Upload
muhammad-galih
View
149
Download
17
Embed Size (px)
DESCRIPTION
PPT Biokimia Kelompok 4
Citation preview
Pemicu 1 : Kinetika
Pertumbuhan Sel
Kelompok 4
Angelina (1406533522)
Mauhibah Yumna (1406577650)
M Galih Utomo (1406533554)
Wawan Irawan (1406544636)
Woro Bismo (1406533472)
1. Bagaimana mekanisme biokimia secara
umum dalam pertumbuhan sel? Bagaimana
pula fase-fase yang dialami oleh sel dalam
masa pertumbuhannya?
Apa itu Biokimia?
Biokimia adalah ilmu yangmempelajari reaksi yang terjadi di dalamatau berhubungan dengan makhluk hidup.Reaksi biokimia umumnya mempelajaritentang reaksi makromolekul kehidupan(karbohidrat, lemak, protein, asam nukleat),dan molekul atau ion lain yang berhubungandengan kehidupan makhluk hidup(contohnya air).
Bagaimana peranan biokimiadalam pertumbuhan sel?
Reaksi-reaksi biokimia sangat berperan dalamsiklus hidup sel, karena tanpa reaksi-reaksitersebut sebuah sel tidak dapat bertahanhidup. Mempelajari reaksi-reaksi biokimiadapat membuat kita mengerti lebih jauhtentang siklus hidup dan pertumbuhan sel,serta memanfaatkan pengetahuan itu untukdiaplikasikan di bidang-bidang lain, sepertimedis dan pertanian.
Sasaran Biokimia
Mempelajari pertumbuhan sel baik kecepatan/produk dan waktu yang dapat direkayasa
Mempelajari jalur-jalur metabolisme dalam pertumbuhan sel & mekanisme pengendaliannya
Struktur kimia dari komponen makhluk hidup dan hubungan antara struktur kimia dengan fungsi biologis
Mempelajari metabolisme, yaitu keseluruhan reaksi kimia dalam makhluk hidup
Proses kimia dan substansi yang menyimpan dan mengirimkan informasi biologis
Mempelajari aktivitas katalitik enzim
Fase Lag
• Terlihat mendatar padakurva karena tingkatpertumbuhan sel sangatsedikit.
• Sel mulai beradaptasi danmengumpulkan energidengan memulai reaksienzimatis untukmenguraikan substrat dannutrien.
• Lamanya bergantung padamedium tumbuh danjumlah awal sel yangmempengaruhi waktuadaptasi.
Fase Akselerasi
Fase dimana sel sudah selesai melakukan masa adaptasi namun tingkat pertumbuhannya masih rendah
Fase Eksponensial
• Tingkat aktivitas selmencapai kecepatanmaksimum yang dapatterlihat dari bentuk kurvayang eksponensial.
• Dipengaruhi olehberagam faktor biologisdan nonbiologis, sepertisifat sel, asosiasiorganisme di mediumtumbuh, kandungannutrien, dan lain-lain
Fase Pengurangan (reduction)
Tingkat pertumbuhan selmengalami penurunan,karena nutrien yangdibutuhkan sudahhampir habis atau sel-selyang terdapat padamedium mati karenaterpapar hasilmetabolisme yangbersifat racun ataupersaingan denganorganisme lain.
Fase Stasioner
• Kurva mendatar menunjukan tingkat pertumbuhan selsama dengan tingkat kematian sel. Pada fase ini selmengalami resistensi yang lebih tinggi terhadap faktoreksternal seperti suhu dan zat kimia.
• Nutrisi di medium sangat berkurang
• Terbentuk senyawa penghambat
• Lingkungan mulai tidak menguntungkan
Fase Kematian
• Tingkat kematian selsudah lebih banyakdibandingkan tingkatpertumbuhan sel.
• Nutrien sudah habissehingga sel tidak lagidapat melakukanpertumbuhan, namunhasil metabolisme yangbersifat toksik semakinbanyak dan persainganantar organismesemakin ketat sehinggasel yang mati lebihbanyak dari sel yanghidup.
Jumlah Total Sel
Pertambahan atau pengurangan banyaknya sel N dari sampel yang diambil berbanding lurus dengan jumlah total sebenarnya
di mana• µ = laju pertumbuhan spesifik per
waktu• X(t) = jumlah total sel per waktu
X(t) = µ (t) X(t)
Aktivitas Populasi Mikrobialdalam Biakan Sistem Tertutup
di mana
• Xo: jumlah sel pada waktu nol,
• X: jumlah sel pada waktu t,
• t: waktu pertumbuhan diamati.
ln X = ln Xo + μ(t)
Doubling Time
Untuk memperkirakan kerapatan populasi pada waktu yang akan datang dengan μsebagai konstanta pertumbuhan yang berlaku. Parameter penting untuk konstanta pertumbuhan populasi secara eksponensial adalah waktu generasi (waktupenggandaan). Penggandaan populasi terjadi saat X / Xo =2, sehingga:
td = ln 2/µ
Laju Pertumbahan Sel
Untuk mengukur pertumbuhan sel, kita dapat menentukannya dengan menggunakan persamaan laju pertumbahan sel (rx)
dimana :
• μ = konstanta kecepatan pertumbuhan
• CX = konsentrasi sel kering per unit volum
rx = μ . CX
Cara Mengukur dan Menganalisis Pertumbuhan Sel
Aktivitas dari pertumbuhan sel dapat diukur secara kuantitatif, baik jumlah maupun perubahan laju dari massa sel. Terdapat dua kategori metode yang dapat digunakan:
Pengukuran Banyaknya
SelBerat Sel
Pengukuran Mikroskopis Langsung
Secara umum, metode yang dilakukan adalah menghitung sel pada slide kaca. Dengan slide Petroff-Hauser, dapat digunakan untuk menghitungbanyaknya sel pada setiap kamar/kotak hemocytometer.
Massa Jenis Sel =Rata − rata sel per kotak
Volume kotak
Diperlukan staining karena jumlah sel mati dan hidup tidak terlihat.
Mikroskop (Sumber: instr.bact.wisc.edu)
Plat Penghitung Sel Hidup
• Teknik yang dilakukan pada metode ini adalah dengan membuat mikroba bertumbuh pada medium (kloning). Kemudian mikroba yang ada dihitung pada plat penghitung sel hidup dengan teknik pengukuran koloni yang terbentuk (CFU).
• Dapat juga diaplikasikan pada mikroba pada lingkungan bebas. Namun, perlu diketahui bahwa mikroba yang terkandung pasti banyak sehingga pertumbuhan pada medium tertentu akan berbeda.
Plating and CFU Counting (Sumber:
upload.wikimedia.org)
Penghitung Coulter
Penghitung yang ditemukan oleh Coulter inimenggunakan arus listrik melaui sebuah lubang.Setiap mikroba yang melewati lubang, tahanan akanbertambah dan arus menurun. Jumlah arus ini dapatterekam pada suatu alat dan dapat menunjukkanpengurangan arus sebandung dengan volume sel.Instrumen ini dapat memberikan banyaknya sel dandistribusi ukuran sel tetapi tidak memberikan infotentang bentuk sel. Partikel yang dapat dihitungadalah partikel yang berukuran 0,5-200 µm.
Aliran Cytometer (Flow Cytometri)
Metode ini dilakukan denganmemanfaatkan sifat optis dari sel.Sampel yang telah dikultur diencerkan di aliran yang akanmemisahkan sel secara membujurdari sel lain. Aliran melaui laserbeam, absorption, flouresence, ataulight diffusion untuk menyampaikanperhitungan sel. Selektifitas jugadapat ditingkatkan dengan melabeldengan flouresencent dye.Pengurutan sel selesai denganmemasukkan muatan pada tetesyang mengandung sel yangdiinginkan. Muatan membuat tetestersebut terbelokkan ke detektor.
Flow Cytometer
(Sumber: www.biocompare.com)
Dry Cell Weight (Berat Sel Kering)
Teknik ini dilakukan dengan mengeringkan sampeldengan proses sentrifugasi atau filtrasi, dicucidengan air atau buffer, dan dikeringkan pada 80derajat celcius. DCW sering digunakan padafermentor. Sampel broth diambil dari fermentorkemudian ukur volumenya. Sel dipisahkan dengansentrifugasi atau filtrasi, namum biasanya masihterdapat pengotor lain yang bukan merupakan selsehingga perlu diperlakukan beberapa metodeseperti penambahan buffer untuk menhilangkanasam. Kemudian sel dikeringkan dan ditimbang.
Packed Cell Volume (PCV)
PCV sering digunakan pada industry plant untuk mengikuti kinerik fermentasi. PCV tergantung tidak hanya pada massa sel, tetapi juga pada kecepatan sentrifugal dan waktu, banyaknya padatan non-selular, mofologi kultur, dan osmolaritas dari medium. Kondisi sentrifugasi biasanya di set untuk mengurangi efek dari variabel lain. Banyaknya padatan nonselular akan berkurang seiring dengan pertambahan waktu. Padatan akan mengendap lebih dulu daripada sel sehingga dapat menghitung berat padatan yang ada.
Turbiditas (kekeruhan)
Turbiditas adalah teknik yang paling sering digunakan pada pengukuran pertumbuhan mikroba.
Spektrofotometer
Visual method
Nephelometric method
Image Analysis
• Khusus untuk kasus pertumbuhanfilamentous dan pembentukan pellet, sulituntuk mengukur pertumbuhan dari selatau massa total sel.
• Analisis ini dapat menjadi alat bergunauntuk mengklasifikasi biomassa.
• Diambil gambar dari broth fermentasi dandiproses dengan software komputer.
3. Bagaimana substrat dan pembentukan
produk dalam sel dapat menginhibisi
pertumbuhan sel? Dapatkah anda
menjelaskan faktor-faktor lainnya yang
dapat menginhibisi laju pertumbuhan sel?
Faktor-faktor yang Menginhibisi Reaksi Pertumbuhan Sel
• Senyawa Kimia
• Pembentukan Produk
• pH
• Suhu
• Cahaya
• Air
• Kelembaban
• Potensial Oksidasi – Reduksi
• Keberadaan Gas
• Keberadaan Antibiotik
• Salinitas
• Kondisi osmotik
• Logam Berat
• Inhibisi oleh substrat ini sering dianggap sebagai sifat biokimia dari substrat yang aneh dan menganggu proses berjalannya reaksi kimia.
• Mekanisme inhibisi oleh substrat ditunjukkan pada Gambar 2. Terlihat substrat menyerang kompleks enzim substrat sehingga membentuk kompleks enzim-substrat-substrat.
Grafik pengaruh kadar substrat terhadap kecepatan
pertumbuhan spesifik Sumber: Julianti, Elisa. 2013)
Inhibisi oleh Substrat
• Tahap Reaksi:
𝐸 + 𝑆 𝑘1𝐸 ∙ 𝑆
𝐸 ∙ 𝑆𝑘−1
𝐸 + 𝑆
𝐸 ∙ 𝑆 𝑘2𝐸 + 𝑃
𝑆 + 𝐸 ∙ 𝑆 𝑘3𝑆 ∙ 𝐸 ∙ 𝑆 (𝑖𝑛𝑎𝑘𝑡𝑖𝑓)
𝑆 ∙ 𝐸 ∙ 𝑆𝑘−3
𝑆 + 𝐸 ∙ 𝑆
Mekanisme inhibisi oleh substrat (Sumber:http://www1.lsbu.ac.uk/)
Inhibisi oleh Substrat (2)
• Inhibisi oleh produk kadang disebut sebagai negative feedbackatau inhibition feedback.
• Inhibisi oleh produk adalah suatu tipe inhibisi enzim dimanaproduk dari suatu reaksi enzimatis menempel pada enzim danmenghambat aktivitasnya.
• Hal ini penting pada regulasi metabolisme sebagai suatubentuk negative feedback yang mengontrol siklusmetabolisme.
Gambar x. Mekanisme inhibisi oleh produk (Sumber:
http://www.csun.edu/)
Inhibisi oleh PembentukanProduk
• Pada dasarnya, inhibisi oleh produk adalah suatu halyang merugikan dan dalam bioteknologi selaluberusaha dihilangkan karena dapat meningkatkanyield produksi, contohnya dalam produksi antibiotik.
• Pada inhibisi ini, produk secara struktur mirip dengansubstrat sehingga akan berkompetisi dengan substratuntuk menempel pada sisi aktif enzim.
Contoh inhibisi oleh produk (Sumber: http://www.citruscollege.edu/)
Inhibisi oleh PembentukanProduk (2)
• Faktor-faktor lainnya yang dapat menginhibisi reaksi enzimatisadalah inhibitor kompetitif, non-kompetitif, dan inkompetitif,serta isomerisasi kompleks EI menjadi EI* yang inaktif.
• Inhibitor kompetitif mempunyai struktur yang mirip dengansubstrat sehingga akan berkompetisi dengan substrat untukmenempel pada sisi yang sama pada enzim yaitu sisi aktifnya.
• Inhibitor non-kompetitif tidak mirip secara struktural dengansubstrat sehingga akan menempel pada sisi yang berbedadengan sisi aktif enzim, namun mengubah bentuk enzimsehingga substrat tak dapat menempel dengan enzim.
• Pada inhibisi inkompetitif, inhibitor dapat hanya dapatmenempel pada enzim apabila enzim telah berikatan dengansuatu substrat atau lebih.
Inhibisi oleh Faktor Lainnya
Inhibisi olehFaktor
Lainnya
Mekanisme inhibisi kompetitif (Sumber: http://www.csun.edu/)
Mekanisme Inhibisi Non-Kompetitif (Sumber: http://www.csun.edu/)
4. Dengan adanya pertumbuhan sel ini, dapatkah
anda menjelaskan mekanisme-mekanisme reaksi
yang mungkin dijalani oleh sel dalam masa
pertumbuhannya? Bagaimana menentukan laju
reaksinya dari masing-masing mekanisme
tersebut?
• Pertumbuhan pada sel melibatkan metabolismeenergi, di mana Metabolisme adalah suatuproses komplek yang terjadi didalam sel dimanaterjadi perubahan makanan menjadi energi danpanas melalui suatu proses kimia, berupa prosespembentukan dan penguraian zat.
• Metabolisme bertujuan untuk menghasilkanenergi yang berguna bagi kelangsungan hidup,baik untuk pembelahan sel maupun transpormolekul ke luar dan ke dalam sel.
• Metabolisme sering disebut dengan reaksienzimatis, karena metabolisme terjadi selalumenggunakan katalisator enzim.
Mekanisme ReaksiPertumbuhan Sel
• Anabolisme merupakan rangkaian reaksi kimia yang substratawalnya adalah molekul kecil dan produk akhirnya adalahmolekul besar, bertujuan untuk penyusunan atau sintesismolekul.
• Contoh : Pada reaksi fotosintesis berikut.
Fotosintesis
Gelap Terang
Anabolisme
Proses Penyerapan Energi Cahaya
Beratus- ratus pigmen fotosintesis (fotosistem) meyerap foton
Energi eksitasi dibawa oleh pigmen ke pigmen lainnya hingga ke klorofil a
Klorofil a teraktivasi memberikan elektron ke molekul penerimaelektron dalam sistem transpor elektron
Fotosintesis Terang
Fotosintesis Gelap (Calvin-Benson)
• Berlangsung dalam gelap, dan hanya dapat berlangsung jika ada ATP dan NADPH (yang dihasilkan proses terang)
• Memerlukan ATP, hidrogen, dan elekton dari NADPH, karbon dan oksigen dari karbon dioksida, enzim yang mengkatalisis setiap reaksi, dan RuBP.
Karbon dioksida diikat oleh RuBP menjadi senyawa 6 karbon, yang lalu memecah menjadi 2 fosfogliserat (PGA)
Masing masing PGA menerima gugus fosfat dari ATP dan menerima hidrogen serta elektron dari NADPH, menghasilkan PGAL
Untuk setiap 6 molekul CO2 yang diikat menghasilkan 12 PGAL
Dari 12 PGAL, 10 molekul kembali ke tahap awal menjadi RuBP, dan seterusnya RuBP akan mengikat CO2 yang baru
2 PGAL lainnya akan berkondensasi menjadi glukosa 6 fosfat
𝐶6𝐻12𝑂6 + 6𝑂2 6𝐶𝑂2 + 6𝐻2𝑂
Merupakan rangkaian reaksi yang bertujuanuntuk pembongkaran atau penguraian suatumolekul.
Bersifat eksergonik.
Berfungsi menyediakan bahan baku untuksintesis molekul lain .
Menyediakan energi kimia yang dibutuhkanuntuk melakukan aktivitas kehidupan.
Katabolisme
Pati
Glukosa
Maltosa danpolimer glukosa
Glukosa dangalaktosa
Glukosa danfruktosa
SukrosaLaktosa
PtialinAmilase
SukraseLaktaseMaltase dan 𝛼 −𝑑𝑒𝑘𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛𝑎𝑠𝑒
Pemecahan polisakarida dandisakarida menjadi monosakarida
• Pertumbuhan sel merupakan salah satu dari rangkaianaktivitas sel yang fungsinya untuk mempertahankankehidupannya. Setiap pertumbuhan sel mengikutiaturan-aturan berikut,
𝐶𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 + 𝑁𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 + 𝑝ℎ𝑜𝑠𝑝ℎ𝑎𝑡𝑒 + 𝑂2 𝐶𝑒𝑙𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑠 +𝐶𝑂2 +𝐻2𝑂 + 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡 + ℎ𝑒𝑎𝑡
• Bila pertumbuhan sel terjadi saat kondisi aerob, maka
𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 +𝑐𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒
+𝑛𝑖𝑡𝑟𝑜𝑔𝑒𝑛𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒
+𝑜𝑥𝑦𝑔𝑒𝑛𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒
+𝑝ℎ𝑜𝑠𝑝ℎ𝑎𝑡𝑒𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒
+⋯
𝑐𝑢𝑙𝑡𝑢𝑟𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖𝑡𝑖𝑜𝑛 (𝑝𝐻,𝑇,𝑒𝑡𝑐.)
𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡 +𝑚𝑜𝑟𝑒𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠
Menentukan Laju Reaksi
Persamaan Monod
• Persamaan laju pertumbuhan sel mengikutialur mekanisme sel sebagai berikut:
𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 + 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑚𝑜𝑟𝑒 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑠 + 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡
• Persamaan Monod untuk pertumbuhaneksponensial (log phase) adalah sebagaiberikut
𝑟𝑔 = 𝜇 𝐶𝑐dimana 𝑟𝑔 adalah cell growth rate (g/dm3.s)𝐶𝑐 adalah cell concentration (g/dm3)𝜇 adalah specific growth rate (s-1).
Laju Pertumbuhan Spesifik
• Laju pertumbuhan spesifik 𝜇 dapatditunjukkan dengan persamaan
𝜇 = 𝜇𝑚𝑎𝑥
𝐶𝑠𝑘𝑠 + 𝐶𝑠
• 𝜇𝑚𝑎𝑥 adalah laju reaksi pertumbuhanspesifik maksimum (s-1)
• 𝑘𝑠 adalah konstanta Monod (g/dm3)• 𝐶𝑠 adalah konsentrasi substrat (g/dm3)• Nilai 𝜇𝑚𝑎𝑥 dan 𝑘𝑠 yang biasa digunakan,
masing-masing, adalah 1,3 h-1 dan 2,2 x 10-5mol/dm3.
• Apabila persamaan Monod dan laju pertumbuhan spesifik digabungkan maka didapatkan persamaan
𝑟𝑔 = 𝜇𝑚𝑎𝑥
𝐶𝑠 𝐶𝑐𝑘𝑠 + 𝐶𝑠
• Apabila konstanta 𝑘𝑠 kecil maka 𝑟𝑔= 𝜇𝑚𝑎𝑥 𝐶𝑐.
• Inhibitor produk dapat mempengaruhi pertumbuhan sel sebagai contoh fermentasi glukosa yang memproduksi etanol dan diinhibisi oleh etanol itu sendiri.
• Maka persamaan empirisnya adalah
𝑟𝑔 =𝑘𝑜𝑏𝑠 𝜇𝑚𝑎𝑥𝐶𝑠 𝐶𝑐
𝑘𝑠 + 𝐶𝑠
Monod + Laju PertumbuhanSpesifik
Persamaan-Persamaan LajuPertumbuhan Sel
• Persamaan lain untuk menentukan laju pertumbuhan sel adalah persamaan Tessier, yakni
𝑟𝑔 = 𝜇𝑚𝑎𝑥 1 − exp −𝐶𝑠𝑘
𝐶𝑐
• dan Persamaan Moser
𝑟𝑔 = 𝜇𝑚𝑎𝑥
𝐶𝑐
1 + 𝑘𝐶𝑠−𝜆
• dimana λ dan k adalah konstanta empiris.• Persamaan Moser dan Tessier sering digunakan
karena keduanya menemukan data eksperimen yang tepat dan lebih baik pada awal atau akhir fermentasi.
Fase Kematian Sel
• Pada fase kematian sel persamaan lajunyamenjadi
𝑟𝑑 = 𝑘𝑑 + 𝑘𝑡𝐶𝑡 𝐶𝑐
• dimana 𝐶𝑡 adalah konsentrasi racun yangmengenai sel
• 𝑘𝑑 adalah kematian alami
• 𝑘𝑡 adalah kematian yang disebabkan oleh racun
• Nilai representatif 𝑘𝑑 berada di antara 0,1 h-1
hingga di bawah dari 0,0005 h-1, sedangkan 𝑘𝑡merupakan racun alam.
5. Bagaimana Anda menghitung laju
reaksi dari suatu data konsentrasi
menggunakan diferensiasi grafis?
Berikan contohnya!
Hukum Laju dari Grafik Konsentrasi Terhadap Waktu
• Reaksi pada orde 0
• Terbentuk garis yang linier
• Laju reaki (r) = d[A]/dt = k
[A] versus t
• Reaksi pada orde 1
• Terbentuk garis yang linier
• Laju reaki (r) = d[A]/dt = k [A]
ln [A] versus t
• Reaksi pada orde 2
• Laju reaki (r) = d[A]/dt = k[A]2
1 / [A] versus t
(sumber: http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howt
osolveit/Kinetics/CalculatingRates.html#Top)
Metode untuk menentukan tingkat reaksi.
Perubahan konsentrasi pereaksi dalam selang waktu tertentu
Penggunaan persamaan laju secara langsung.
Metode Differensial
dengan mengukur laju perubahan konsentrasi reaktan terhadapwaktu
a A + b B → c C + dD
perubahan konsentrasi reaktan terhadap waktu
selama reaksi berlangsung
Diferensiasi grafis dari data konsentrasi dengan
menggambar tangent
Menentukan Laju Reaksi denganMetode Diferensiasi Grafis
Langkah - Langkah
Menebak bentukpersamaan reaksi
serta orde reaksinya
Menyusun neraca massa Membuat grafik
Garis Tidak Lurus
Garis LurusMetode Least
Square
Pada metoda diferensial, variable dalam bentuk derivatif yang besarnyadapat dicari dengan metoda numeris :
t
CC
t
CC
t
Limit
dt
dC iitttAAAA
A
1
0
100 ml larutan A dengan konsentrasi A 10 gmol/Ldalam reaktor bereaksi membentuk B, selamaterjadi reaksi diamati konsentrasi A, diperoleh datasebagai berikut :
Contoh Soal
Waktu (menit) CA(gmol/L)
5 6,8
10 4,9
15 4,0
20 3,2
25 2,9
30 2,5
Bagaimana bentuk persamaan kecepatan reaksinya, tentukan lajureaksi dan konstanta kecepatan reaksinya!
1. Menentukan orde reaksi
Untuk menentukan, dilakukan percobaanterhadap orde reaksi, percobaan pertamaterhadap reaksi orde 1 dengan persamaankecepatan reaksi :
rA= kCA
2. Menyusun neraca massa
Kecepatanbahan masuk
−Kecepatanbahan Keluar
−Kecepatan
bahan bereaksi=
Kecepatanakumulasi
dt
VdCVkC A
A 00
Volume dianggap konstan, maka :
dt
dCkC A
A 00
Persamaan Derivatif linier
Untuk membuat grafik tersebut diperlukanpengolahan data konsentrasi A dan waktu menjadisehingga dihasilkan data sebagai berikut :
3. Membuat grafik
Waktu
(menit)CA (gmol/L) ĉA (gmol/L) -
5 6,8
5,85 0,38
10 4,9
4,45 0,18
15 4,0
3,60 0,16
20 3,2
3,05 0,06
25 2,9
2,70 0,008
30 2,5
dt
dCA
3. Membuat grafik
y = 0.1114x - 0.2802R² = 0.963
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5
-d
CA
/dt
CA
Grafik - dCA/dt vs CA
Grafik yang diperoleh telah mendekati garis lurus.
Kesimpulan
• Dari grafik tersebut , hubunganmendekati garis lurus maka bisadisimpulkan bahwa reaksi tersebutmerupakan reaksi orde satu denganpersaman kecepatan reaksi rA=kCA.
Nilai konstanta kecepatan reaksi (k)adalah slope dari garis tersebut k =0,118 (1/menit).
6. Bagaimana anda menjelaskan
hubungan kinetik untuk reaksi-reaksi
berorde nol, satu, dan Michaelis-
Menten?
Kinetika Orde Nol
• Reaksi dalam kinetika orde nol, mempunyai laju reaksi yang tidak dipengaruhi oleh konsentrasi reaktan. Berikut adalah persamaannya.
rA = k0
• Kita dapat menuliskan :
𝑘0 = 𝑘0′ 𝑒 atau 𝑘0 = 𝑘0
𝑛𝑥
Kinetika Orde Satu
• Laju reaksi dalam reaksi kinetika orde satu dipengaruhi oleh konsentrasi reaktan, berikut adalah hubungan antara laju reaksi dan konsentrasi reaktan :
𝑟A = 𝑘1𝐶A
Kita asumsikan suatu reaksi dalamsuatu sistem tertutup, dan beradadalam volume konstan, dan kita akanmengukur konsentrasi reaktan Asebagai fungsi waktu. Dibawah kondisi
tersebut, 𝑟A = −d𝐶A
d𝑡
• Untuk menentukan apakah reaksitersebut merupakan kinetika ordesatu, pertama-tama kitamengintegrasi persamaan diatas dan
𝑟A = −d𝐶A
d𝑡 lalu melakukan
pengecekan terhadap datakonsentrasi terhadap persamaanyang dihasilkan.
Memisahkan variabel dan mengintegrasi persamaan diatas dengan kondisi awal 𝐶A =𝐶A0 dengan t = 0 :
𝐶A = 𝐶A0 𝑒−𝑘1 𝑡
ln 𝐶A = ln 𝐶𝐴0 − 𝑘1 𝑡
Jadi, untuk reaksi orde satu, plot grafik dari ln 𝐶A terhadap waktu memberikan garis lurus dengan gradien −𝑘1.
• Kinetika Michaelis-Menten
Kinetika dari sebagian besar reaksi enzimatikmenggunakan persamaan Michaelis Menten:
𝑟A =𝑣max 𝐶A𝐾m+ 𝐶A
• Mekanisme Michaelis Menten biasanyadigunakan untuk reaksi katalis enzim denganpersamaan sebagai berikut :
Pada saat kecepatannya menjadimaksimum sehingga:
Enzyme Source SubstrateKm
(mM)
Alcohol
dehydrogenase
Saccharomyces
cerevisiae
Ethanol 13,0
α-Amylase Bacillus
stearothermophilus
Starch 1,0
Porcine pancreas Starch 0,4
β-Amylase Sweet potato Amylose 0,07
Aspartase Bacillus cadaveris L-Aspartate 30,0
β-Galactosidase Escherichia coli Lactose 3,85
Glucose oxidase Aspergillus niger D-Glucose 33,0
Penicillium notatum D-Glucose 9,6
Histidase Pseudomonas fluorescens L-Histidine 8,9
Invertase Saccharomyces
cerevisiae
Sucrose 9,1
Neurospora crassa Sucrose 6,1
Lactate
dehydrogenase
Bacillus subtilis Lactate 30,0
Penicillinase Bacillus licheniformis Benzylpenicillin 0,049
Urease Jack bean Urea 10,5
Konstanta Michaelis untuk enzim tertentu. Sumber : B. Atkinson andF. Mavituna, 1991, Biochemical Engineering and Biotechnology Handbook, 2nd edn, Macmillan, Basingstoke
• Michaelis-Menten, yang akandibahasi disini adalah reaksisederhana yang dari sifat kinetik daribanyak enzim adalah :
• Persamaan Michaelis-Menten adalah persamaanpaling baik yang dapat mendeskripsikan kinetikadari berbagai enzim yang dipakai di industri,walaupun ada pengecualian terhadap enzimseperti glucose isomerase dan amyloglucosidase.
• Saat konsentrasi substrat [S] jauh lebih kecildaripada konstanta Michaelis-Menten Km, lajureaksi berbanding lurus dengan konsentrasisubstrat. Ini merupakan laju reaksi orde satusehubungan dengan substrat.
• Saat konsentrasi substrat [S] jauh lebih besardaripada konstanta Michaelis-Menten Km, lajureaksinya konstan dan sama dengan lajumaksimum (Vmax). Laju reaksi tidak bergantungpada konsentrasi substrat. Ini merupakan lajureaksi orde nol terhadap substrat.
7. Bagaimana anda menentukan
parameter kinetika enzimatik,
Vmax dan Km dari suatu data
konsentrasi? Berikan contoh!
Reaksi Enzimatik
• Reaksi enzimatik merupakan suatu reaksiyang melibatkan enzim sebagai katalis.
• Enzim berfungsi sebagai katalis yang akanmembuat reaksi berlangsung lebih cepatuntuk menghasilkan produk.
• Peneliti yang bernama Leoner Michaelisdan Maud Menten mengajukan suatumodel untuk suatu reaksi enzimatik. Berikut ini adalah reaksi yang digambarkan oleh Michaelis-Menten:
PEESSE
k
1
k2
k1'
Peneliti yang bernama Leoner Michaelis dan MaudMenten mengajukan suatu model untuk suatu raksienzimatik. Berikut ini adalah reaksi yangdigambarkan oleh Michaelis-Menten:
PEESSE k1 k2
k1'
][][
2 ESkvdt
Pd ][]][[]][[
][2'11 ESkSEkSEk
dt
ESd
Laju Pembentukan Produk
][][][][][][ ESEEESEE tottot
Enzim berperan sebagai katalis, sehingga konsentrasi enzimitu tetap atau dapat dikatakan tidak terkonsumsi makapersamaan konsentrasi enzim dapat dituliskan menjadisebagaiberikut:
Dari reaksi diatas, kita dapat mendapatkan persamaan lajupembentukan produk dan kompleks substrat-enzim sebagaiberikut:
Laju Pembentukan KompleksSubstrat-Enzim
PEESSE k1 k2
k1'
Reaksi yang menggunakan enzim sebagai katalis,akan menghasilkan grafik seperti berikut ini jika kitalakukan plot antara laju pembentukan produkterhadap konsentrasi substrat:
Keterangan : Km adalah konstanta MichaelisMenten (Konsentrasi substrat dimana kecepatansudah mencapai ½ kecepatan maksimal.
Plot Michaelis - Menten
• Vmax dan Km dapat ditentukan dari grafik, Vmax
adalah sebagai laju s~ dan Km nilai dari s saatV=Vmax/2. Pengakurasian metode ini memilikikelemahan karena sulit untuk menentukan tmx.
Plot Lineweaver - Burk
• Metode ini digunakan untuk langkah linearisasiuntuk menghasilkan plot garis lurus yang bisamenentukan Vmax dan Km dengan persamaan:
1
𝑉=
𝐾𝑚𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆
+1
𝑉𝑚𝑎𝑥
• Sehingga plot dari 1/v vs 1/s harus menghasilkangaris lurus dengan slop Km/Vmax dan intercept1/Vmax. Plot ini dikenal sebagai Lineweaver-Burkplot. Bagaimanapun juga, proses linearisasi yangdigunakan pada data eksperimen error pada v,sehingga kesalahan ini diperkuat padakonsentrasi substrat yang rendah.
Plot Eadie - Hofstee
• Jika persamaan1
𝑉=
𝐾𝑚
𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆+
1
𝑉𝑚𝑎𝑥dikalikan dengan
𝑉(𝑉𝑚𝑎𝑥
𝐾𝑚), dan kemudian disusun, bentuk linearisasi
lainnya dari persamaan Michaelis-Menten adalah𝑉
𝑆=𝑉𝑚𝑎𝑥
𝐾𝑚−
𝑉
𝐾𝑚• Pada persamaan di atas, plot v/s versus Vmax/Km
akan menghasilkan garis lurus dengan slop -1/Km
dan intercept Vmax/Km yang dikenal dengan Eadie-Hofstee plot. Seperti plot Lineweaver-burk, Eadie-Hofstee linearisasi mendistorsi kesalahan dalamdata, sehingga metode ini telah mengurangiakurasi.
Plot Langmuir
• Dengan mengalikan persamaan1
𝑉=
𝐾𝑚
𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆+
1
𝑉𝑚𝑎𝑥dengan S, maka bentuk linearisasi
persamaan Michaelis-Menten menjadi Langmuiradalah:
𝑆
𝑉=
𝐾𝑚𝑉𝑚𝑎𝑥
+𝑆
𝑉𝑚𝑎𝑥
• Sehingga sebuah plot Langmuir pada S/V versus Sharus menghasilkan garis lurus dengan slop1/Vmax dan intercept Km/Vmax. Linearisasi darimetode ini menghasilkan kesalahan yang kecil,sehingga metode Langmuir direkomendasikanmetode untuk menentukan Km dan Vmax.
Direct Linear PlotGaris lurus dihasilkan pada (-s,v) akan mendapatkan titik yang unik(Km dan Vmax), yaitu dimana semua hasil garis lurus dari –S dan Vakan menghasilkan titik potong yang banyak di suatu titik. Ketikadata yang diplot mengandung kesalahan, maka akan diperoleh titikpersimpangan. Setiap persimpangan akan memberikan suatu nilaiperkiraan Vmax dan Km, kemudian median Vmax dan Km yangdijadikan sebagai parameter kinetik reaksi.
Contoh soalLaktosa yang juga dikenal sebagai β-galactosidase, yang
mengkatalis hidrolisis laktosa untuk memproduksiglukosa dan galaktosa dari susu. Eksperimen dilakukan
untuk menentukan parameter kinetik untuk enzim.
Konsentrasi Laktosa
(mol/L)
Initial reaction velocity
(mol-1 min-1 x 103)
0,0250 1,94
0,0227 1,91
0,0184 1,85
0,0135 1,80
0,0125 1,78
0,00730 1,46
0,00460 1,17
0,00204 0,779
• Untuk menentukan parameter kinetika enzimdengan metode Langmuir, Langmuir Plot dengan
mengalikan persamaan1
𝑉=
𝐾𝑚
𝑉𝑚𝑎𝑥𝑆+
1
𝑉𝑚𝑎𝑥dengan
s, maka bentuk linearisasi persamaan Michaelis-Menten menjadi Langmuir adalah :
𝑆
𝑉=
𝐾𝑚𝑉𝑚𝑎𝑥
+𝑆
𝑉𝑚𝑎𝑥
• Sehingga sebuah plot Langmuir pada s/v versus sharus menghasilkan garis lurus dengan slop1/vmax dan intercept Km/Vmax. Linearisasi darimetode ini menghasilkan kesalahan yang kecil,sehingga metode Langmuir direkomendasikansebagai metode untuk menentukan Km dan Vmax.
s (mol/L) s/v (min)
0,0250 12,89
0,0227 11,88
0,0184 9,95
0,0135 7,50
0,0125 7,02
0,00730 5,00
0,00460 3,93
0,00204 2,62
y = 444,8x + 1,702R² = 0.9984
0
2
4
6
8
10
0.00204 0.0046 0.0073 0.0125 0.0135
S/V
(m
in)
S (mol/L)
Hubungan S/V vs S dalam Reaksi Hidrolisis Laktosa
Data Plot Langmuir
Gambar Grafik Plot Data Perhitungan Langmuir
Persamaan garis pada grafik adalah
y = 444,8x + 1,702
•1
𝑉𝑚𝑎𝑥= 445 mol-1 min
• Vmax = 2,25 × 10-3 mol min-1
•𝐾𝑚
𝑉𝑚𝑎𝑥= 1,70
• Km = 1,70 × 2,25 ×10-3 = 3,83 ×10-3 mol-1
• Jadi Km bernilai 3,83 ×10-3 mol-1 dan Vmax =2,25 ×10-3 mol min-1
• Enzim umumnya merupakan proteinglobular. Aktivitas enzim ditentukan olehstruktur tiga dimensinya (strukturkuaterner). Walaupun struktur enzimmenentukan fungsinya, prediksi aktivitas enzimbaru yang hanya dilihat dari strukturnya adalahhal yang sangat sulit.
• Kebanyakan enzim berukuran lebih besardaripada substratnya. Enzim terdiri dari sisiaktif dan inaktif.
• Enzim merupakan rantai asam aminoyang melipat. Tiap-tiap urutan asam aminomenghasilkan struktur pelipatan dan sifat-sifatkimiawi yang khas.
Enzim
Enzim adalah biomolekul berupa proteinyang berfungsi sebagai katalis (senyawayang mempercepat proses reaksi tanpahabis bereaksi) dalam suatu reaksibiokimia. Hal ini akan menyebabkanzat awal yang disebut substrat akandipercepat perubahannya menjadimolekul lain yang disebut produk.
E + S ES E + P
Reaksi Enzimatik
• Pada reaksi antara substrat dan enzim, saatterjadi pemanasan, aktivitas enzim meningkat,sehingga terjadi gerakan termodinamik atautumbukan antara substrat dan enzim.
• Pada suhu rendah, aktivitas enzim rendah,bahkan bisa berhenti sama sekali.
• Pada suhu diatas suhu optimum, aktivitasenzim menurun karena terjadi denaturasi padaenzim.
• Karena enzim tersusun dari protein maka enzimsangat peka terhadap temperatur. Temperaturterlalu tinggi dapat menyebabkan denaturasiprotein.
Pengaruh Temperatur
KIRI
Molekul enzim & substrat bergeraklambat. Dengan naiknya suhu, energikinetik mereka meningkat dan gerakanyang terjadi lebih cepat . Semakin tinggisuhu, semakin cepat gerakan dan lebihsering terjadi tabrakan danmenyebabkan reaksi berlangsung lebihcepat.
TENGAH
Suhu terbaik untuk reaksi, disebut suhuoptimum.
KANAN
Setelah mencapai suhu optimum, lajureaksi mulai melambat. Hal ini karenaenzim molekul mulai didenaturasi dantidak lagi cocok menjadi situs aktif,sampai akhirnya tidak ada reaksi terjadisama sekali.
Hampir semua enzim memilikiaktivitas optimum pada suhu sekitar
30oC & denaturasi dimulai padatemperatur 45oC (Winarno,1986).
Pengaruh Temperatur
Hubungan antara suhu dan laju reaksi secaraempiris dinyatakan dengan ketetapanArrhenius
k : Laju ReaksiA : Tetapan Arrhenius R : Konstanta gas (1,987 kal / g-mole K)T : Temperatur KEA : Energi Aktivasi ( J mol-1)
Perhitungan Laju Reaksi
Perubahan nilai k terhadapperubahan suhu (T) yang
dinyatakan dalam hubunganArrhenius
Hubungan Arrhenius
Contoh
• Dari data tabel di bawah ini terlihat bahwabeberapa enzim memiliki suhu optimalyang berbeda-beda dan bervariasitergantung pada jenis enzim itu sendiri.
• Dari tabel Hasil Pengamatan Pegaruh SuhuTerhadap Aktivitas Enzim Amilase yangdiambil dari hasil praktikum Biokimia Gizi(IPB 2013) di bawah ini, dapat terlihatbahwa enzim amylase memiliki suhuoptimum dan bekerja efektif pada suhu25oC.
Tabel Hasil Pengamatan Pegaruh SuhuTerhadap Aktivitas Enzim Amilase (IPB, 2013)
Suhu (oC) ∆A / menit (V)
0 0,106
25 0,146
Suhu Ruang 0,043
37 0,047
60 0,038
100 0,031
9. Bagaimana menghitung yields pada
kultur sel dan peran pentingnya
sebagai salah satu parameter kinetika
reaksi?
Konsep Dasar Yield
(theoritical yield)
FaktorYield
Nutrisi yang dibutuhkan
Karakteristik produksi
BiayaProduksi
Definisi
• Yield merupakan suatu koefisien yangberguna untuk menghubungkan substratterkonsumsi, sel-sel baru yang dihasilkan,dan produk yang dihasilkan.
• Ketika kita mengikutsertakan prosespertumbuhan sel pada perhitunganmaka akan menggunakan banyak enzimdan konversi kimia. Meskipun kompleks,prinsip-prinsip yield dapat diterapkan untukmetabolisme yang berkaitan dengan aliransubstrat untuk pembentukan biomassa.Yield terkespresikan dengan menggunakankoefisien yield atau faktor yield
YFG = faktor yieldΔF = massa yang diproduksiΔG = massa yang dikonsumsi
Pada kultur sel, nilai ΔF dan ΔG dihitung sebagaiperbedaan antara nilai awal dan nilai akhir.Nilai ini merepresentasikan sebagai nilai rata-rata seluruh yield dari keseluruhan langkah.
Koefisien Yield
YFG
Yxs
Sebagai contoh, YXS pada suatu waktu tertentu:
Yield akan bervariasi pada setiap periode, oleh karena itu selain harusmenghitung nilai keseluruhan yield kita juga harus menghitung nilai yieldpada titik waktu tertentu.
Instaneous Yield
Massa atau mol produk yang terbentuk per satuan massa atau mol substrat dikonsumsi.YPS
Massa atau mol biomassa yang dihasilkan per satuan massa atau mol substrat dikonsumsi.YXS
X = biomassaS = substratP = produk
C = karbon dioksida (carbon dioxyde)O = oksigen
Macam-macam Yield
Massa atau mol karbon dioksida yang
terbentuk per satuan massa atau mol substrat
dikonsumsi.
YCS
YPX
Massa atau mol produk yang terbentuk per satuan
massa atau mol biomasa terbentuk.
Massa atau mol biomasa yang terbentuk per
satuan massa atau mol oksigen yang dikonsumsi.YXO
RQRespiratory Quotient. Mol karbon dioksida yang
terbentuk per mol dikonsumsi oksigen. Hasil ini
disebut hasil bagi pernafasan.
Massa atau mol biomassa terbentuk per mol ATP
terbentuk.
Massa atau mol biomassa yang terbentuk per kilo
kalori panas yang berkembang selama fermentasi.YCAL
YATP
Biomass Yield
Biomass yield dipengaruhi oleh banyak faktor, seperti:- komposisi medium- sumber karbon dan nitrogen- pH - temperatur
MW cell = biomass formula-weight ditambah residucatatan: tidak terdapat extracellular product
10. Bagaimana anda mengevaluasi
proses kultivasi sel, mulai dari
pertumbuhan sel, serapan substrat
hingga laju produksinya?
Kultivasi Sel
• Kultivasi adalah menumbuhkan sel/ bakteri dalam biakan murni
• Hal yang perlu diperhatikan untukmengevaluasi proses kultivasi sel:
Laju Pertumbuhan
Serapan Substrat
Laju Produksi Biomassa
Laju Pertumbuhan Sel
Hal yang perlu diketahui: konsentrasi sel
Metode pengukuran konsentrasi sel:
Metode pengukuran langsung jumlah sel
Metode pengukuran berat kering sel
Metode turbidity (tingkat kekeruhan kultur)
Metode pengukuran produk yang terbentuk
Terlepas dari metode di atas, terdapatsuatu teknik pengukuran konsentrasi sel,yaitu diferensiasi grafik konsentrasi.
Diferensiasi Grafik Konsentrasi
• Berguna untuk -> menyatakan laju pertumbuhanvolumetrik (rx) dalam kultur batch.
Ketika rx diketahui, maka laju pertumbuhan spesifik(μ) dapat dihitung dengan membagi rx terhadapkonsentrasi sel.
μ = rx /x
• Laju volumetrik serapan substrat dan pembentukanproduk, rS dan rP, juga dapat dievaluasi dengan metodediferensiasi grafik konsentrasi substrat dan produk.
Ketika rS dan rP diketahui, laju pembentukan produkspesifik qP dan laju serapan substrat spesifik qS dapatdiperoleh dengan membagi laju volumetriknyamasing-masing terhadap konsentrasi sel.
Diferensiasi Grafik Konsentrasi
(Sumber: Pauline M. Doran, 2002)
Diferensiasigrafik pada
sistem kultur batch.
Kinetika Serapan Substrat Sel
• Tidak hanya untuk pertumbuhan sertapembentukan (sintesis) produk, penambahansubstrat juga ditujukan untuk mengenerasi energiuntuk menjaga aktivitas selnya.
• Laju spesifik serapan substrat untuk menjagaaktivitas sel dikenal sebagai maintenancecoefficient (mS).
• Dimensi untuk mS adalah T-1 dengan satuan (kgbiomassa)-1s-1. Nilai koefisien ini berbeda padaorganisme dan kondisi kulturnya.
Maintenance coefficient beberapa organisme dengan glukosa sebagai energi
(Sumber: Pauline M. Doran, 2002)
Kinetika Serapan Substrat Sel
• Persamaan laju serapan substrat sebagaifungsi dari konsentrasi biomassa:
Keterangan:rs = laju volumetrik konsumsi substrat (kgm-3s-1)
qS = laju spesifik serapan substrat
x = konsentrasi biomassa.
rs = qS x
Kinetika Serapan Substrat Sel
• Pada kondisi dimana tidak terjadi pembentukanproduk, diasumsikan jika seluruh substratdigunakan untuk pertumbuhan dan fungsipemeliharaan (maintenance), persamaan lajuaktivitas selnya adalah:
Keterangan:
rX = laju volumetrik pembentukan biomassa
YXS = yield biomassa dari substrat
mS = maintenance coefficient
x = konsentrasi biomassa
Kinetika Serapan Substrat Sel
• Untuk kondisi dimana terjadi pembentukansubstrat yang disertai dengan metabolismeenergi, laju konsumsi substrat merupakan fungsidari 3 faktor, yaitu laju pertumbuhan, lajupembentukan produk, dan laju serapan substratuntuk pemeliharaan (maintenance).Persamaannya, yaitu:
Keterangan:rS =laju volumetrik konsumsi substratrP =laju volumetrik pembentukan produkYPS = yield produk dari substrat.
Daftar Pustaka
• Anonim. Inhibition of Enzyme Activity [pdf]. Terdapat pada <http://www.csun.edu/~hcchm001/5enzyme.pdf> diakses pada 17 April 2016.
• Anonim.2009. Teknik Fermentasi. <akademik.che.itb.ac.id/ /fer-teknik-fermentasi.pdf>. [ONLINE]. Diakses padatanggal 18 April 2016.
• Doran, Pauline M., 1995. Bioprocess Engineering Principles. Elsevier Science & Technology Books
• Fogler, H. Scott. 2006. Elements of Chemical Reaction Engineering 4th edition. USA: Pearson Education, Inc.
• Julianti, Elisa., 2013. Kinetika Pertumbuhan Mikroba [pdf] Terdapat pada <http://elisajulianti.files.wordpress.com/2013/03/kinetika-pertumbuhan-mikroba.pdf> diakses pada 17 April 2016