BIOKIMIA 5 (ENZIM 2) STKIP MUHAMMADIYAH SORONG

2. Energi bebas Fungsi Termodinamika Berguna untuk memahami tentang Enzim

Untuk memahami sepenuhnya bagaimana enzim bekerja, perlu mempertimbangkan dua sifat termodinamika reaksi: (1) Perbedaan energi bebas (ΔG) antara produk dan reaktan dan (2) energi yang dibutuhkan untuk memulai konversi reaktan untuk produk. Yang pertama menentukan apakah reaksi akan spontan, sedangkan kemudian menentukan lajum reaksi. Enzim hanya mempengaruhi kedua. Pertama, kita akan mempertimbangkan termodinamika reaksi dan kemudian, dalam Bagian 8.3, tingkat reaksi.

2.1. Perubahan Energi Bebas Menyediakan Informasi Tentang Spontanitas tetapi Tidak untuk Laju Reaksi

Perubahan energi bebas reaksi (ΔG) memberitahu kita jika reaksi dapat terjadi secara spontan:

1. Sebuah reaksi dapat terjadi secara spontan hanya jika ΔG adalah negatif. Reaksi dikatakan eksergonik.

2. Sebuah sistem berada dalam kesetimbangan dan tidak ada perubahan dapat terjadi jika ΔG adalah nol.

3. Reaksi tidak dapat terjadi secara spontan jika ΔG positif. Masukan energi bebas yang diperlukan untuk drive seperti reaksi.

Reaksi-reaksi ini disebut endergonik.

Dua poin tambahan perlu ditekankan. ΔG reaksi hanya bergantung pada energi bebas produk (yang akhir keadaan) dikurangi energi bebas reaktan (keadaan awal). ΔG reaksi adalah independen dari jalan (atau Mekanisme molekul) dari transformasi. Mekanisme reaksi tidak berpengaruh pada ΔG. Sebagai contoh, ΔG untuk oksidasi glukosa menjadi CO₂ dan H₂O adalah sama apakah itu terjadi oleh pembakaran in vitro atau serangkaian dikatalisis langkah enzim dalam sel. ΔG tidak memberikan informasi tentang laju reaksi. Sebuah ΔG negatif menunjukkan bahwa reaksi dapat terjadi secara spontan, tetapi tidak berarti apakah akan melanjutkan pada tingkat yang lebih jelas. laju reaksi tergantung pada energi bebas aktivasi (ΔG), yang sebagian besar tidak terkait dengan ΔG  reaksi.

2.2. Perubahan Free-Energi Standar Reaksi suatu Terkait dengan Kesetimbangan yang Konstan

Adapun reaksi apapun, kita harus dapat menentukan ΔG untuk reaksi enzim yang bertindak sebagai katalis untuk mengetahui apakah reaksi spontan atau sebatas masukan energi yang dibutuhkan. Untuk menentukan parameter ini termodinamika yang penting, kita perlu mempertimbangkan sifat dari kedua reaktan dan produk serta konsentrasinya.

Pertimbangkan reaksi ΔG reaksi ini diberikan oleh

di mana ΔG° adalah perubahan energi bebas standar, R adalah konstanta gas, T adalah suhu absolut, dan [A], [B], [C], dan [D] adalah konsentrasi molar (lebih tepatnya, kegiatan) dari reaktan. ΔG° adalah perubahan freeenergy untuk reaksi dalam kondisi standar yang, ketika masing-masing reaktan A, B, C, dan D adalah hadir pada konsentrasi 1,0 M (untuk gas, keadaan standar biasanya dipilih untuk menjadi 1 atmosfer). Dengan demikian, ΔG reaksi tergantung pada sifat dari reaktan (dinyatakan dalam jangka  ΔG° persamaan 1) dan pada konsentrasi mereka (dinyatakan dalam jangka logaritmik dari persamaan 1).

Sebuah konvensi telah diadopsi untuk menyederhanakan perhitungan energi bebas untuk reaksi biokimia. Keadaan standar didefinisikan sebagai memiliki pH 7. Akibatnya, ketika H⁺ adalah reaktan, aktivitas yang memiliki nilai 1 (sesuai dengan pH 7) dalam persamaan 1 dan 4 (bawah). Aktivitas air juga diambil untuk menjadi 1 dalam persamaan. Perubahan energi bebas standar pada pH 7, dilambangkan dengan simbol ΔG° akan digunakan sepanjang buku ini. Para kilokalori (disingkat kkal) dan kiloJoule (kJ) akan digunakan sebagai unit energi. Satu kilokalori setara dengan 4,184 kilojoule.

Hubungan antara energi bebas standar dan konstanta kesetimbangan reaksi dapat mudah diperoleh. Persamaan ini penting karena ini akan menampilkan hubungan energik antara produk dan reaktan dalam hal konsentrasi mereka. Pada kesetimbangan, ΔG = 0. Persamaan 1 kemudian menjadi

dan begitu

Konstanta kesetimbangan dalam kondisi standar, K eq, didefinisikan sebagai

Dengan mensubstitusi persamaan 4 ke persamaan 3 memberikan

 

yang dapat disusun kembali untuk memberikan

 

R = 1,987 mensubstitusi × 10-3 mol^-1 kkal deg^-1 dan T = 298 K (setara dengan 25 °C) menghasilkan persamaan:

mana ΔG° adalah di sini dinyatakan dalam kilokalori per mol. Jadi, energi bebas standar dan konstanta kesetimbangan reaksi terkait dengan ungkapan sederhana. Sebagai contoh, sebuah konstanta kesetimbangan 10 memberikan perubahan energi bebas standar -1,36 kkal.mol^-1 (-5,69 kJ.mol^-1) pada 25 °C (Tabel. 4). Perhatikan bahwa, untuk setiap perubahan 10 kali lipat dalam konstanta kesetimbangan, perubahan  ΔG° oleh 1,36 kkal mol^-1 (5,69 kJ mol^-1).

Sebagai contoh, mari kita menghitung ΔG° dan ΔG untuk isomerisasi dihidroksiaseton fosfat (DHAP) untuk gliseraldehida 3-fosfat (GAP). Reaksi ini terjadi dalam glikolisis. Pada kesetimbangan, rasio GAP untuk DHAP adalah 0,0475 pada 25 °C (298 K) dan pH 7. Oleh karena itu, K eq = 0,0475. Perubahan energi bebas standar untuk Reaksi ini kemudian dihitung dari persamaan 6:

Sebagai contoh, mari kita menghitung ΔG° dan ΔG untuk isomerisasi dihidroksiaseton fosfat (DHAP) untuk gliseraldehida 3-fosfat (GAP). Reaksi ini terjadi dalam glikolisis (Bagian 16.1.4). Pada kesetimbangan, rasio GAP untuk DHAP adalah 0,0475 pada 25 ° C (298 K) dan pH 7. Oleh karena itu, K eq = 0,0475. Perubahan energi bebas standar untuk reaksi ini kemudian dihitung dari persamaan 6:

Dengan kondisi tersebut, reaksi endergonik. DHAP tidak akan spontan dikonversi ke GAP.
Sekarang mari kita menghitung ΔG untuk reaksi ini ketika konsentrasi awal DHAP adalah 2 × 10^-4 M dan konsentrasi awal GAP adalah 3 × 10^-6 M. Dengan mensubstitusi nilai-nilai ini ke dalam persamaan 1 memberi.

Nilai negatif bagi ΔG menunjukkan bahwa isomerisasi DHAP untuk GAP eksergonik dan dapat terjadi secara spontan ketika spesies ini berada pada konsentrasi aforestated. Perhatikan bahwa ΔG untuk reaksi ini negatif, meskipun ΔG° adalah positif. Hal ini penting untuk menekankan bahwa apakah ΔG reaksi lebih besar, lebih kecil, atau sama dengan ΔG° tergantung pada konsentrasi reaktan dan produk. Kriteria spontanitas untuk reaksi adalah ΔG, bukan ΔG°. Hal ini penting karena reaksi spontan yang tidak didasarkan pada ΔG· Dapat dibuat secara spontan dengan menyesuaikan konsentrasi reaktan dan produk. Prinsip ini adalah dasar dari kopling reaksi untuk membentuk jalur metabolik.

2.3. Enzim Alter Hanya Tingkat Reaksi dan Bukan Kesetimbangan Reaksi

Karena enzim adalah katalis yang luar biasa namun tidak dapat mengubah hukum-hukum termodinamika dan karenanya tidak dapat mengubah keseimbangan dari reaksi kimia. Ketidakmampuan ini berarti bahwa enzim mempercepat reaksi maju dan mundur dengan tepat faktor yang sama. Pertimbangkan interkonversi dari A dan B. Misalkan, dalam ketiadaan enzim, tingkat maju konstan (k_F) adalah 10^-4 s^-1 dan tingkat terbalik konstan (k_R) adalah 10^-6 s^-1. K konstanta kesetimbangan diberikan oleh rasio konstanta laju ini:

Konsentrasi kesetimbangan dari B adalah 100 kali dari A, ada atau tidak ada enzim. Namun, mungkin memakan waktu yang cukup untuk mendekati kesetimbangan ini tanpa enzim, sedangkan keseimbangan akan dicapai dengan cepat dengan adanya enzim yang sesuai. Enzim mempercepat pencapaian kesetimbangan tetapi tidak menggeser posisi mereka. Posisi kesetimbangan merupakan fungsi hanya  pada perbedaan energi bebas antara reaktan dan produk.

Tabel. 4. Hubungan antara ΔG°’ dan K’eq (pada 25°C)

Keq	kcal mol-1	kJ/mol-1	Keq	kcal mol-1	kJ/mol-1
10-5	6.82	28.53	10	-1.36	-5.69
10-4	5.46	22.84	102	-2.73	-11.42
10-3	4.09	17.11	103	-4.09	-17.11
10-2	2.73	11.42	104	-5.46	-22.84
10-1	1.36	5.69	105	-6.82	-28.53
1	0	0

3. Reaksi enzim Mempercepat oleh Memfasilitasi Pembentukan Keadaan Transisi

Perbedaan antara energi bebas reaktan dan produk untuk keseimbangan reaksi, tetapi enzim mempercepat seberapa cepat kesetimbangan ini dicapai.

Reaksi kimia dari substrat S untuk membentuk produk P berjalan melalui keadaan transisi S* yang memiliki energi bebas yang lebih tinggi dari pada tidak, baik S atau P. Tanda *  menunjukkan sifat termodinamika keadaan transisi. Keadaan transisi adalah yang paling jarang dilewati sepanjang jalur reaksi karena itu adalah satu-kesatuan dengan energi bebas tertinggi. Perbedaan energi bebas antara keadaan transisi dan substrat disebut energi bebas Gibbs dari aktivasi atau hanyalah energi aktivasi, yang dilambangkan oleh ΔG*, sebagaimana disebutkan dalam Pasal. 2.1 (Gambar 8.3).

ΔG’ = ΔGs’ – Gs

Perhatikan bahwa energi aktivasi, atau ΔG, tidak masuk ke dalam perhitungan ΔG akhir untuk reaksi, karena energi input yang diperlukan untuk mencapai keadaan transisi dikembalikan ketika keadaan transisi bentuk produk. Energi aktivasi yang penghalang segera menunjukkan bagaimana enzim meningkatkan laju reaksi tanpa mengubah ΔG reaksi: enzim berfungsi untuk menurunkan energi aktivasi, atau, dengan kata lain, enzim memfasilitasi pembentukan keadaan transisi.

Salah satu pendekatan untuk memahami bagaimana enzim mencapai ini adalah untuk mengasumsikan bahwa keadaan transisi (S*) dan substrat (S) berada dalam kesetimbangan.

di mana K adalah konstanta kesetimbangan untuk pembentukan S*, dan v adalah laju pembentukan produk dari S*.

Laju reaksi sebanding dengan konsentrasi S*:

Rate α [S*]

karena hanya S* dapat diubah menjadi produk. Konsentrasi S* pada gilirannya berhubungan dengan perbedaan energi bebas antara S* dan S, karena kedua spesies kimia yang diasumsikan dalam kesetimbangan; semakin besar perbedaan antara dua keadaan, semakin kecil jumlah S*.

Karena laju reaksi sebanding dengan konsentrasi S*, dan konsentrasi dari S* bergantung pada ΔG*, yang V laju reaksi tergantung pada D G*. Secara khusus,

Dalam persamaan ini, k adalah konstanta Boltzmann, dan h adalah konstanta Planck. Nilai kT / jam pada 25 °C adalah 6,2 × 1012 s^-1. Anggaplah bahwa energi bebas aktivasi adalah 6.82 kkal mol^-1 (28,53 kJ mol^-1). Rasio [S*] / [S] kemudian 10^-5 (lihat Tabel. 4). Jika kita asumsikan demi kesederhanaan [S] = 1 M, maka V laju reaksi adalah 6,2 × 107 s^-1. Jika ΔG itu diturunkan oleh 1,36 kkal mol^-1 (5,69 kJ mol^-1), rasio [S*] / [S] kemudian 10^-4, dan laju reaksi akan 6,2 × 108 s^-1. Seperti Tabel. 4 menunjukkan, penurunan 1,36 kkal mol^-1 di ΔG menghasilkan sepuluh kali lipat lebih besar V. Penurunan yang relatif kecil di ΔG (20% dalam hal ini khususnya reaksi) menghasilkan peningkatan lebih besar dalam V.

Jadi, kita melihat bagaimana enzim kunci untuk beroperasi: Enzim mempercepat reaksi dengan menurunkan ΔG*, energi aktivasi. Kombinasi substrat dan enzim menciptakan jalur reaksi baru yang transisi-keadaan energi yang lebih rendah dari reaksi tanpa enzim (lihat Gambar. 3). Energi aktivasi yang lebih rendah berarti bahwa molekul lebih memiliki energi yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan transisi. Menurunkan penghalang aktivasi analog dengan menurunkan ketinggian garis penghalang tinggi, atlet akan lebih mampu untuk melompati penghalang tersebut. Inti dari katalisis adalah mengikat spesifik dari keadaan transisi.

Referensi:

Jeramy M. Berg., John L. Tymoczko dan Lubert styer “Biochemistry fifth edition” W.H. Freeman and Company.