FERMENTASI

Fermentasi adalah proses produksi energi dalam sel dalam keadaan anaerobik (tanpa oksigen). Secara umum, fermentasi adalah salah satu bentuk respirasi anaerobik, akan tetapi, terdapat definisi yang lebih jelas yang mendefinisikan fermentasi sebagai respirasi dalam lingkungan anaerobik dengan tanpa akseptor elektron eksternal.
Gula adalah bahan yang umum dalam fermentasi. Beberapa contoh hasil fermentasi adalah etanol, asam laktat, dan hidrogen. Akan tetapi beberapa komponen lain dapat juga dihasilkan dari fermentasi seperti asam butirat dan aseton. Ragi dikenal sebagai bahan yang umum digunakan dalam fermentasi untuk menghasilkan etanol dalam bir, anggur dan minuman beralkohol lainnya. Respirasi anaerobik dalam otot mamalia selama kerja yang keras (yang tidak memiliki akseptor elektron eksternal), dapat dikategorikan sebagai bentuk fermentasi yang mengasilkan asam laktat sebagai produk sampingannya. Akumulasi asam laktat inilah yang berperan dalam menyebabkan rasa kelelahan pada otot.
•
Sejarah
Ahli Kimia Perancis, Louis Pasteur adalah seorang zymologist pertama ketika di tahun 1857 mengkaitkan ragi dengan fermentasi. Ia mendefinisikan fermentasi sebagai "respirasi (pernafasan) tanpa udara".
Pasteur melakukan penelitian secara hati-hati dan menyimpulkan, "Saya berpendapat bahwa fermentasi alkohol tidak terjadi tanpa adanya organisasi, pertumbuhan dan multiplikasi sel-sel secara simultan..... Jika ditanya, bagaimana proses kimia hingga mengakibatkan dekomposisi dari gula tersebut... Saya benar-benar tidak tahu".
Ahli kimia Jerman, Eduard Buchner, pemenang Nobel Kimia tahun 1907, berhasil menjelaskan bahwa fermentasi sebenarnya diakibatkan oleh sekeresi dari ragi yang ia sebut sebagai zymase.
Penelitian yang dilakukan ilmuan Carlsberg (sebuah perusahaan bir) di Denmark semakin meningkatkan pengetahuan tentang ragi dan brewing (cara pembuatan bir). Ilmuan Carlsberg tersebut dianggap sebagai pendorong dari berkembangnya biologi molekular.
Reaksi
Reaksi dalam fermentasi berbeda-beda tergantung pada jenis gula yang digunakan dan produk yang dihasilkan. Secara singkat, glukosa (C6H12O6) yang merupakan gula paling sederhana , melalui fermentasi akan menghasilkan etanol (2C2H5OH). Reaksi fermentasi ini dilakukan oleh ragi, dan digunakan pada produksi makanan.
Persamaan Reaksi Kimia
C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2 + 2 ATP (Energi yang dilepaskan:118 kJ per mol)
Dijabarkan sebagai
Gula (glukosa, fruktosa, atau sukrosa) → Alkohol (etanol) + Karbon dioksida + Energi (ATP)
Jalur biokimia yang terjadi, sebenarnya bervariasi tergantung jenis gula yang terlibat, tetapi umumnya melibatkan jalur glikolisis, yang merupakan bagian dari tahap awal respirasi aerobik pada sebagian besar organisme. Jalur terakhir akan bervariasi tergantung produk akhir yang dihasilkan.
Sumber energi dalam kondisi anaerobik
Fermentasi diperkirakan menjadi cara untuk menghasilkan energi pada organisme purba sebelum oksigen berada pada konsentrasi tinggi di atmosfer seperti saat ini, sehingga fermentasi merupakan bentuk purba dari produksi energi sel.
Produk fermentasi mengandung energi kimia yang tidak teroksidasi penuh tetapi tidak dapat mengalami metabolisme lebih jauh tanpa oksigen atau akseptor elektron lainnya (yang lebih highly-oxidized) sehingga cenderung dianggap produk sampah (buangan). Konsekwensinya adalah bahwa produksi ATP dari fermentasi menjadi kurang effisien dibandingkan oxidative phosphorylation, di mana pirufat teroksidasi penuh menjadi karbon dioksida. Fermentasi menghasilkan dua molekul ATP per molekul glukosa bila dibandingkan dengan 36 ATP yang dihasilkan respirasi aerobik.
"Glikolisis aerobik" adalah metode yang dilakukan oleh sel otot untuk memproduksi energi intensitas rendah selama periode di mana oksigen berlimpah. Pada keadaan rendah oksigen, makhluk bertulang belakang (vertebrata) menggunakan "glikolisis anaerobik" yang lebih cepat tetapi kurang effisisen untuk menghasilkan ATP. Kecepatan menghasilkan ATP-nya 100 kali lebih cepat daripada oxidative phosphorylation. Walaupun fermentasi sangat membantu dalam waktu pendek dan intensitas tinggi untuk bekerja, ia tidak dapat bertahan dalam jangka waktu lama pada organisme aerobik yang kompleks. Sebagai contoh, pada manusia, fermentasi asam laktat hanya mampu menyediakan energi selama 30 detik hingga 2 menit.
Tahap akhir dari fermentasi adalah konversi piruvat ke produk fermentasi akhir. Tahap ini tidak menghasilkan energi tetapi sangat penting bagi sel anaerobik karena tahap ini meregenerasi nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+), yang diperlukan untuk glikolisis. Ia diperlukan untuk fungsi sel normal karena glikolisis merupakan satu-satunya sumber ATP dalam kondisi anaerobik.

ENZIM

BIOKIMIA ENZIM

Enzim berasal dari kata EN-ZYME yang berarti dalam ragi. Dihubungkan dengan aktivitas enzim dalam ragi, misalnya pada pembuatan tape ketan atau ketela dengan menggunakan ragi roti. Enzim merupakan suatu biokatalis, artinya suatu katalisator yang disintesis oleh organisme hidup. Secara structural enzim adalah protein, sehingga sifat-sifat protein dimiliki oleh enzim, seperti termolabil, rusak oleh logam berat (Ag,Pb,Hg), terganggu oleh perubahan pH.
Aktivitas enzim umumnya bersifat spesifik. Nomenklatur yang mula-mula digunakan sangat sederhana, yaitu dengan mencantumkan akhiran ase pada nama substrat di mana enzim itu bekerja. Misalnya proteinase : yaitu enzim yang bekerja pada protein, lipase : enzim yang bekerja pada lipid, dsb. Ada pula yang mencantumkan akhiran ase pada jenis reaksinya, missal oksidase yaitu enzim yang bereaksi secara oksidasi, reduktase yaitu enzim yang bereaksi secara reduksi. Namun kesemuanya masih memberikan kesimpangsiuran atau kurangtepatnya nomenklatur enzim; sehingga IUB (International Union of Biochemistry) menganut satu aturan kode dengan cara membagi enzim kedalam enam kelas, yaitu :
1. Oksidoreduktase :
Enzim yang mengkatalisis reaksi oksidasi-reduksi antara dua substrat
Ex : katalase (1.11.1.6 Enzim yang bekerja pada H2O2 : disebut H2O2 Oksidoreduktase)

1.1 bekerja pd gugus C-OH
1.4 bekerja pd gugus CH-NH2
1.9 bekerja pd gugus Hem
1.11 bekerja pd gugus H2O2
2. Transferase :
Mengkatalisis pemindahan gugus (selain H) antara sepasang substrat.
Ex : heksokinase (2.7.1.1 Pemindah gugus yang mengandung fosfat, misal ATP : D-heksosa-6 fosfo tranferase)
2.3 pemindah gugus asil trnsfr\
2.7 pemindah gugus fosfat
3. Hidrolase :
Mengkatalisis hidrolisis ikatan ester, eter, peptida, glikosil, anhidrida asam, c-c, c-halida, P-N.
Ex : pseudokolin esterase (3.1.1.8 asilkolin asilhidrolase)
4. Liase :
Mengkatalisis pemindahan gugus dari substrat, meninggalkan ikatan rangkap.
Ex : fumarase (4.2.1.2 L-malat-hidro-liase)
L-malat = fumarat + H2O
5. Isomerase :
Ex : triosafosfat isomerase
5.3.1.1 D-gliseraldehida-3 fosfat keto isomerase
6. Ligase :
Mengkatalisis penggabungan 2 senyawa diikuti oleh pemecahan ikatan piropospat dalam ATP atau senyawa yang sejenis.
Ex : glutamin sintase
6.3.1.2 L-glutamat : amonia ligase (ADP)
ATP – L-glutamat + NH43+ = ADP + ortofosfat — L glutamin

Keterangan :
• Digit I menunjukkan kelas; Digit II menunjukkan sub kelas; Digit III menunjukkan sub sub kelas; Digit terakhir menunjukkan nama Enzim.

KOFAKTOR
Sejumlah besar enzim membutuhkan suatu komponen lain untuk dapat berfungsi sebagai katalis. Komponen ini secara umum disebut kofaktor. Kofaktor dapat dibagi lagi dalam tiga kelompok, yaitu :
a. gugus prostetik
b. koenzim
c. activator (ion-ion logam yang dapat atau mudah terlepas dari enzim)

a. GUGUS PROSTETIK
Adalah kelompok kofaktor yang terikat pada enzim, dan tidak mudah lepas dari enzimnya, Contoh : Flavin Adenin Dinukleotida (FAD) adalah gugus prostetik dari enzim suksinat dehidrogenase

b.KOENZIM
1. Merupakan senyawa organik dengan berat molekul kecil; non protein
2. Stabil terhadap panas
3. Banyak diperlukan untuk aktivitas Enzim kecuali Enzim pencernaan (reaksi hidrolitik)
4. Terikat pada Enzim ada yang secara kovalen (prostetik) kebanyakan non kovalen
5. Dianggap sebagai substrat ke-2 :

Contoh : NAD,NADP,ATP,tiamin pirofosfat

- Pada reaksi Oksidasi – reduksi
Laktat + NAD+ —– piruvat + NADH+ + H+
(ko-substrat)

- berfungsi sebagai reagen pemindah gugus

Ex : D-G + A = A-G + D
Gugus fungsional G dipindah dari molekul D-G, ke molekul penerima A; melibatkan koEnzim;

D-G Co-E A-G

D Co-E-G A

Ex : transaminasi

Klasifikasi koenzim

1. Pemindah gugus H
NAD+ , NADP+, FMN, FAD As. Lipoat, co-Enzim Q
—- kebanyakan derivat vit. B dan adenosin monopospat.

2. Pemindah gugus selain H
Gula phosphat
CoA.SH
KoEnzim folat
KoEnzim kobomida (vit. B12)
As. Lipoat
Thiamin piropospat
Piridoksal pospat
Biotin

c. AKTIVATOR
Adalah ion-ion logam yang dapat terikat atau mudah terlepas dari enzim. Contoh K+, Mg++,Mn++, Cu++ atau Zn++

ISOZIM
 Enzim dengan sifat-sifat kimia dan fisika yang berbeda tetapi mempunyai aktivitas katalitik yang sama
 Contoh Isozim : laktat dehidrogenase (mengubah asam keto piruvat menjadi asam laktat)
• Proporsinya berubah secara bermakna dalam keadaan patologik
• Berbeda pada struktur kuartener
• Molekul oligomer terdiri dari 4 protomer dari 2 jenis, H dan M
• Molekul tetrametrik memiliki aktivitas katalitik
• Kemungkinan bentuk/urutan isomer :
HHHH ——- I1
HHHM ——- I2
HHMM ——- I3
HMMM —— I4
MMMM —— I5

ENZIM DALAM DIAGNOSIS KLINIK

* Enzim plasma fungsional :
Ex : lipoprotein lipase, pseudokolin esterase pro Enzim pembekuan dan pemecahan darah
Umumnya disintesis dalam hati; konsentrasi darah, sama atau sudah lebih tinggi dari jaringan
* Enzim plasma non fungsional :
– tidak melakukan fungsi fisioliogik yang dikenal
- substratnya sering tidak terdapat dalam plasma
- kadarnya jauh lebih rendah dari jaringan sehingga dapat membantu diagnostik dan prognostik klinik yang berharga
- berasal dari destruksi eritrosit, leukosit dan sel-sel lain

Penentuan aktivitas Enzim untuk bukti diagnostik :
1. Lipase :
kadar rendah — penyakit hati, def. Vit. A, DM
kadar tinggi — karsinoma pankreas dan pankreatitis akut
2. Amilase :
rendah – penyakit kati
tinggi – obstruksi usus tinggi, parotitis, diabetes, pankreatitis akut
3. Tripsin :
tinggi – penyakit pankreatitis akut (lebih sensitif)
4. Kolin esterase :
rendah — penyakit hati, malnutrisi, infeksi akut, anemia
tinggi — sindroma nefritik
5. Alkalin fosfatase :
tinggi – rakhitis, hiper paratiroidism, sarkoma osteoblastik, ikterus obstruksi,
karsinoma metastatik
6. Fosfatase asam :
tinggi – karsinoma metastatik prostat
7. Trans aminase :
GOT : Glutamic oxaloacetate trans aminase
GPT : Glutamic piruvic trans aminase
Perkiraan GOT — infark miokard
GPT & GOT tinggi — penyakit hati akut
8. Laktat dehidrogenase (LDH) :
tinggi —- infark miokard (dalam 24 jam)
rendah —- leukimia
9. Isosim LDH :
Pengukuran polo isosim
10. Isositrat dehidrogenase (ICD) :
Untuk diagnosis penyakit hati
11. Kreatin fosfokinase :
Untuk diagnosis gangguan otot rangka dan jantung
12. Seruloplasmin :
tinggi —- sirosis, hepatitis, kehamilan
rendah —- penyakit wilson

Reaksi Enzimatis

Reaksi enzimatis dapat digambarkan sebagai berikut

Reaksi : E + S = ES E + P

E = enzim S = substrat ES = kompleks enzim-substrat P = produk

Mekanisme reaksi enzim-enzim ini dapat digambarkan dengan menggunakan :
1. Model Fischer (model kaku)
2. Model Koschland (model konformasi,model fleksibel)

Model Fischer

Model Koschland

Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi enzimatis

1. Suhu
- kecepatan reaksi naik jika suhu naik; energi kinetik naik
- Q10 = koefisien temperatur
Ex : Q10 = 2 artinya kecepatan reaksi naik 2x dengan peningkatan suhu 10oC dan
kecepatan menjadi 1/2 dengan penurunan 10oC (pada kontraksi otot
jantung)
2. pH
- umumnya aktivitas Enzim optimum pada pH : 5.0 – 9.0

Reaksi

Enz- + SH+ —– EnzSH —– P + Enz

Pada pH rendah, Enz kehilangan muatan -

Enz- + H+ —– EnzH

Pada pH tinggi, SH mengionisasi

SH+ ——- S + H+

3. Substrat
E
S ——– P

Ditinjau kerja enzim pada substrat tunggal. Kadar substrat dinaikkan, kecepatan reaksi enzim meningkat bila kadar substrat terus dinaikkan, pada kadar substrat tertentu dicapai kecepatan reaksi enzim yang maksimal (Vmaks). Setelah Vmaks dicapai, penambahan substrat tidak lagi meningkatkan kecepatan reaksi enzim.
Km : konstante michaelis
- Adalah konsentrasi substrat yang mempunyai kecepatan reaksi 1/2 dari V maks
- rumus persamaan Michaelis. Menten

Vmaks (S)
V1 = —————
Km + (S)

A. Jika [S] sangat kecil dibanding Km (titik A). penambahan (S) ke Km pada bagian penyebut sangat sedikit berubah, karena Vmaks dan Km konstan, dapat ditulis dengan K

Vmaks (S) Vmaks(S)
V1 = ————— = ————— = K(S)
Km+(S) Km

Sehingga jika (S) sangat kecil untuk menghasilkan Km, kecepatan V1 tergantung
pada (S)

B. Jika [S] jauh lebih besar dari Km. Penambahan Km ke (S) pada penyebut, sangat sedikit berubah. Km dapat dihilangkan.
Vmaks (S) Vmaks(S)
V1 = ————– = ————— = Vmaks
Km+(S) (S)
Jadi kecepatan = Vmaks = maksimal
C. Jika (S) = Km

Vmaks(S) Vmaks(S) Vmaks(S) Vmaks
V1 = ———— = ————- = ———— = ————
Km+(S) (S) + (S) 2(S) 2

Jadi V1 = ½ Vmaks

Penentuan Km dan Vmaks menggunakan bentuk linier dengan persamaan Michaelis-Menten

Vmaks (S)
V1 = ————-
Km + (S)
Dibalik
1 Km + (S)
—– = —————
V1 Vmaks (S)

1 Km 1 (S)
—- = ——— . ——- + ————-
Vi Vmaks (S) Vmaks (S)

1 Km 1 1
—- = ——— . ——- + ———-
Vi Vmaks (S) Vmaks

Persamaan garis lurus

1 Km 1
Y = —— ; a = ———- ; b = ———
Vi Vmaks Vmaks

Km dapat ditentukan dengan :
1. plot line weaver – Burk (grafik )
2. cara Eadie dan Hofster

Vi 1 Vmaks
—- = – Vi . —— + ———
(S) Km Km

Vi Vmaks
Y = ——- , titik potong pada Y = ——–
(S) Km

X = Vi , titik potong pada X = Vmaks

Kemiringan = – 1/Km

4. Inhibitor
Berdasarkan daya kerjanya, maka dibedakan 2 macam inhibitor
a. inhibitor kompetitif
b. inhibitor non kompetitif

a. inhibitor kompetitif atau analog substrat
- mempunyai bentuk molekul yang mirip substrat
- misal : malonat(I) dgn suksinat (S) thd suksinat dehidrogenase
suksinat dpt dihidrolisis menjadi fumarat, malonat tdk dapat.
- terjadi pada daerah katalitik; struktur mirip dengan substrat
- sifat : reversibel

- kerja inhibitor
EnzI (inactive) —— Enz + PEnz
Enz

EnzS (active) —— Enz + P

inhibitor non kompetitif reversibel
- tidak ada persaingan antara S dan I
- menurunkan Vmaks, tetapi tidak mempengaruhi Km
- terbentuk komplek EnzS dan EnzIS
- sifat : irreversibel

EnzI

Enz EnzIS —– Enz + P

EnS

Enz + P

Inhibitor irreversibel
- Racun Enzim seperti : yodoasetamid
Ion logam berat (Ag+, Hg+)
Oxidant dsb
Dapat mengurangi aktivitas Enzim
– tidak terdapat persamaan struktur dengan S, sehingga peningkatan (S) , umumnya
tidak menghilangkan penghambatan ini

Pro enzymes atau zymogen
enzym yang belum aktif (prekursor Enzim)
ex : pro kimo tripsin (245-aminoase residu poli peptida)
pengaktifan pro kimo tripsin menjadi -kimo tripsin melibatkan 3 tempat proteolitik dan pembentukan senyawa antara aktif yaitu -kimo tripsin

Peran ion logam
Ion logan berperan penting pada struktur dan katalisis protein.
Lebih dari 25 % seluruh Enzim mengikat kuat atau membutuhkan ion logam untuk aktifitasnya.
a. MetalloEnzim dan “Enzim diaktifkan logam”
MetalloEnzim adalah Enzim yang mgd sejumlah ion logam ttt, yang dipertahankan selama proses pemurnian.
“Enzim diaktifkan logam” yi, ENZIM yang tidak mengikat logam dg kuat.
b.Kompleks ternary Enzim-logam-substrat

Terdapat 4 bentuk mineral dalam struktur molekul enzim-substrat:

Enz-S-M M-Enz- S
Jembatan substrat kompleks jembatan-Enzim

M
Enz-M-S S
Enz

Kompleks jembatan kompleks jembatan
logam sederhana logam siklik

Keempat bentuk mungkin untuk Enzim diaktifkan logam. Metalo Enzim tidak mampu membentuk En-S-M

Kompleks jembatan-Enzim (M-Enz-S) :
Logam turut berperan mempertahankan konformasi aktif atau membentuk jembatan logam dengan substrat

PENGATURAN AKTIVITAS ENZIM

Pengaturan aktivitas enzim dilakukan melalui beberapa cara
1. Pembentukan proenzim
2. Pengaturan allosterik
3. Inhibisi umpan balik
4. Modifikasi kovalen

TURN OVER ENZIM (pergantian enzim)

Merupakan pergantian yang lama dengan yang baru, jadi berhubungan dengan sintesis dan degradasi enzim. .Jadi enzim dalam keadaan yang dinamis, berarti yang lama akan selalu diganti yang baru.

degradasi Enzim melibatkan proses proteolitik yang dikatalisis oleh Enzim lain
kemampuan Enzim untuk degradasi proteolitik tergantung pada konformasi. Konformasi dipengaruhi oleh : substrat, koEnzim dan ion logam
Sintesis Enzim ditekan oleh :
Produk akhir : molekul kecil seperti purin or asam amino
Misal : adanya histidin dalam medium Salmonella typhimurium menekan sintesis
semua Enzim yang mengikat biosintesis histidin.
Sebaliknya bila histidin dihilangkan sintesis Enzim normal
Katabolit : senyawa antara dalam rangkaian reaksi yang diikat Enzim katabolik

perubahan pro Enzim menjadi Enzim :
oleh Enzim proteolitik atau ion H+

Mengapa Enzim tertentu di sekresi dalam bentuk tidak aktif ?
• diperlukan tidak setiap waktu (intermitent)
ex : Enzim untuk pembentukan dan pemecahan bekuan darah
pada proses pencernaan : waktu-waktu tertentu dan teratur dapat diprediksi
• melindungi jaringan asal (tempat penyimpanannya) dari autodigesti