KINETIKA ENZIM
Mengapa kinetika enzim dipelajari :
1. Kinetika, bersama dengan teknik yang lainnya memberikan informasi yang berharga
terhadap mekanisme kerja dari enzim
2. Dapat memberikan pengertian tentang peranan enzim dibawah kondisi yang terdapat
di dalam sel dan tanggapan (respon) enzim terhadap perubahan dari konsentrasi
metabolit.
3. Dapat membantu untuk memperlihatkan bagaimana aktifitas dapat dikendalikan,
dimana mungkin memberikan hal-hal yang berharga terhadap mekanisme pengaturan
dibawah kondisi fisiologis.
Mempelajari kinetik enzim juga merupakan dasar untuk mengidentifikasi kekuatan
pengobatan dari obat tertentu yg secara selektif menghambat kecepatan proses yang
dikatalisis oleh enzim. Bersama dengan mutagenesis yang disengaja dan teknik lain yang
mengganggu struktur protein, analisis kinetik juga mengungkapkan secara mendalam
mekanisme katalitik.
Aktivitas seperangkat enzim yg seimbang dan lengkap merupakan dasar penting untuk
mempertahankan homeostasis. Pemahaman tentang kinetik enzim penting untuk
memahami bagaimana stress fisiologis seperti anoksia, asidosis atau alkalosis metabolik,
toksin dan senyawa farmakologik mempengaruhi keseimbangan tersebut.
A. Reaksi Kimia Dijelaskan dengan Persamaan Kesetimbangan
Persamaan kesetimbangan di bawah menjelaskan reaksi satu molekul dari masing-
masing substrat A dan B untuk membentuk satu molekul dari masing-masing produk P dan
Q.
i. A + B P + Q
Tanda panah ganda menunjukkan reversible (terbalikan). Jika A dan B dapat
membentuk P dan Q, maka P dan Q juga dapat membentuk A dan B. Dengan
demikian penentuan suatu reaktan sebagai “substrat” atau “produk” sedikit banyak
bersifat arbitrer karena produk suatu reaksi yang dituliskan dalam satu arah adalah
substrat bagi reaksi yang berlawanan. Namun, istilah “produk” sering digunakan
Jika Go adalah suatu angka negatif, Keq akan lebih besar dari satu dan konsentrasi produk pada keseimbangan akan melebihi konsentrasi substrat.
Jika Go positif, Keq akan kurang dri satu dan akan menguntungkan pembentukan substrat.
untuk menandai reaktan yang pembentukannya menguntungkan secara
termodinamis.
ii. A + B P + Q
Tanda panah satu arah menunjukkan irreversible (tidak terbalikan). Digunakan untuk
menjelaskan reaksi di dalam sel hidup tempat produk reaksi (ii) segera dikonsumsi
oleh reaksi selanjutnya yang dikatalisis oleh enzim. Oleh karena itu, pengeluaran
segera produk P atau Q secara efektif meniadakan kemungkinan terjadinya reaksi
kebalikan sehingga persamaan (ii) secara fungsional menjadi irreversibel pada
kondisi fisiologis. Contohnya adalah ketika kita bernapas.
B. Perubahan Energi Bebas Menentukan Arah dan Keadaan Seimbang dari Reaksi Kimia
Go = - RT ln Keq
Keterangan:
Go : perubahan energi bebas Gibbs
R : konstanta gas (1,98 kal/mol/K atau 8,31 J/mol/K)
T : suhu mutlak dalam derajat Kelvin
Keq : konstanta equivalen
Keq setara dengan hasil kali konsentrasi produl-produk reaksi, masing-masing
dipangkatkan sesuai stoikiometrinya, dibagi hasil kali substrat yang masing-masing
dipangkatkan sesuai stoikiometrinya.
Karena Go adalah fungsi keadaaan awal dan akhir zat-zat yang bereaksi, besaran ini
hanya dapat memberikan informasi mengenai arah dan keadaan kesimbangan.
Go tidak bergantung pada mekanisme reaksi dan tidak memberikan informasi
mengenai laju (kecepatan) reaksi.
Oleh karena itu meskipun suatu reaksi mungkin memiliki Go atau Go yang negatif
besar, namun reaksi tersebut tetap berlangsung meskipun dengan kecepatan yang sangat
rendah.
C. Beberapa Faktor Mempengaruhi Kecepatan Reaksi
a. Teori kinetik – teori tabrakan/tumbukan (collision theory)
Dua molekul harus bertabrakan membentuk ikatan (bond-forming distance).
Harus memiliki tenaga barrier oleh karena itu peningkatan frekuensi atau energi utk
bertabrakan akan mempercepat reaksi.
b. Meningkatnya suhu meningkatkan energi kinetik
Peningkatan energi kinetik molekul juga meningkatkan gerakan molekul sehingga
frekuensi tumbukan juga meningkat. Kombinasi tumbukan yang lebih sering dan lebih
berenergi serta produktif akan meningkatkan laju reaksi.
c. Kadar reaktan
d. Keq adalah rasio dari konstanta kecepatan
A + B P
P adalah produk atau hasil reaksi.
nA + mB P
n dan m adalah jumlah molekul yang bereaksi di reaksi tersebut.
“Jika reaksi itu seimbang dan v adalah suatu kecepatan reaksi, maka v1 = v-1. Hal ini
menunjukkan arah kecepatan reaksi ke kiri atau ke kanan”
v1 = v-1
v1 = k1 [A]n[B]m = k-1 [P]
k1/ k-1 = [P] / [A]n[B]m = Keq
Rasio k1 terhadap k-1 disebut konstanta keseimbangan, Keq.
D. Sifat-Sifat Penting dari Suatu Sistem dalam Keadaan Seimbang
Yang dimaksud sistem di sini adalah suatu campuran reaksi. Keq adalah rasio konstanta
kecepatan reaksi.
1. Pada keadaan seimbang kecepatan reaksi kekiri dan kekanan sama.
2. Keseimbangan adalah keadaan dinamik
3. Keq dapat dihitung dari kadar S dan P pada keadaan seimbang atau dari k1/k2
S adalah singkatan dari substrat pada senyawa yang bereaksi dan P adalah produk
E. Sifat-Sifat Enzim
Enzim merupakan biokatalisator yang mempercepat jalannya reaksi tampa ikut
bereaksi
Thermolabil. Mudah rusak bila dipanaskan lebih dari 60°C
Merupakan senyawa protein, sehingga sifat protein masih melekat pada enzim
Dibutuhkan dalam jumlah sedikit, sebagai biokatalisator, rekasinya menjadi sangat
cepat dan berulang ulang
Bekerja didalam sel (endoenzim) dan diluar sel (ektoenzim)
Umumnya enzim bekerja mengkatalis reaksi satu arah, meskipun ada yang
mengkatalis reaksi dua arah
Bekerjanya spesifik, karena sisi aktif enzim setangkup dengan permukaan subtrat
tertentu
Umumnya enzim tidak dapat bekerja tampa adanya suatu zat non protein tambahan
yang disebut kofaktor.
F. Kinetik dari Katalisis Enzim
Enzim menurunkan barrier energi reaktivasi
Enzim tidak mempengaruhi Keq
Dalam mengkatalis suatu reaksi, diasumsikan enzim berikatan lebih dulu dengan
susbtrat. Akibat ikatan ini terbentuklah apa yang dinamai: KOMPLEKS ENZIM-SUBSTRAT.
Reaksi ini dapat terdiri dari beberapa fase:
Pembentukan kompleks substrat (ES), dimana E=enzim, S=substrat
Modifikasi dari substrat membentuk produk(P), yang masih terikat enzim (EP)
Pelepasan produk dari molekul enzim
G. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kecepatan Reaksi yang Dikatalisis Enzim
1. Suhu
Enzim bekerja optimal pada suhu 30°C atau pada suhu tubuh dan akan rusak pada
suhu tinggi. Biasanya enzim bersifat nonaktif pada suhu rendah (0°C atau di
bawahnya), tetapi tidak rusak. Jika suhunya kembali normal enzim mampu bekerja
kembali. Sementara pada suhu tinggi, enzim rusak dan tidak dapat berfungsi
kembali.
2. pH
Enzim bekerja optimal pada pH tertentu, umumnya pada pH netral. Enzim intrasel
bekerja optimum antara pH 5-9. Hilangnya atau tambahnya muatan akan merugikan
atau membuat enzim tidak aktif. Pada kondisi asam atau basa, kerja enzim
terhambat. Agar enzim dapat bekerja secara maksimal, pada penelitian/percobaan
yang menggunakan enzim, kondisi pH larutan dijaga agar tidak berubah, yaitu
dengan menggunakan larutan penyangga (buffer)
(Gambar 8-2. Efek pH pada aktivitas enzim. Sebagai contoh, suatu enzim bermuatan negatif (EH-) berikatan dengan substrat bermuatan positif (SH+). Dalam gambar, proporsi (%) SH+
[\\\] dan EH- [///] diperlihatkan sebagai fungsi pH. Hanya di daerah berarsir silang baik enzim maupun substrat memiliki muatan yang sesuai.)
3. Hasil akhir
Kerja enzim dipengaruhi hasil akhir. Hasil akhir yang menumpuk menyebabkan enzim sulit
bertemu dengan substrat. Semakin menumpuk hasil akhir, semakin lambat kerja enzim.
4. Konsentrasi enzim dan substrat
a. Pengaruh konsentrasi enzim :
Kecepatan proses pembentukan atau penguraian molekul subtrat mengikuti
konsentrasi enzim
Semakin tinggi konsentrasi dari enzim → kecepatan reaksi makin cepat pula.
Dengan ketentuan lain , yaitu konsentrasi enzim berlebihan maka kecepatan
reaksinya akan lurus / tidak terjadi kenaikan atau penurunan kecapatan reaksi
karena substrat telah terikat semua pada masing-masing enzim serta ada enzim
yang tidak mengikat substrat.
b. Pengaruh konsentrasi substrat :
Hasil eksperimen :
[enzim] tetap à pertambahan [substrat] à menaikkan kecepatan reaksi
Akan tetapi, pada batas konsentrasi tertentu à tidak terjadi kenaikan kecepatan
reaksi walaupun [substrat] diperbesar. Karena semua bagian aktif enzim telah
dipenuhi oleh substrat.
Pengaruh konsentrasi substrat terhadap kecepatan reaksi enzim
5. Zat penghambat (Inhibitor)
Zat yang dapat menghambat kerja enzim disebut zat penghambat atau
inhibitor. Zat tersebut memiliki struktur seperti enzim yang dapat masuk ke substrat,
atau ada yang memiliki struktur seperti substrat sehingga enzim salah masuk ke
penghambat tersebut.
Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut: semisal enzim itu anak kunci, terdapat zat
penghambat (inhibitor) yang:
strukturnya mirip anak kunci (enzim), sehingga zat penghambat itu dapat masuk ke
dalam gembok kunci (substrat).
bentuknya mirip gembok kunci (substrat), sehingga enzim sebagai anak kunci “keliru
masuk ” ke anak kunci palsu.
Inhibitor
Merupakan zat yang dapat menghambat kerja enzim. Bersifat reversible dan irreversible.
Inhibitor reversible dibedakan menjadi inhibitor kompetitif dan nonkompetitif (Gambar
3.4B)
a. Inhibitor kompetitif
Menghambat kerja enzim dengan menempati sisi aktif enzim. Inhibitor ini bersaing
dengan substrat untuk berikatan dengan sisi aktif enzim. Penghambatan bersifat reversibel
(dapat kembali seperti semula) dan dapat dihilangkan dengan menambah konsentrasi
substrat.
Inhibitor kompetitif dapat diatasi dengan meningkatkan konsentrasi substrat. Struktur
inhibitor kompetitif klasik cenderung mirip dengan struktur substrat. Inhibitor kompetitif
bekerja dengan menurunkan jumlah molekul enzim bebas yang tersedia untuk mengikat
substrat, yi, untuk membentuk ES dan akhirnya menghasilkan produk.
Contoh Inhibitor kompetitif yaitu malonat dan oksalosuksinat, yang bersaing dengan
substrat untuk berikatan dengan enzim suksinat dehidrogenase, yaitu enzim yang bekerja
pada substrat oseli suksinat.
b. Inhibitor nonkompetitif
(Gambar 8-9. Plot Lineweaver-Burk untuk inhibisi kompetitif. Perhatikan hilangnya inhibisi secara total pada [S]
Inhibitor ini biasanya berupa senyawa kimia yang tidak mirip dengan substrat dan
berikatan pada sisi selain sisi aktif enzim. Ikatan ini menyebabkan perubahan bentuk enzim
sehingga sisi aktif enzim tidak sesuai lagi dengan substratnya. Contohnya antibiotik penisilin
menghambat kerja enzim penyusun dinding sel bakteri. Inhibitor ini bersifat reversible
tetapi tidak dapat dihilangkan dengan menambahkan konsentrasi substrat.
Pengikatan inhibitor tidak mempengaruhi pengikatan substrat. Inhibitor
nonkompetetif sederhana menurunkan Vmax, tetapi tidak mempengaruhi Km. Inhibitor
nonkompetitif yang lebih kompleks terjadi jika pengikatan inhibitor memang mempengaruhi
afinitas (yang tampak) enzim terhadap substrat.
(A).Kerja enzim seperti gembok-anak kunci (B).Inhibitor kompetitif dan non kompetitif
(Campbell, 2006)
c. Inhibitor irreversibel
(Gambar 8-10. Plot Lineweaver-Burk untuk inhibisi non-kompetitif sederhana.)
Inhibitor ini berikatan dengan sisi aktif enzim secara kuat sehingga tidak dapat
terlepas. Enzim menjadi tidak aktif dan tidak dapat kembali seperti semula (irreversible).
Contohnya, diisopropilfluorofosfat yang menghambat kerja asetilkolin-esterase.
d. Inhibitor campuran
Inhibitor jenis ini mirip dengan inhibitor non-kompetitif, kecuali kompleks EIS memiliki
aktivitas enzimatik residual.
Penelitian reaksi yang dikatalisis oleh enzim dilakukan pada kecepatan inisial karena
pada kecepatan inisial, kecepatan reaksi sesuai dengan konsentrasi enzim.
H. Konsentrasi Substrat Mempengaruhi Laju Reaksi
Pada pembahasan berikut, reaksi enzim dianggap seolah-olah hanya memiiki satu
substrat dan satu produk. Sementara kebanyakan enzim memiliki lebih dari satu substrat,
prinsip-prinsip yang dibahas di bawah juga berlaku bagi enzim dengan banyak substrat.
Untuk suatu enzim tipikal, peningkatan konsentrasi substrat akan meningkatkan v1
hingga tercapai nilai maksimal Vmax (Gambar 8-3). Jika peningkatan lebih lanjut konsentrasi
substrat tidak meningkatkan v1, enzim dikatakan “jenuh” oleh substrat. Perhatikan bahwa
bentuk kurva yang menghubungkan aktivitas dengan konsentrasi substrat (Gambar 8-3)
tampak hiperbolik. Pada setiap saat, hanya molekul substrat yang berkaitan dengan enzim
dalam bentuk kompleks ES yang dapat diubah menjadi produk. Kedua, konstanta
kesetimbangan untuk pembentukan kompleks enzim-substrat tidaklah besar tanpa batas.
Jika terdapat kelebihan substrat (titik A dan B di Gambar 8-4), hanya sebagian enzim yang
mungkin berada dalam bentuk kompleks ES. Dengan demikian di titik A atau B, peningkatan
atau penurunan [S] akan meningkatkan atau menurunkan jumlah kompleks ES disertai
perubahan yang sesuai di v1. Di titik C (Gambar 8-4), pada hakikatnya semua enzim terdapat
dalam bentuk kompleks ES. Karena tidak ada enzim bebas yang tersedia untuk membentuk
ES, peningkatan lebih lanjut [S] tidak dapat meningkatkan laju reaksi. Dalam kondisi ini, v1
semata-mata bergantung pada—dan karenanya dibatasi oleh—kecepatan disosiasi
(penguraian) produk enzim tersebut sehingga enzim ini dapat mengikat lebih banyak
substrat.
Gambar 8-4. Representasi
suatu enzim pada konsentrasi
substrat yang rendah (A),
tinggi (C), dan setara dengan
Km (B). Titik A, B, dan C
berkorespondensi dengan
titik-titik di Gambar 8-3.)
Kinetika Michaelis Menten
1913: enzim E pertama-tama bergabung dengan substratnya S dalam reaksi dapat balik,
membentuk kompleks enzim-substrat
(Gambar 8-3. Efek konsentrasi substrat pada kecepatan awal suatu reaksi yang dikatalisis
kompleks ES terurai menjadi enzim bebas E dan produk reaksi E
Asumsi Michaelis-Menten yang menyatakan bahwa laju pembentukkan produk sangat
lambat dibandingkan reaksi pembentukkan kompleks ES dan redisosiasinya, tidaklah selalu
benar karena sebagian besar kompleks ES selalu berlanjut membentuk produk sehingga nilai
kcat > k-1.
Parameter penting:
• Konsentrasi substrat [S]
• Kecepatan awal (v0)
• Vmax
• KM
Penurunan Rumus Michaelis-Menten
Persamaan Michaelis-Menten dan Hill (Model Pengaruh Kadar Substrat)
Keterangan :
V0 : kecepatan awal pada konsentrasi substrat {S}
Vmax : kecepatan maksimum → kecepatan yang berangsur – angsur dicapai pada
konsentrasi substrat tinggi
Km : tetapan Michaelis-Menten enzim bagi substrat tertentu → konsentrasi substrat
tertentu pada saat enzim mencapai setengah kecepatan maksimumnya
Tergantung pada kecepatan reaksi inisial kadar S dan Km dapat digambarkan dengan
mengevaluasi persamaan tersebut dibawah 3 keadaan:
1. Bagaimana kalau kadar S kadar Km
v sesuai kadar S
“untuk menentukan aktivasi enzim digunakan substrat yang di bawah Km”
2. Bagaimana kalau kadar S > kadar Km
v = V
“harus pada kondisi optimal”
3. Bagaimana kalau kadar S = Km
v = ½ V
Kinetika Michaelis Menten
Briggs-Haldane (1925) : semakin banyak ES yang terbentuk semakin cepat ia akan
terdisosiasi membentuk produk [ES] akan tetap konstan (steady state). Keadaan ini akan
terus berlangsung hingga seluruh substrat habis bereaksi.
Persamaan Briggs-Haldane
(Gambar 8-5. Plot timbal-balik ganda atau plot Lineweaver-Burk 1/v, versus 1/[S] yang digunakan untuk
Pengaruh konsentrasi substrat terhadap kecepatan awal reaksi enzimatik
Turnover Number (Kcat)
• Kcat = turnover number dari suatu enzim ( jumlah molekul substrat yang dikonversi
menjadi produk dalam suatu satuan waktu oleh satu molekul enzim saat jenuh
dengan substrat)
• kcat = Vmax/[E]o, jika disubstitusikan pada rumus menjadi :
• Pada kondisi di atas rasio
kcat /KM seperti tetapan laju orde pertama untuk interaksi antara E dan S.
• Rasio kcat /KM juga menyatakan efisiensi katalitik. Nilai yang besar dari kcat (rapid
turnover) atau nilai kecil dari KM (high affinity for substrate) akan membuat nilai
kcat/KM menjadi besar.
• Rasio kcat /KM untuk substrat yang berbeda digunakan sebagai ukuran spesifisitas
dari enzim.
DAFTAR PUSTAKA
Lehninger. 1982. Dasar-Dasar Biokimia. Jilid 1. Jakarta : Erlangga
Montgomery, dkk. Biokimia- Suatu Pendekatan Berorientasi Kasus. Jilid 1. Edisi Keempat.
Yogyakarta : UGM-Press
Plummer, David T. 1980. Practical Biochemistry. Third Edition.
Podjiadi, A. 2006. Dasar-Dasar Biokimia. Jakarta :UI-Press
Shuler ML, Kargi F. 1992. Bioprocess Engineering. USA: Prentice Hall Inc.
Simanjuntak, M.T. 2006. Diktat Kuliah Biokimia Pengantar Kinetika Enzim. Medan:
Departemen Farmasi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Unversitas
Sumatra Utara.
Siregar, A. 2010. Enzim. Tersedia di : http: //www.chem-is-try.org/materi_kimia/biologi-
pertanian/metabolisme-sel/enzim-dan-peranannya/ [diakses tanggal 25 September
2013]
Suhara. 2002. Pengantar Tentang Enzim. Tersedia di:
http://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._BIOLOGI/196512271991031-
SUHARA/9._BAB-9__Enzim__ppt_UPI.pdf [diakses tanggal 26 september 2013].
Top Related