Kinetika enzim
Kinetika enzim adalah studi laju reaksi kimia terkatalisis enzim. Pada kinetika enzim, laju suatu reaksi diukur serta pengaruh dari berbagai variasi kondisi terhadap reaksi tersebut diamati. Kajian kinetika suatu enzim dapat menjelaskan mekanisme katalitik enzim tersebut, perannya dalam metabolisme, bagaimana aktivitasnya dikontrol, dan bagaimana suatu obat atau suatu ligan pengubah (inhibitor atau aktivator) dapat memengaruhi lajunya.
Enzim (E) biasanya adalah sebuah molekul protein yang mendorong suatu reaksi dari molekul lain, substratnya (S). Substrat akan terikat pada sisi aktif enzim untuk menghasilkan kompleks enzim-substrat ES, yang kemudian berubah menjadi kompleks enzim-produk EP dan akhirnya menghasilkan produk P, melalui suatu keadaan transisi ES*. Rentetan tahapan ini dikenal sebagai mekanisme enzimatik:
- E + S ⇄ ES ⇄ ES* ⇄ EP ⇄ E + P
Contoh ini mengasumsikan kasus paling sederhana dari suatu reaksi dengan satu substrat dan satu produk. Contoh kasus tersebut adalah mutase, seperti fosfoglukomutase mengkatalisis perpindahan gugus fosfat dari satu posisi ke posisi lain, dan isomerase, yang mana adalah nama umum bagi enzim yang mengkatalisis reaksi apapun yang melibatkan satu substrat satu produk (contohnya triosfosfat isomerase. Tetapi, enzim-enzim tersebut tidaklah umum, dan sangat kalah jumlah jika dibandingkan dengan enzim yang mengkatalisis reaksi dua substrat dua produk: di antaranya, sebagai contoh, NAD-dependen dehidrogenase seperti alkohol dehidrogenase, yang mengkatalisis oksidasi etanol oleh NAD+. Reaksi dengan tiga atau empat substrat atau produk lebih tidak umum, tetapi ada. Tidak ada keharusan jumlah produk yang dihasilkan sama dengan jumlah substrat yang digunakan; sebagai contoh, gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase menggunakan 3 substrat dan menghasilkan 2 produk.
Ketika enzim mengikat banyak substrat, seperti dihidrofolat reduktase (ditampilkan di sebelah kanan), kinetika enzim juga dapat menunjukkan urutan pengikatan substrat dan urutan pelepasan produk. Contoh enzim yang mengikat substrat tunggal dan melepaskan banyak produk adalah protease, ia memecah satu substrat protein menjadi dua produk polipeptida. Sementara itu, enzim lain mengikat dua substrat menjadi satu, seperti DNA polimerase yang mengikat nukleotida pada DNA. Meskipun mekanisme-mekanisme ini sering kali adalah tahapan rentetan yang rutin, terdapat satu “tahapan penentu laju” yang khas yang menentukan kinetika keseluruhan reaksi. Tahapan penentu laju ini bisa berupa reaksi kimia atau perubahan konformasi dari enzim atau substrat, yang mana terlibat dalam proses pelepasan produk dari enzim.
Pengetahuan mengenai struktur enzim sangat membantu dalam menafsirkan data kinetika. Sebagai contoh, struktur enzim dapat memberikan kemungkinan-kemungkinan bagaimana substrat dan produk terikat selama katalisis; perubahan apa yang terjadi selama reaksi; dan bahkan peran residu asam amino tertentu dalam mekanismenya. Beberapa enzim berubah bentuk secara signifikan selama mekanisme berlangsung; untuk kasus ini, penentuan struktur enzim dengan dan tanpa analog substrat terikat yang tidak mengalami reaksi enzimatik akan sangat membantu.
Tidak semua katalis biologis adalah enzim protein: Katalis RNA seperti ribozim dan ribosom sangat penting untuk banyak fungsi seluler, seperti penjalinan RNA dan translasi. Perbedaan utama antara ribozim dan enzim adalah katalis RNA terdiri dari nukleotida-nukleotida, sedangkan enzim terderi dari asam-asam amino. Ribozim juga mengkatalisis sejumlah reaksi yang terbatas, walaupun mekanisme reaksi dan kinetikanya dapat dianalisis dan diklasifikasikan dengan metode yang sama.
Prinsip umum
.svg)
Sejarah
Pada tahun 1902 Victor Henri mengusulkan suatu teori kuantitatif mengenai kinetika enzim,[1] namun signifikansi eksperimental dari konsentrasi ion hidrogen belum dikenal pada saat itu. Setelah Peter Lauritz Sørensen mendefinisikan skala-pH logaritmik dan memperkenalkan konsep pendaparan pada tahun 1909[2] kimiawan Jerman Leonor Michaelis dan Maud Leonora Menten mengulangi eksperimen Henri dan mengkonfirmasi persamaannya, yang saat ini dikenal secara umum sebagai kinetika Michaelis-Menten (atau terkadang kinetika Henri-Michaelis-Menten).[3] Karya mereka kemudian dikembangkan lebih jauh oleh G. E. Briggs dan J. B. S. Haldane, yang menurunkan persamaan kinetik yang saat ini masih banyak dianggap sebagai titik awal pemodelan aktivitas enzimatik.[4]
Kontribusi utama dari pendekatan Henri-Michaelis-Menten adalah pemikiran dua tahapan dalam reaksi enzimatik. Pada tahap pertama, substrat berikatan secara reversibel pada enzim, membentuk kompleks enzim-substrat. Kompleks ini kadang disebut sebagai kompleks Michaelis. Enzim kemudian mengkatalisis tahapan kimia dalam reaksi dan melepaskan produk. Kinetika banyak enzim cukup dijelaskan oleh model sederhana Michaelis-Menten, tetapi semua enzim memiliki gerakan internal yang tidak diperhitungkan dalam model dan dapat memberikan kontribusi signifikan terhadap keseluruhan kinetika reaksi. Hal ini dapat dimodelkan dengan memperkenalkan beberapa jalur Michaelis-Menten yang terhubung dengan tingkat fluktuasi,[5][6][7] yang merupakan suatu perpanjangan matematika dari mekanisme dasar Michaelis Menten.[8]
Mekanisme katalisis
Model yang lebih disukai pada interaksi enzim–substrat adalah model ketepatan induksi.[9] Model ini mengusulkan bahwa interaksi awal antara enzim dan substrat relatif lemah, tetapi interaksi lemah ini secara cepat menginduksi perubahan konformasi di dalam enzim yang memperkuat pengikatan. Perubahan konformasi ini juga membawa residu katalitik ke dalam sisi aktif yang dekat dengan ikatan kimia pada substrat yang akan diubah dalam reaksi ini.[10] Perubahan konformasi dapat diukur menggunakan dikroisme sirkular atau interferometri polarisasi ganda. Setelah pengikatan berlangsung, satu atau lebih mekanisme katalisis menurunkan energi dari keadaan transisi reaksi dengan memberikan jalur kimia alternatif untuk reaksi tersebut. Mekanisme katalisis meliputi katalisis dengan regangan ikatan; dengan kedekatan dan orientasi; oleh donor atau akseptor proton aktif; kovalen katalisis dan terowongan kuantum.[11][12]
Kinetika enzim tidak dapat membuktikan mode katalisis yang digunakan oleh enzim. Namun, beberapa data kinetik dapat menyarankan kemungkinan untuk diperiksa dengan teknik lain. Sebagai contoh, mekanisme ping-pong dengan kinetika fase pra-keadaan-tunak akan menyarankan katalisis kovalen mungkin penting dalam mekanisme enzim ini. Sebagai alternatif, pengamatan efek pH yang kuat pada Vmaks namun bukan Km mungkin menunjukkan bahwa residu di tempat yang aktif perlu berada dalam keadaan ionisasi tertentu agar terjadi katalisis.
Perangkat lunak
ENZO
ENZO (Kinetika Enzim) adalah perangkat antarmuka grafis yang digunakan untuk membangun model kinetika reaksi yang dikatalisis enzim. ENZO secara otomatis menghasilkan persamaan diferensial yang sesuai dari skema reaksi enzim yang ditetapkan. Persamaan diferensial ini diproses oleh pemecah bilangan dan algoritme regresi yang sesuai dengan koefisien persamaan diferensial dengan kurva waktu pengamatan yang diamati secara eksperimental. ENZO memungkinkan evaluasi yang cepat terhadap skema reaksi saingan dan dapat digunakan untuk tes rutin pada kinetika enzim.[13]
Lihat pula
Referensi
- Daftar pustaka
- ^ Henri V (1902). "Theorie generale de l'action de quelques diastases". Compt. Rend. Acad. Sci. Paris. 135: 916–9.
- ^ Sørensen PL (1909). "Enzymstudien {II}. Über die Messung und Bedeutung der Wasserstoffionenkonzentration bei enzymatischen Prozessen" [Enzyme studies III: About the measurement and significance of the hydrogen ion concentration in enzymatic processes]. Biochem. Z. (dalam bahasa German). 21: 131–304.
- ^ Michaelis L, Menten M (1913). "Die Kinetik der Invertinwirkung" [The Kinetics of Invertase Action]. Biochem. Z. (dalam bahasa German). 49: 333–369.; Michaelis L, Menten ML, Johnson KA, Goody RS (2011). "The original Michaelis constant: translation of the 1913 Michaelis-Menten paper". Biochemistry. 50 (39): 8264–9. doi:10.1021/bi201284u. PMC 3381512
. PMID 21888353.
- ^ Briggs GE, Haldane JB (1925). "A Note on the Kinetics of Enzyme Action". The Biochemical Journal. 19 (2): 339–339. doi:10.1042/bj0190338. PMC 1259181 . PMID 16743508.
- ^ Flomenbom O, Velonia K, Loos D, Masuo S, Cotlet M, Engelborghs Y, Hofkens J, Rowan AE, Nolte RJ, Van der Auweraer M, de Schryver FC, Klafter J (Feb 2005). "Stretched exponential decay and correlations in the catalytic activity of fluctuating single lipase molecules". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (7): 2368–2372. Bibcode:2005PNAS..102.2368F. doi:10.1073/pnas.0409039102. PMC 548972 . PMID 15695587.
- ^ English BP, Min W, van Oijen AM, Lee KT, Luo G, Sun H, Cherayil BJ, Kou SC, Xie XS (Feb 2006). "Ever-fluctuating single enzyme molecules: Michaelis-Menten equation revisited". Nature Chemical Biology. 2 (2): 87–94. doi:10.1038/nchembio759. PMID 16415859.
- ^ Lu HP, Xun L, Xie XS (Dec 1998). "Single-molecule enzymatic dynamics". Science. 282 (5395): 1877–1882. doi:10.1126/science.282.5395.1877. PMID 9836635.
- ^ Xue X, Liu F, Ou-Yang ZC (Sep 2006). "Single molecule Michaelis-Menten equation beyond quasistatic disorder". Physical Review E. 74 (3 Pt 1): 030902. Bibcode:2006PhRvE..74c0902X. doi:10.1103/PhysRevE.74.030902. PMID 17025584.
- ^ Koshland DE (February 1958). "Application of a Theory of Enzyme Specificity to Protein Synthesis". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 44 (2): 98–104. Bibcode:1958PNAS...44...98K. doi:10.1073/pnas.44.2.98. PMC 335371 . PMID 16590179.
- ^ Hammes G (2002). "Multiple conformational changes in enzyme catalysis". Biochemistry. 41 (26): 8221–8. doi:10.1021/bi0260839. PMID 12081470.
- ^ Fersht, Alan (1999). Structure and mechanism in protein science: a guide to enzyme catalysis and protein folding. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-3268-8.
- ^ Sutcliffe M, Scrutton N (2002). "A new conceptual framework for enzyme catalysis. Hydrogen tunnelling coupled to enzyme dynamics in flavoprotein and quinoprotein enzymes". Eur. J. Biochem. 269 (13): 3096–102. doi:10.1046/j.1432-1033.2002.03020.x. PMID 12084049.
- ^ Bevc S.; Konc J.; Stojan J.; Hodošček M.; Penca M.; Matej Praprotnik M.; Janežič D. (2011). "ENZO: A Web Tool for Derivation and Evaluation of Kinetic Models of Enzyme Catalyzed Reactions". PLoS ONE. 6 (7): e22265. doi:10.1371/journal.pone.0022265. PMC 3139599 . PMID 21818304.
ENZO server
- Catatan kaki
Bacaan lebih lanjut
- Pendahuluan
- Cornish-Bowden, Athel (2004). Fundamentals of enzyme kinetics (edisi ke-3rd). London: Portland Press. ISBN 1-85578-158-1.
- Stevens, Lewis; Price, Nicholas C. (1999). Fundamentals of enzymology: the cell and molecular biology of catalytic proteins. Oxford [Oxfordshire]: Oxford University Press. ISBN 0-19-850229-X.
- Bugg, Tim (2004). Introduction to Enzyme and Coenzyme Chemistry. Cambridge, MA: Blackwell Publishers. ISBN 1-4051-1452-5.
- Terapan
- Segel, Irwin H. (1993). Enzyme kinetics: behavior and analysis of rapid equilibrium and steady state enzyme systems (edisi ke-New). New York: Wiley. ISBN 0-471-30309-7.
- Fersht, Alan (1999). Structure and mechanism in protein science: a guide to enzyme catalysis and protein folding. San Francisco: W.H. Freeman. ISBN 0-7167-3268-8.
- Santiago Schnell; Philip K. Maini (2004). "A century of enzyme kinetics: Reliability of the KM and vmax estimates" (PDF). Comments on Theoretical Biology. 8 (2–3): 169–87. doi:10.1080/08948550302453. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 21 February 2006.
- Walsh, Christopher (1979). Enzymatic reaction mechanisms. San Francisco: W. H. Freeman. ISBN 0-7167-0070-0.
- Cleland, William Wallace; Cook, Paul (2007). Enzyme kinetics and mechanism. New York: Garland Science. ISBN 0-8153-4140-7.
Pranala luar
- Animasi dari suatu uji enzim — Menunjukkan efek memanipulasi kondisi uji
- MACiE — Basis data mekanisme reaksi enzim
- ENZYME — Basis data tata nama enzim Expasy
- ENZO — Aplikasi web untuk memudahkan konstruksi dan pengujian cepat model kinetik reaksi yang dikatalisis enzim
- ExCatDB — Basis data mekanisme katalitik enzim
- BRENDA — Basis data enzim komperhensif, pada substrat, inhibitor dan diagram reaksi yang diberikan
- SABIO-RK — Basis data kinetika reaksi
- Joseph Kraut's Research Group, University of California San Diego — Animasi berbagai mekanisme reaksi enzim
- Simbolisme dan Terminologi dalam Kinetika Enzim — Penjelasan komprehensif mengenai konsep dan terminologi dalam kinetika enzim
- Pendahuluan kinetika enzim — Kumpulan tutorial daring mengenai kinetika enzim yang mudah diakses
- Tutorial animasi kinetika enzim — Suatu tutorial animasi dengan audio