Lecture 4 Teknologi Enzim

48
Kuliah 4 Teknologi Enzim FARMASI – UHAMKA 2012 Priyo Wahyudi

description

Kuliah 4 Teknologi EnzimFARMASI – UHAMKA 2012Priyo WahyudiTeknologi Enzim & Protein Sel Tunggala.b.c. d.e.f.Definisi enzim Arti penting enzim Aplikasi teknologi enzim pada industri Sumber enzim Produksi enzim Karakterisasi dan aktivitas enzimWhat is Enzyme ?Most enzymes are Proteins (tertiary and quaternary structures) Act as Catalyst to accelerates a reaction Not permanently changed in the processEnzimEnzim = Biokatalisator yang mendorong terjadinya proses

Transcript of Lecture 4 Teknologi Enzim

Page 1: Lecture 4 Teknologi Enzim

Kuliah 4 Teknologi Enzim

FARMASI – UHAMKA2012

Priyo Wahyudi

Page 2: Lecture 4 Teknologi Enzim

Teknologi Enzim & Protein Sel Tunggal

a. Definisi enzimb. Arti penting enzimc. Aplikasi teknologi enzim pada

industrid. Sumber enzime. Produksi enzimf. Karakterisasi dan aktivitas enzim

Page 3: Lecture 4 Teknologi Enzim

Most enzymes are Proteins (tertiary and quaternary structures)

Act as Catalyst to accelerates a reaction

Not permanently changed in the process

What is Enzyme ?

Page 4: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzim

Enzim = Biokatalisator yang mendorong terjadinya proses sintesa dan perombakan pada mahluk hidup

Katalis = suatu zat yang meskipun dalam jumlah amat sedikit, mempunyai kemampuan unik untuk mempercepat berlangsungnya reaksi kimiawi tanpa terjadinya perubahan pada zat tersebut setelah reaksi selesai.

Page 5: Lecture 4 Teknologi Enzim

Skema reaksi enzimatis

 Gambar skema fungsi katalisis enzim dalam sebuah reaksi kimia

(S + E SE P + E)

Page 6: Lecture 4 Teknologi Enzim

Apoenzim + Koenzim Holoenzim

Tidak aktif Tidak aktif Aktif

Protein Molekul organikBM tinggi BM rendahTidak terdialisis Terdialisis Beberapa enzim membutuhkan ion-ion logam

untuk menjadikan teraktivasi, komponen tersebut disebut Kofaktor. Ion-ion logam yang dapat menjadi kofaktor a.l.: Mg2+, Mn2+, Fe2+, Zn2+ dll.

Enzim dapat berupa: Protein murni Gabungan protein dengan gugusan kimia

lainnya Enzim terdiri dari komponen:

Apoenzim, komponen protein dari sebuah enzim

Koenzim, komponen molekul organik dengan BM rendah

Page 7: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzim & energi aktivasi

Gambar skema pengaruh enzim dalam menurunkan energi aktivasi suatu reaksi

kimia

Page 8: Lecture 4 Teknologi Enzim

Faktor-faktor yang mempengaruhi Aktivitas

Enzim1. Konsentrasi

Substrat

Konsentrasi substrat

Pengaruh konsentrasi substrat terhadap aktivitas enzim adalah bahwa pada tahap awal terjadi hubungan yang linear artinya pada suatu peningkatan konsentrasi substrat sampai batas tertentu terjadi peningkatan aktivitas enzim, namun setelah dicapai titik optimal maka adanya kenaikan konsentrasi substrat tidak berpengaruh lagi terhadap laju aktivitas enzim

Akti

vita

s en

zim

Page 9: Lecture 4 Teknologi Enzim

Faktor-faktor yang mempengaruhi Aktivitas

Enzim2. Konsentrasi

Enzim

Konsentrasi enzim

Pengaruh konsentrasi enzim terhadap aktivitas enzim bersifat linear. Pada derajat kemurnian enzim tinggi dan dalam batas-batas tertentu maka semakin tinggi konsentrasi enzim semakin tinggi pula aktivitasnya

Akti

vita

s en

zim

Page 10: Lecture 4 Teknologi Enzim

Faktor-faktor yang mempengaruhi Aktivitas

Enzim3. pH Pengaruh pH pada

aktivitas sebuah enzim sangat ditentukan oleh sifat / karakteristik enzim tersebut apakah acidofil, mesofil atau alkalifil. Aktivitas maksimum akan dicapai pada pH tertentu (pH optimal). Adanya penyimpangan dari nilai pH optimal akan menurunkan aktivitas enzim tersebut

Akti

vita

s en

zim

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

pH

Page 11: Lecture 4 Teknologi Enzim

Faktor-faktor yang mempengaruhi Aktivitas

Enzim4. Suhu Pengaruh suhu

terhadap aktivitas enzim adalah juga ditentukan oleh sifat / karakteristik dari enzim tersebut (mesofil atau termofil). Mulai suhu rendah sampai dicapai suhu optimal maka akan terjadi kenaikan aktivitas enzim, namun kenaikan suhu setelah melewati suhu optimal akan menyebabkan menurunnya laju aktivitas enzim

Akti

vita

s en

zim

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Suhu

Page 12: Lecture 4 Teknologi Enzim

Tipe enzim

1. Enzim ektraseluler atau ektoenzim Enzim disekresikan ke luar sel, berfungsi

melangsungkan perubahan-perubahan seperlunya pada substrat di luar sel, sehingga memungkinkan substrat tersebut memasuki sel.

Contoh: amilase menguraikan pati menjadi unit-unit gula yang lebih kecil

2. Enzim intraseluler atau endoenzim Enzim diseksresikan di dalam sel, berfungsi

mensintesis bahan seluler dan menguraikan nutrien untuk menghasilkan energi yang dibutuhkan oleh sel.

Contoh: heksokinase mengkatalisis fosforilasi glukosa dan heksosa (senyawa-senyawa gula sederhana) di dalam sel.

Page 13: Lecture 4 Teknologi Enzim

Klasifikasi Enzim

1. Oksidoreduktase, Reaksi transfer elektron (pemindahan elektron atau atom Hidrogen)

2. Transferase, Transfer gugus fungsional (cont: Fosfat, amino, metil, dll.)

3. Hidrolase, Reaksi hidrolisis (penambahan molekul air untuk memecahkan ikatan kimiawi)

4. Lyase, Penambahan ikatan ganda pada molekul dan juga pengusiran non hidrolitik gugus kimiawi

5. Isomerase, Reaksi isomerisasi (pengubahan suatu senyawa menjadi isomer, misal. Suatu senyawa yang memiliki atom-atom yang sama tetapi berbeda struktur molekulnya)

6. Ligase, Pembentukan ikatan disertai pemecahan atau penambahan ATP

Page 14: Lecture 4 Teknologi Enzim

Naming conventions

The International Union of Biochemistry and Molecular Biology have developed a nomenclature for enzymes, the EC numbers ; each enzyme is described by a sequence of four numbers preceded by "EC". The first number classifies the enzyme based on its mechanism.

Page 15: Lecture 4 Teknologi Enzim

The top-level classification is: EC 1 Oxidoreductases: catalyze oxidation/

reduction reactions EC 2 Transferases: transfer a functional

group (e.g. a methyl or phosphate group). EC 3 Hydrolases: catalyze the hydrolysis of

various bonds . EC 4 Lyases: cleave various bonds by means

other than hydrolysis and oxidation. EC 5 Isomerases: catalyze isomerization

changes within a single molecule. EC 6 Ligases: join two molecules with

covalent bonds.

Page 16: Lecture 4 Teknologi Enzim

Pemanfaatan Enzim

Sains & Teknologi Enzim Endonuklease, Enzim Reverse

Transcriptase Makanan

Protease mengempukkan daging Industri

Industri pulp, kertas, kain Industri sirup fruktosa

Kesehatan Amilase Protease Lipase

Page 17: Lecture 4 Teknologi Enzim

Industrial Enzyme Classes

Commodity enzymes High volume (tonnes p.a) Low purity (but not necessarily so) Low cost (e.g. $5-40 per kg) Low profit margins

Speciality enzymes Low volume (g – kg) High purity High cost ($5 – 10,000 per g) High profit margins

Page 18: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzymes in Industry

Distribution of enzymes by substrate

Protein hydrolysing 59%

Carbohydrate hydrolysing

28%

Lipid hydrolysing 3%

Speciality (analytical, pharma,

research) 10%

Page 19: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzymes in Industry

Textile processing

Grain processing

Food processing

Cleaning

Feed enzymes

Diagnostic/pharma

Waste management

Other

Textile processing 10Grain processing 12Food processing 18Cleaning 44Feed enzymes 4Diagnostic/pharma 4Waste management 4Other 4

Process % by value

Page 20: Lecture 4 Teknologi Enzim

Industrial enzymes: Market trends

Increasing 10-15% annually by volume

Increasing 4-5% annually by value Decreased margins for commodity

enzymes Increased use of speciality enzymes

Diagnostic enzymes Fine chemicals manufacture Chiral separation

Page 21: Lecture 4 Teknologi Enzim

Industrial enzymes Food

processing

Textiles

Grain processing

Amylases in bread-making Lipases in flavour

development Proteases in cheese making Pectinases in clarifying fruit

juices

Cellulases in treating denim to generate ‘stone-washed’ texture/appearance

Conversion of corn starch to high fructose syrups

Page 22: Lecture 4 Teknologi Enzim

Industrial enzymes

Feed enzymes

Waste management

Diagnostic enzymes

Enzymes to assist in the digestibility of animal feeds (cellulase, xylanase, phytase)

Lipases as drain-cleaning agents

Reporter enzymes (alkaline phosphatase, glucose oxidase, b-glucosidase) and diagnostic enzymes (DNA polymerase)

Page 23: Lecture 4 Teknologi Enzim

Industrial enzymes

Speciality Biotransformations Lipases, esterases and

oxidoreductases for chiral separations

Glucotransferases in synthesis of oligosaccharides

Thermolysin in aspartame synthesis

Nitrile hydratases in acrylamide and nicotinamide synthesis

Proteases in peptide synthesis Penicillin acylase for manufacture

of semisynthetic penicillins Aspartase in the manufacture of

L-aspartate

Page 24: Lecture 4 Teknologi Enzim

Aplikasi Enzim pada Industri

Page 25: Lecture 4 Teknologi Enzim

Aplikasi Enzim

Stone-washing: Trichoderma Cotton: Gluconacetobacter Debleaching: Mushroom peroxidase Indigo: E. coli Plastic: Bacterial polyhydroxyalkanoate

Page 26: Lecture 4 Teknologi Enzim

Stone washing denim

Denim is faded by abrasive action of

pumice stones

Indigo dye adheresto denim surface

Cellulase enzymeremoves some of the dye

by partially hydrolyzing thecotton surface

• new looks• lower costs• shorter treatment times • less solid waste

• weakens the fabric

traditionalmethod

new method

Page 27: Lecture 4 Teknologi Enzim

Aplikasi Enzim

Protease pada penyamakan kulit Dehairing Bathing

Page 28: Lecture 4 Teknologi Enzim

Aplikasi Enzim Enzim Protease pada detergen

Penghilang noda pada kain

Page 29: Lecture 4 Teknologi Enzim

Aplikasi Enzim

Enzim Protease pada detergen Penghilang noda pada kain

Page 30: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzyme prodrug therapy (EPT)

Page 31: Lecture 4 Teknologi Enzim

Nature Reviews Drug Discovery 10, 671-684 (September 2011)

Page 32: Lecture 4 Teknologi Enzim

Targeting metabolic enzymes as a strategy to block biosynthesis or induce

energy stress The pathways of central carbon metabolism are presented. Some

of the metabolic enzymes that are currently being considered as therapeutic targets for cancer are marked with a target (shown as a pink circle ).

Five drugs that influence metabolism and have been tested in humans are shown in pink boxes. This figure illustrates how these enzyme targets are involved in the synthesis of important macromolecules (shown in brown boxes) that are needed for cell growth. • αKG, α-ketoglutarate;

• DCA, dichloroacetate; • DNP, 2,4-dinitrophenol; • F-2,6-BP, fructose-2,6-bisphosphate; • F6P, fructose-6-phosphate; • FBP, fructose-1,6-bisphosphate; • G6P, glucose-6-phosphate; • GLS, glutaminase; • GLUT1, glucose transporter type 1; • HK2, hexokinase 2; I, complex I; • IDH, isocitrate dehydrogenase; III,

complex III; IV, complex IV;

• LDH, lactate dehydrogenase; • MCT4, monocarboxylate transporter 4; • OAA, oxaloacetate; • PDH, pyruvate dehydrogenase complex; • PDK, pyruvate dehydrogenase kinase; • PEP, phosphoenolpyruvate; • PFK1, phosphofructokinase 1; • PFK2, phosphofructokinase 2;• PKM2, pyruvate kinase M2 isoform; • V, complex V.

Page 33: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzymes Therapeutic Use Basis Additional InformationProlactazyme Lactose Intolerance Prolactazyme is a proenzmye that

produces lactase in stomach.About 75% of the world’s population is intolerant to lactose in adulthood. It occurs due to lack of lactase in digestive system.

Beta-Lactamase Penicillin Allergy Penicillin is converted to penicillioate Learn more about penicillin allergy hereAglucerase Gaucher’s Disease type

IEnzyme replacement therapy This disease is characterized by the lack

of enzyme glucocerebrocidase.Streptokinase Heart Attacks (Myocar

dial Infarction)Used as “clot blusters” to dissolve clots in the arteries of heart wall. Plasminogen is converted to plasmin which is fibrinolytic.

Administered i.v. to patients as soon as possible after the onset of a heart attack

Asparaginase Acute Childhood Leukemia

Decreased level of serum asparagine and inhibition of aspargine dependent multiplication of tumor cells.

Tumor cells cannot synthesize L-asparagine due to lack of aspartate-ammonia ligase.

Collagenase Skin ulcers Causes collagen hydrolysis Break up and remove dead skin and tissue

DNAse Cystic Fibrosis (CF) DNAse hydrolyses extracellular DNA responsible for Cystic Fibrosis.

DNA present in the mucous, whicharises from dead WBCs and bacterial cells, serves to cross link the mucous, changing it from a fluid gel to a semi-solid.

Lysozyme Antibiotic Therapy Causes Bacterial cell wall hydrolysisRibonuclease Antiviral Therapy Causes RNA hydrolysisTrypsin Inflammation Causes Protein hydrolysisUricase Gout Converts Urate to allantoinEnzyme inhibitors

To increase the efficacy of drugs

Against resistant bacterisa Example: Beta lactamase inhibitor like clavulanic acid along with amoxicillin.

Page 34: Lecture 4 Teknologi Enzim

Sumber Enzim

Virus : Enzim reverse transcriptase

Bakteri : Enzim DNA endonuclease, DNA polimerase Enzim protease, lipase, amilase

Fungi Enzim selulase Enzim protease, lipase, amilase

Tanaman Enzim protease

Hewan Enzim selulase

Page 35: Lecture 4 Teknologi Enzim

Sumber Enzim

Tanaman

Papain Bromelin

Page 36: Lecture 4 Teknologi Enzim

Sumber Enzim

No fibre digesting enzymes or phytase

Page 37: Lecture 4 Teknologi Enzim

Produksi Enzim

Mikroorganisme yang direkayasa Sistem fermentasi Pemisahan produk enzim Purifikasi Immobilisasi

Page 38: Lecture 4 Teknologi Enzim

Produksi Enzim

Page 39: Lecture 4 Teknologi Enzim

Diagram Alir Preparasi

Enzim

Page 40: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzima EC numberb Sumber

Intra/extra

-selulerc

 Skala produksid

Penggunaan

Industri

Katalase 1.11.1.6 Hati I  - Makanan

Khimotripsin 3.4.21.1 Pankreas E  - Kulit

Lipasee 3.1.1.3 Pankreas E  - Makanan

Rennetf 3.4.23.4 Abomasum E + Keju

Tripsin 3.4.21.4 Pankreas E - Kulit

Enzim-Enzim Komersial yang Diperoleh dari

Hewan

Page 41: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzima EC numberb Sumber

Intra/extra

-selulerc

 Skala produksid

Penggunaan

Industri

Aktinidin 3.4.22.14 Buah Kiwi E - Makanan

a-Amilase 3.2.1.1 Malted barley E +++ Brewing

b-Amilase 3.2.1.2 Malted barley E +++ Brewing

Bromelain 3.4.22.4 Getah nanas E  - Brewing

b-Glukanaseg  3.2.1.6 Malted

barley E  ++ Brewing

Fisin 3.4.22.3 Fig latex E - Makanan

Lipoksigenase

1.13.11.12 Kedelai I - Makanan

Papain 3.4.22.2 Getah pepaya E ++ Daging

Enzim-Enzim Komersial yang Diperoleh dari

Tanaman

Page 42: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzima

EC number

b

SumberIntra/extra

-selulerc

 Skala produksi

d

Penggunaan

Industri

a-Amilase 3.2.1.1 Aspergillus E ++ Roti

Aminoasilase

3.5.1.14

Aspergillus I - Farmasi

Glukoamilasek 3.2.1.3 Aspergillu

s E +++ Pati

Katalase 1.11.1.6

Aspergillus I - Makanan

Selulase 3.2.1.4 Trichoderma E - Pengolah

an limbah

Dekstranase

3.2.1.11

Penicillium E - Makanan

Enzim-Enzim Komersial yang Diperoleh dari

Jamur

Page 43: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzima

EC number

b

SumberIntra/extra

-selulerc

 Skala produksi

d

Penggunaan

Industri

Glukosa oksidase 1.1.3.4 Aspergillu

s I - Makanan

Laktasel 3.2.1.23

Aspergillus E - Susu

Lipasee 3.1.1.3 Rhizopus E - Makanan

Rennetm 3.4.23.6

Mucor miehei E ++ Keju

Pektinasen 3.2.1.15

Aspergillus E ++ Minuman

Pektin liase 4.2.2.10

Aspergillus E - Minuman

Proteasem 3.4.23.6

Aspergillus E + Roti

Raffinaseo 3.2.1.22

Mortierella I - Makanan

Enzim-Enzim Komersial yang Diperoleh dari

Jamur

Page 44: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzima

EC number

b

SumberIntra/extra

-selulerc

 Skala produksid

Penggunaan

Industri

Invertasep 3.2.1.26 Saccharomyces I/E  - Gula-

gula

Laktasel 3.2.1.23 Kluyveromyces I/E - Susu

Lipasee 3.1.1.3 Candida E - Makanan

Raffinaseo 3.2.1.22 Saccharomyces I - Makanan

Enzim-Enzim Komersial yang Diperoleh dari

Khamir

Page 45: Lecture 4 Teknologi Enzim

Enzima

EC number

b

SumberIntra/extra

-selulerc

 Skala produksid

Penggunaan

Industri

a-Amiase 3.2.1.1 Bacillus E +++ Pati

b-Amilase 3.2.1.2 Bacillus E + Pati

Asparaginase 3.5.1.1 Escherichia coli I - Kesehata

n

Glukosa isomeraseh 5.3.1.5 Bacillus I ++ Sirup

Fruktosa

Penisilin amidase

3.5.1.11 Bacillus I - Farmasi

Proteasei 3.4.21.14 Bacillus E +++ Detergen

Pululanasej 3.2.1.41 Klebsiella E - Pati

Enzim-Enzim Komersial yang Diperoleh dari

Bakteri

Page 46: Lecture 4 Teknologi Enzim

Regulasi Enzim

Page 47: Lecture 4 Teknologi Enzim

Competitive inhibitors

Many drugs (like Cipro and anti-HIV drugs) are enzyme inhibitors

Two major kinds of inhibitors: competitive and noncompetitive.

Competitive inhibitors bind to the active site of the enzyme.

Alter Km but not Vmax.

Page 48: Lecture 4 Teknologi Enzim

Noncompetitive inhibitors

Noncompetitive inhibitors bind somewhere besides the active site.

They alter the behavior of the enzyme in a manner analogous to allosteric regulation