Kinetika enzim
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
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.
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 pada 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.
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" namun bukan "K" mungkin menunjukkan bahwa residu di tempat yang aktif perlu berada dalam keadaan ionisasi tertentu agar terjadi katalisis.
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.