Kinetika enzim

Dihidrofolat reduktase dari E. coli bersama dua substratnya dihidrofolat (kanan) dan NADPH (kiri), terikat dalam situs aktif. Protein ditunjukkan sebagai diagram pita, dengan puntiran-alfa berwarna merah, lempeng-beta berwarna kuning dan loop berwarna biru. Dihasilkan dari 7DFR.

Kinetika enzim adalah studi mengenai reaksi kimia yang dikatalisis oleh enzim. Dalam kinetika enzim, laju reaksi diukur dan pengaruh berbagai kondisi reaksi diteliti lebih mendalam. Mempelajari suatu kinetika enzim dengan cara ini dapat mengungkap mekanisme katalitik pada enzim ini, perannya dalam metabolisme, bagaimana aktivitasnya dikendalikan, serta bagaimana suatu obat atau suatu agonis mampu menghambat kerja enzim.

Enzim biasanya merupakan molekul protein yang memanipulasi molekul lain — substrat enzim. Molekul target tersebut berikatan dengan suatu situs aktif enzim dan berubah menjadi produk melalui serangkaian tahap yang dikenal sebagai mekanisme enzimatik

E + S ⇄ ES ⇄ ES* ⇄ EP ⇄ E + P

Mekanisme ini dapat dibagi menjadi mekanisme substrat-tunggal dan substrat-banyak. Studi kinetika pada enzim yang hanya mengikat satu substrat, seperti triosefosfat isomerase, dilakukan untuk mengukur afinitasnya ketika enzim mengikat substrat ini serta laju baliknya. Beberapa contoh enzim lainnya seperti fosfofruktokinase dan heksokinase, keduanya merupakan enzim penting dalam respirasi seluler (glikolisis).

Ketika enzim mengikat banyak substrat, seperti dihidrofolat reduktase (gambar kanan), kinetika enzim dapat pula menunjukkan tahapan ketika substrat berikatan dan tahapan ketika produk dilepaskan. Salah satu contoh enzim yang mengikat suatu substrat tunggal dan melepas banyak produk adalah protease, yang membelah satu substrat protein menjadi dua produk polipeptida. Yang lain bergabung dengan dua substrat bersama-sama, seperti DNA polimerase yang menghubungkan nukleotida dengan DNA. Meskipun mekanisme ini seringkali merupakan serangkaian tahap yang rumit, biasanya terdapat satu tahapan yakni tahap penentu-laju yang menentukan keseluruhan kinetika. Tahap penentu-laju ini dapat merupakan suatu reaksi kimia atau suatu perubahan konformasi pada enzim atau substrat, seperti halnya yang terlibat dalam pelepasan produk dari enzim.

Pengetahuan mengenai struktur enzim sangat membantu dalam menafsirkan data kinetika. Sebagai contoh, struktur dapat menyarankan bagaimana substrat dan produk mengikat 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; dalam kasus tersebut, sangat membantu untuk menentukan struktur enzim dengan dan tanpa analog substrat terikat yang tidak mengalami reaksi enzimatik.

Tidak semua katalis biologis adalah enzim protein; katalis RNA seperti ribozim dan ribosom sangat penting untuk banyak fungsi seluler, seperti pembelahan RNA dan translasi. Perbedaan utama antara ribozim dan enzim adalah bahwa katalis RNA terdiri dari nukleotida, sedangkan enzim terdiri dari asam amino. Ribozim juga melakukan serangkaian reaksi yang lebih terbatas, walaupun mekanisme reaksi dan kinetiknya dapat dianalisis dan diklasifikasikan dengan metode yang sama.

Sejarah

Pada tahun 1902 Victor Henri mengusulkan suatu teori kuantitatif mengenai kinetika enzim, namun signifikansi eksperimental dari konsentrasi ion hidrogen belum dikenal pada saat itu. Setelah Peter Lauritz Sørensen mendefinisikan skala-pH logaritmik dan memperkenalkan konsep pendaparan di tahun 1909 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). 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.

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, namun 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, yang merupakan suatu perpanjangan matematika dari mekanisme dasar Michaelis Menten.

Mekanisme katalisis

Artikel utama: Katalisis

Variasi energi sebagai fungsi koordinat reaksi menunjukkan stabilisasi keadaan transisi oleh suatu enzim.

Model yang lebih disukai pada interaksi enzim–substrat adalah model ketepatan induksi. Model ini mengusulkan bahwa interaksi awal antara enzim dan substrat relatif lemah, namun 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. 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.

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 V_maks namun bukan K_m 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 algoritma 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.

Lihat pula

• Dinamika protein
• Difusi terbatas enzim
• Model adsorpsi Langmuir

Referensi

Daftar pustaka

Catatan kaki

α. ^{^}Tautan: Tutorial interaktif kinetika Michaelis–Menten (Java diperlukan)

β. ^{^}Tautan: Mekanisme dihidrofolat reduktase (Gif)

γ. ^{^}Tautan: Mekanisme DNA polimerase (Gif)

δ. ^{^}Tautan: Mekanisme kimotripsin (Flash diperlukan)

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 K_M and v_max 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