaksi tidak berubah, tetapi konsentrasi substrat lebih tinggi diperlukan untuk mencapai kecepatan tertentu, meningkatkan jelas K m. Penghambatan kompetitif Dalam penghambatan kompetitif inhibitor tidak dapat berikatan dengan enzim bebas, tetapi hanya untuk ESkompleks. The EIS kompleks yang terbentuk adalah enzimatis aktif. Jenis Penghambatan jarang terjadi, tetapi dapat terjadi pada enzim multimerik. Penghambatan non-kompetitif Inhibitor non-kompetitif dapat mengikat enzim pada situs pengikatan pada saat yang sama sebagai substrat, tetapi tidak untuk situs aktif. Baik kompleks EI dan EIS adalah enzimatis aktif. Karena inhibitor tidak dapat diusir dari enzim oleh konsentrasi yang lebih tinggi substrat (berbeda dengan Penghambatan kompetitif), yang jelas perubahan Vmax. Tetapi karena substrat masih dapat mengikat enzim, K m tetap sama. Penghambatan campuran Jenis Penghambatan menyerupai non-kompetitif, kecuali bahwa EIS-kompleks memiliki activity.This jenis sisa enzimatik inhibitor tidak mengikuti persamaan Michaelis-Menten. Dalam banyak organisme inhibitor dapat bertindak sebagai bagian dari umpan balik mekanisme. Jika enzim memproduksi terlalu banyak dari satu zat dalam organisme, zat yang dapat bertindak sebagai inhibitor bagi enzim pada awal jalur yang menghasilkan, menyebabkan produksi substansi untuk memperlambat atau berhenti ketika ada jumlah yang cukup. Ini adalah bentuk umpan balik negatif . Enzim yang tunduk pada bentuk regulasi sering multimerik dan memiliki situs mengikat alosterik untuk zat pengatur. Mereka plot substrat / kecepatan tidak hyperbolar, tapi sigmoidal (S-berbentuk). Koenzim asam folat (kiri) dan methotrexate obat anti-kanker (kanan) sangat mirip dalam struktur. Akibatnya, metotreksat adalah inhibitor kompetitif dari banyak enzim yang menggunakan folates. Inhibitor ireversibel bereaksi dengan enzim dan membentuk kovalen aduk dengan protein. Inaktivasi ireversibel. Senyawa ini termasuk eflornithine obat yang digunakan untuk mengobati penyakit parasit penyakit tidur . [69] Penisilin dan Aspirin juga bertindak dengan cara ini. Dengan obat ini, senyawa ini terikat pada tapak aktif dan enzim kemudian mengubah inhibitor menjadi bentuk aktif yang bereaksi secara ireversibel dengan satu atau lebih residu asam amino. Penggunaan Inhibitor Karena inhibitor memodulasi fungsi enzim mereka sering digunakan sebagai obat. Sebuah contoh umum dari inhibitor yang digunakan sebagai obat adalah aspirin , yang menghambat COX-1 dan COX-2 enzim yang menghasilkan peradangan utusan prostaglandin , sehingga menekan rasa sakit dan peradangan. Namun, inhibitor enzim lainnya adalah racun. Sebagai contoh, racun sianida adalah inhibitor enzim ireversibel yang menggabungkan dengan tembaga dan besi pada tapak aktif enzim sitokrom c oksidase dan blok respirasi sel. [70] Fungsi Biologis Enzim Enzim melayani berbagai fungsi dalam organisme hidup. Mereka sangat diperlukan untuk transduksi sinyal dan regulasi sel, seringkali melalui kinase dan fosfatase . [71] Mereka juga menghasilkan gerakan, dengan myosin hydrolysing ATP untuk menghasilkan kontraksi otot dan juga bergerak kargo di sekitar sel sebagai bagian dari sitoskeleton . [72] ATPase lainnya dalam membran sel adalah pompa ion yang terlibat dalam transpor aktif . Enzim juga terlibat dalam fungsi yang lebih eksotis, seperti luciferase menghasilkan cahaya dalam kunang-kunang . [73] Virus juga dapat mengandung enzim untuk menginfeksi sel, seperti integrase HIV dan reverse transcriptase , atau untuk pelepasan virus dari sel, seperti influenza virus neuraminidase . Salah satu fungsi penting enzim adalah pada sistem pencernaan hewan. Enzim seperti amilase dan protease memecah molekul besar ( pati atau protein , masing-masing) menjadi lebih kecil, sehingga mereka dapat diserap oleh usus. Molekul pati, misalnya, terlalu besar untuk diserap dari usus, tetapi enzim menghidrolisis rantai pati menjadi molekul yang lebih kecil seperti maltosa dan akhirnya glukosa , yang kemudian dapat diserap. Enzim yang berbeda mencerna zat-zat makanan yang berbeda. Pada ruminansia yang memiliki herbivora diet, mikroorganisme dalam usus menghasilkan enzim lain, selulase untuk memecah dinding sel selulosa serat tanaman. [74] Enzim glikolitik dan fungsinya dalam jalur metabolisme glikolisis Beberapa enzim dapat bekerja sama dalam urutan tertentu, menciptakan jalur metabolik . Dalam jalur metabolisme, satu enzim mengambil produk enzim lainnya sebagai substrat. Setelah reaksi katalitik, produk ini kemudian diteruskan ke enzim lain. Kadang-kadang lebih dari satu enzim dapat mengkatalisis reaksi yang sama secara paralel, ini dapat memungkinkan peraturan yang lebih kompleks: misalnya dengan aktivitas rendah konstan yang disediakan oleh satu enzim tetapi aktivitas tinggi diinduksi dari enzim kedua. Enzim menentukan langkah-langkah apa yang terjadi di jalur ini. Tanpa enzim, metabolisme akan baik kemajuan melalui langkah yang sama, juga tidak cukup cepat untuk melayani kebutuhan sel. Memang, jalur metabolisme seperti glikolisis tidak bisa ada secara independen dari enzim. Glukosa, contohnya, dapat bereaksi secara langsung dengan ATP untuk menjadi terfosforilasi pada satu atau lebih karbon nya. Dengan tidak adanya enzim, hal ini terjadi begitu lambat untuk menjadi tidak signifikan. Namun, jika heksokinase ditambahkan, reaksi ini lambat terus berlangsung kecuali bahwa fosforilasi pada karbon 6 terjadi sangat cepat sehingga jika campuran diuji beberapa waktu kemudian, glukosa-6-fosfat ditemukan sebagai satu-satunya produk yang signifikan. Akibatnya, jaringan jalur metabolisme dalam setiap sel tergantung pada set enzim fungsional yang hadir. Pengendalian Aktivitas Enzim Ada lima cara utama aktivitas enzim dikendalikan dalam sel. 1. 2. 3. 4. Produksi enzim ( transkripsi dan translasi enzim gen ) dapat ditingkatkan atau dikurangi oleh sel sebagai respon terhadap perubahan lingkungan sel. Bentuk regulasi gen ini disebut induksi enzim dan Penghambatan (lihat induksi enzim ). Sebagai contoh, bakteri bisa menjadi resisten terhadap antibiotik seperti penisilin karena enzim yang disebut beta-laktamase yang diinduksi yang menghidrolisis yang penting cincin betalaktam dalam molekul penisilin. Contoh lain adalah enzim dalam hati yang disebut sitokrom P450 oksidase , yang penting dalam metabolisme obat . Induksi atau Penghambatan enzim ini dapat menyebabkan interaksi obat . Enzim dapat terkompartementasi, dengan jalur metabolisme yang berbeda yang terjadi di berbagai kompartemen selular . Sebagai contoh, asam lemak disintesis oleh satu set enzim dalam sitosol , retikulum endoplasma dan aparatus Golgi dan digunakan oleh satu set yang berbeda dari enzim sebagai sumber energi dalam mitokondria melalui β-oksidasi . [75] Enzim dapat diatur oleh inhibitor dan aktivator . Sebagai contoh, produk akhir (s) dari jalur metabolisme sering penghambat untuk salah satu enzim pertama dari jalur (biasanya merupakan langkah ireversibel pertama, disebut berkomitmen langkah ), sehingga mengatur jumlah produk akhir yang dibuat oleh jalur. Mekanisme regulasi seperti ini disebut mekanisme umpan balik negatif , karena jumlah produk akhir yang dihasilkan diatur oleh konsentrasi sendiri. Mekanisme umpan balik negatif dapat secara efektif mengatur laju sintesis metabolit menengah sesuai dengan tuntutan dari sel. Hal ini membantu mengalokasikan bahan dan energi secara ekonomis, dan mencegah pembuatan produk akhir yang berlebihan. Kontrol aksi enzimatik membantu untuk mempertahankan lingkungan internal yang stabil dalam organisme hidup. Enzim dapat diatur melalui modifikasi pasca-translasi . Hal ini dapat mencakup fosforilasi , myristoylation dan glikosilasi . Misalnya, dalam respon terhadap insulin , yang fosforilasi beberapa enzim, termasuk glikogen sintase , membantu mengontrol sintesis atau degradasi glikogen dan memungkinkan sel untuk menanggapi perubahan gula darah . [76] Contoh lain modifikasi pasca-translasi adalah pembelahan rantai polipeptida. Chymotrypsin , pencernaan protease , diproduksi dalam bentuk aktif sebagai chymotrypsinogen dalam pankreas dan diangkut dalam bentuk ini ke perut dimana itu diaktifkan. Ini berhenti enzim dari mencerna pankreas atau jaringan lain sebelum memasuki usus. Jenis prekursor inaktif menjadi enzim yang dikenal sebagai zymogen . 5. Beberapa enzim dapat diaktifkan bila berpindah ke lingkungan yang berbeda (misalnya dari mengurangi ( sitoplasma ) ke oksidasi ( periplasm ) lingkungan, pH tinggi ke rendah pH dll). Misalnya, hemagglutinin dalam influenza virus diaktifkan oleh perubahan konformasi disebabkan oleh kondisi asam, ini terjadi ketika diambil di dalam sel inang dan memasuki lisosom . [77] Keterlibatan dalam Penyakit Karena kontrol ketat aktivitas enzim sangat penting untuk homeostasis , setiap kerusakan (mutasi, kelebihan produksi, kekurangan produksi atau penghapusan) enzim kritis tunggal dapat menyebabkan penyakit genetik . Pentingnya enzim ditunjukkan oleh fakta bahwa penyakit mematikan dapat disebabkan oleh kerusakan hanya satu jenis enzim dari ribuan jenis hadir dalam tubuh kita. Salah satu contoh adalah jenis yang paling umum dari fenilketonuria . Sebuah mutasi dari asam amino tunggal dalam enzim fenilalanin hidroksilase , yang mengkatalisis langkah pertama dalam degradasi phenylalanine , mengakibatkan penumpukan fenilalanin dan produk terkait. Hal ini dapat menyebabkan keterbelakangan mental jika penyakit ini tidak diobati. [78] Contoh lain adalah ketika mutasi germline dalam gen coding untuk perbaikan DNA enzim menyebabkan sindrom kanker herediter seperti xeroderma pigmentosum . Cacat pada enzim ini menyebabkan kanker karena tubuh kurang mampu memperbaiki mutasi pada genom. Hal ini menyebabkan akumulasi lambat mutasi dan hasil dalam pengembangan berbagai jenis kanker pada penderita. Tatanama Enzim Nama enzim ini sering berasal dari substrat atau reaksi kimia yang mengkatalisis, dengan kata berakhiran -ase . Contohnya adalah laktase , dehidrogenase alkohol dan polymerase DNA . Hal ini dapat mengakibatkan enzim yang berbeda, yang disebut isozim , dengan fungsi yang sama memiliki nama dasar yang sama. Isoenzim memiliki urutan asam amino yang berbeda dan mungkin dibedakan dengan optimal pH , sifat kinetik atau imunologis. Isoenzim dan isozim adalah protein homolog. Selain itu, reaksi fisiologis normal enzim mengkatalisis mungkin tidak sama seperti dalam kondisi buatan. Hal ini dapat mengakibatkan enzim yang sama yang diidentifikasi dengan dua nama yang berbeda. Misalnya glukosa isomerase, digunakan dalam industri untuk mengubah glukosa menjadi pemanis fruktosa, adalah isomerase xylose in vivo. The International Union of Biochemistry and Molecular Biology telah mengembangkan nomenklatur untuk enzim, di mana nomor EC masing-masing enzim digambarkan oleh urutan empat nomor yang didahului oleh "EC". Nomor pertama secara luas mengklasifikasikan enzim berdasarkan mekanisme kerjanya. Klasifikasi utama enzim: [1] EC 1 Oxidoreductase : mengkatalisis reaksi oksidasi/reduksi [2] EC 2 Transferase : mentransfer gugus fungsional (misalnya gugus metil atau fosfat) [3] EC 3 Hydrolase : mengkatalisis hidrolisis berbagai ikatan [4] EC 4 lyases : berbagai pemutusan ikatan dengan cara selain hidrolisis dan oksidasi [5] EC 5 Isomerase : mengkatalisis reaksi isomerisasi/perubahan dalam satu molekul [6] EC 6 Ligase : menggabungkan dua molekul dengan ikatan kovalen . Nomenklatur lengkap dapat diakses di http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/ . Menurut konvensi penamaan, enzim umumnya diklasifikasikan ke dalam enam kelompok utama dan banyak subkelompok. Beberapa web-server, misalnya, EzyPred [79] dan bioinformatika alat telah dikembangkan untuk memprediksi kelas utama atau kelompok enzim [80] dan sub-kelompok [81] [82] molekul enzim milik menurut informasi urutan nya sendiri melalui komposisi asam amino semu . Aplikasi dalam Industri Enzim yang digunakan dalam industri kimia dan aplikasi industri lain ketika katalis yang sangat khusus yang diperlukan. Namun, enzim pada umumnya terbatas dalam jumlah reaksi mereka telah berevolusi untuk mengkatalisasi dan juga oleh kurangnya stabilitas di pelarut organik dan pada suhu tinggi. Akibatnya, rekayasa protein merupakan bidang penelitian aktif dan melibatkan usaha untuk menciptakan enzim baru dengan sifat baru, baik melalui desain rasional atau in vitro evolusi. [83] [84] Upaya ini telah mulai untuk menjadi sukses, dan beberapa enzim miliki sekarang telah desiged "dari awal" untuk mengkatalisis reaksi yang tidak terjadi di alam. [85] Aplikasi Pengolahan bahan pangan Amilase mengkatalisis pelepasan gula sederhana dari pati Makanan bayi Enzim yang digunakan Penggunaan Amilase dari jamur dan tanaman. Produksi gula dari pati , seperti dalam pembuatan tinggi fruktosa sirup jagung . [86] Dalam memanggang, mengkatalisis pemecahan pati dalam tepung gula. Ragi fermentasi gula menghasilkan karbon dioksida yang menimbulkan adonan. Protease Produsen biskuit menggunakannya menurunkan tingkat protein tepung. Tripsin Untuk predigest makanan bayi. untuk Mereka menurunkan pati dan protein untuk Enzim dari barley yang dilepaskan selama tahap menghasilkan gula sederhana, asam amino dan menumbuk produksi bir. peptida yang digunakan oleh ragi untuk fermentasi. Industri pembuatan bir Berkecambah barley malt digunakan untuk. Jus buah Diproduksi industri enzim barley Banyak digunakan dalam proses pembuatan bir untuk menggantikan enzim alami yang ditemukan dalam barley. Amilase, glukanase, protease Membagi polisakarida dan protein dalam malt . Betaglucanases dan arabinoxylanases Meningkatkan wort dan bir karakteristik filtrasi. Amiloglukosidase dan pullulanases Rendah kalori bir dan penyesuaian fermentabilitas. Protease Hapus kekeruhan penyimpanan bir. Acetolactatedecarboxylase (ALDC) Meningkatkan efisiensi fermentasi mengurangi diacetyl formasi. [87] Selulase, pectinases Memperjelas jus buah yang diproduksi selama dengan Rennin , yang berasal dari perut muda hewan Pembuatan keju, digunakan untuk menghidrolisis ruminansia (seperti sapi dan domba). protein. Industri susu Enzim mikroba yang diproduksi Sekarang menemukan meningkatnya penggunaan dalam industri susu. Lipase Diimplementasikan selama produksi keju Roquefort untuk meningkatkan pematangan keju biru-cetakan . Lactases Memecah laktosa untuk glukosa dan galaktosa. Pelunak daging Papain Untuk melembutkan daging untuk memasak. Industri Pati Mengkonversi pati menjadi glukosa dan berbagai Amilase, amyloglucosideases dan glucoamylases sirup . Keju Roquefort Glukosa Fruktosa Glukosa isomerase Industri kertas Sebuah pabrik kertas di Carolina Selatan . Biofuel industri Amilase , xilanase , selulase dan ligninases Selulase Selulosa dalam 3D Ligninases Terutama protease , diproduksi dalam ekstraseluler bentuk dari bakteri Amilase Deterjen Biologi Lipase Selulase Pembersih lensa kontak Protease Industri karet Katalase Industri fotografi Protease (ficin) Biologi molekuler Bagian dari DNA helix ganda . Enzim restriksi , DNA ligase dan polimerase Mengubah glukosa menjadi fruktosa dalam produksi sirup fruktosa tinggi dari bahan tepung-tepungan. Sirup ini telah meningkatkan pemanis sifat dan rendah nilai kalor dari sukrosa untuk tingkat yang sama manisnya. Menurunkan pati untuk menurunkan viskositas , membantu ukuran dan kertas pelapis. Xilanase mengurangi pemutih diperlukan untuk decolorising; selulase serat halus, meningkatkan pembuangan air, dan mempromosikan penghapusan tinta, lipase mengurangi pitch dan lignin-enzim merendahkan menghilangkan lignin untuk melunakkan kertas. Digunakan untuk memecah selulosa menjadi gula yang dapat difermentasi (lihat etanol selulosa ). Penggunaan lignin limbah Digunakan untuk kondisi presoak dan aplikasi cair langsung membantu dengan penghapusan noda protein dari pakaian. Deterjen untuk mencuci piring mesin untuk menghilangkan residu pati resisten. Digunakan untuk membantu dalam penghapusan lemak dan berminyak noda. Digunakan dalam biologi kondisioner kain . Untuk menghapus protein pada lensa kontak untuk mencegah infeksi. Untuk menghasilkan oksigen dari peroksida untuk mengkonversi lateks menjadi karet busa. Larutkan gelatin off memo Film , yang memungkinkan pemulihan yang silver konten. Digunakan untuk memanipulasi DNA di rekayasa genetika , penting dalam farmakologi , pertanian dan obat-obatan . Penting untuk pembatasan pencernaan dan polymerase chain reaction . Biologi molekular juga penting dalam ilmu forensik . Referensi 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Smith AL (Ed) et al. (1997). Oxford dictionary of biochemistry and molecular biology. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 0-19-854768-4. Grisham, Charles M.; Reginald H. Garrett (1999). Biochemistry. Philadelphia: Saunders College Pub. pp. 426–7. ISBN 0-03-022318-0. Bairoch A. (2000). "The ENZYME database in 2000" (PDF). Nucleic Acids Res 28 (1): 304–5. doi:10.1093/nar/28.1.304. PMID 10592255. PMC 102465. http://www.expasy.org/NAR/enz00.pdf. Lilley D (2005). "Structure, folding and mechanisms of ribozymes". Curr Opin Struct Biol 15 (3): 313–23. doi:10.1016/j.sbi.2005.05.002. PMID 15919196. Cech T (2000). "Structural biology. The ribosome is a ribozyme". Science 289 (5481): 878–9. doi:10.1126/science.289.5481.878. PMID 10960319. Groves JT (1997). "Artificial enzymes. The importance of being selective". Nature 389 6649): 329–30. doi:10.1038/38602. PMID 9311771. de Réaumur, RAF (1752). "Observations sur la digestion des oiseaux". Histoire de l'academie royale des sciences 1752: 266, 461. Williams, H. S. (1904) A History of Science: in Five Volumes. Volume IV: Modern Development of the Chemical and Biological Sciences Harper and Brothers (New York) Accessed 4 April 2007 Dubos J. (1951). "Louis Pasteur: Free Lance of Science, Gollancz. Quoted in Manchester K. L. (1995) Louis Pasteur (1822–1895)—chance and the prepared mind". Trends Biotechnol 13 (12): 511–5. doi:10.1016/S0167-7799(00)89014-9. PMID 8595136.
