KIMIA BAHAN ALAM
PRODUKSI KIMIA ALAM
Sebuah definisi yang tepat dari 'produk alami' yang bisa menjadi masalah untuk kontroversi, karena tujuan buku ini kita akan masukan berbagai zat organik yang terpisah dari organisme hidup atau dari bahan-bahan yang berasal dari organisme hidup. Semua organisme hidup, dari protozoon sederhana ke protozoon mamalia yang paling maju, mengandung berbagai macam senyawa karbon, dan dalam istilah ilmiah ketat kehidupan itu sendiri terdiri dari serangkaian reaksi kimia utama yang melibatkan senyawa-senyawa karbon. Meskipun jumlah dan variasi senyawa yang terpisah dari materi hidup yang sangat besar, fakta yang paling mencolok adalah bahwa jenis-jenis senyawa yang sama umumnya untuk semua kehidupan seperti yang kita kenal. Bahkan bukti kimia dari sumber lain. Awalnya, ahli kimia khawatir dengan isolasi senyawa dari bahan alam dan kemudian dengan pembentukan struktur mereka. Hal ini biasanya dilakukan dengan menggunakan teknik degradatif seperti yang dijelaskan dalam Bab 26 dari Bagian 2. Bukti akhir dari struktur itu kemudian berusaha dengan mencoba sintesis total dari produk alami dari bahan yang relatif sederhana. Ini 'zaman heroik' kimia organik berlangsung dari sintesis Wohler dari urea pada tahun 1828 sampai dekade terakhir. Bagian yang lebih besar dari kimia organik seperti yang kita kenal sekarang berasal dari studi tentang produk alami. Hari ini struktur senyawa kompleks dapat ditentukan dengan pasti jauh lebih besar dan kecepatan dengan metode fisik, terutama difraksi sinar-X (Bagian 2, hal 385), dan hanya bahan-bahan yang masih mengharuskan penggunaan metode klasik degradasi adalah polimer amorf. Sintesis produk alami, selain dari memuaskan keinginan penggemar untuk meniru alam, juga sangat penting dalam pembuatan senyawa aktif fisiologis. Setelah rute sintetis telah dikembangkan mungkin diperluas untuk membuatnya sedikit.
Pelajaran tentang bahan alam diawali dengan isolasi, identifikasi, dan klasifikasi senyawa yang terdapat didalamnya dan hubungannya dengan materi hidup. Pekerjaan jenis ini mempunyai hubungan dengan tumbuhan atau memeriksa fisiologi dari peninggalan yang penting, tetapi banyak ahli kimia organik bekerja dalam bidang kimia bahan alam sekarang sedang perhatian pada reaksi-reaksi kimia yang terdapat dalam sel hidup dan batasan antara kimia organik, kimia biologi, dan biokimia yang perkembangannya masih samar-samar. Perkembangan penting dalam tahun ini adalah telah di pelajari biosintesis, suatu jalan dimana organisme membentuk molekul kompleks dari molekul yang sederhana.jalur utama yang dimiliki sekarang sebagian besar telah diidentifikasi dan lagi-lagi yang sangat menyolok untuk menemukan rangkaian dasar yang umum dalam materi hidup. Perkembangan ini membolehkan kita untuk mengambil perhatian baru pada klasifikasi senyawa yang dibuat pada masa lalu. Awalnya, senyawa dapat diklasifikasikan bersama karena struktur kimia dari mereka hamper sama (seperti, karbohidrat, steroid,dll), atau karena aktivitas fisiologi yang sama (seperti, vitamin, antibody, dll) atau karena mereka diturunkan dari sumber yang sama (seperti, membentuk metabolisme) sekarang kita dapat menggantikan pengelompokan tersebut dengan suatu klasifikasi atas dasar biosintesis, pengelompokan senyawa secara bersama sesuai dengan jalan yang mana mereka diturunkan. Sering kali klasifikasi biosintesis sangat dekat dengan klasifikasi lama menurut lembaga kimia, tetapi dengan adanya klasifikasi sintesis telah menambahkan suatu dimensi yang penting untuk klasifikasi senyawa.
Biosintesis
Produk alam alam organik disusun oleh karbon, hydrogen, dan atom oksigen ; seringkali ada juga atom nitrogen, sedikit sulfur, fosfor, klor,brom, dan iodine. Senyawa organik logam, khususnya kompleks logam juga terdapat di dalamnya. Sumber dari semua elamen ini adalah tanah, laut, dan udara
Sangat baik apabila kita memulai dengan perubahan karbondioksida dan air menjadi karbohidrat (seperti glukosa C6H12O6) dan oksigen. Perubahan ini hanya terjadik dalam tumbuhan dan algaa dan sedikit bakteri. Proses ini merupakan proses endotermis dan tumbuhan memperoleh energi untuk proses ini dari cahaya matahari. Itulah sebabnya, proses ini disebut “fotosintesis”. Semua energi yang dibutuhkan untuk sintesis senyawa kompleks lainnya dan untuk proses khusus lainnya seperti pergerakan hewan, semuanya berasal dari matahari melalui fotosintesis. Organisme yang tidak dapat mengabsorbsi cahaya, contohnya hewan, memperoleh energi untuk kebutuhan proses ini melalui oksidasi senyawa kompleks, seperti karbohidrat disintesis oleh tumbuhan, kembali lagi menjadi karbondioksida dan air dengan menggunakan oksigen. Itulah sebabnya, siklus ini di kenal dengan ‘siklus karbon”. Karbon dioksida dan air yang telah diubah melalui proses fotosintesis dalam tumbuhan menjadi molekul oksigen dan molekul organik kompleks seperti karbohidrat; molekul organik kompleks ini kemudian diturunkan kembali menjadi karbondioksida dan air dengan melepaskan energi kimia yang dapat digunakan untuk sintesis molekul organik lainnya atau pada hewan, dapat digunakan sebagai cadangan energi untuk proses lainnya.itulah sebabnya Tumbuhan dan hewan saling melengkapi satu dengan yang lain sehingga dapat menyeimbangkan karbondioksida dan oksigen didalam atmosfer.
Jalur biosintesis yang penting di tunjukan dalam gambar 1.1. karbon dioksida dari udara di ubah melalui fotosintesis dalam tumbuhan menjadi karbohidrat. Senyawa ini sangat penting sebagai zat pembangun dalam tumbuhan dan sebagian hewan; mereka juga dibentuk menjadi “energi cadangan”. Mereka(karbohidrat) akan dibahas dalam bagian 2. Keduanya, baik tumbuhan yang membuat karbohidarat maupun hewan, yang memakan karbohidrat, menggunakan karbohidrat untuk membuat senyawa karbon lainnya. Dalam semua mahluk hidup, langkah inisial dari proses ini adalah oksidasi,glukosa membentuk dua molekul asam piruvat yang kemudian dioksidasi menjadi asam asetat. Bagian kecil ini digunakan untuk membuat molekul yang besar. Kondensasi dari asam asetat dapat menghasilkan asam lemak dan polikatides dan beberapa senyawa aromatik (bagian 4), merupakan kondensasi yang berbeda dengan reduksi asam mevalonat yang diubah menjadi terpena seperti karet atau kolesterol (bagian 5).gabungan dari asam piruvat dengan karbohidrat dengan empat atom C eritrosa menghasilkan asam sikamat yang bergabung dengan unit asam piruvat lain menghasilkan asam prephenic. Ini adalah dua siklus senyawa yang diubah menjadi sebagian besar senyawa aromatic seperti asam amino tirosin, dan tritophan, asam sinamat, dan ligin, yang sangat penting sebagai zat pembangun dalam tumbuhan (bagian 3). Asam piruvat sendiri dapat diganti menjadi asam amino seperti alanin dan glisin, dan asam asetat menjadi yang lain seperti asam glutamat. Asam amino dapat digunakan untuk membuat protein (bagian 6) atau alkanoid (bagian 7), dan glisin dapat diubah menjadi purin dan juga menjadi asam nukleat (bagian 8)
Sumber dari nitrogen yang kemudian dapat digunakan untuk membuat asam amino adalah nitrogen yang berada dalam atmosfer dan konversi dari nitrogen atmosfir ini menjadi campuran yang mengandung nitrogen disebut dengan fiksasi nitrogen. Nitrogen dapat dioksidasi menjadi nitrat atau direduksi menjadi amoniak. Proses selanjutnya adalah yang terpenting untuk dua proses biologis, meskipun kedua-duanya terjadi. Reduksi nitrogen menjadi amoniak terutama dilakukan oleh bakteri yang tinggal di bongkol-bongkol kecil dalam akar dari tumbuhan tertentu; mekanisme yang tepat dari fiksasi biologis ini belum sepenuhnya diuraikan walaupun sebagian besarnya telah dikenal. Diperkirakan sekitar seratus juta ton nitrogen dihasilkan oleh bakteri ini diseluruh dunia setiap tahun. Kira-kira 94% nitrogen yang tersedia berasal dari bahan makanan; sisanya 6% tersedia dalam wujud pupuk anorganik yang disintesis oleh industri kimia. Amoniak direaksikan dengan fosfat dan karbon dioksida menghasilkan carbomyl fosfat. Ini kemudian digunakan untuk mengkonversi asam keto yang disebut piruvat menjadi asam amino yang disebut alanin.
Gambar 1.1 memberikan gambaran sederhana rute biositesis yang utama. Banyak material alami dibuat dengan mereaksikan derivat karbon dari asam shikimic dengan derivat dari asam melavonic atau poliketida, atau asam melavonic dengan asam amino atau karbohidrat. Banyak rute singkat dari biosintesis sekarang sudah cukup dijelaskan dengan baik dan kita harus dapat menguji bagaimana hal ini bisa dilakukan.
Penetapan Urutan Biosintesis
Diberikan struktur suatu produk alami, pengetahuan tentang unsur dalam sel hidup , dan pengetahuan tentang reaksi kimia organik, seseorang dapat membuat terkaan tentang alur biosintesis yang mungkin. Intuisi ahli kimia seperti Robinson dan Birch cukup luar biasa, dan banyak hipotetis mereka, hanya berdasarkan pada informasi macam ini , setelah itu telah dibuktikan.
Metoda utama dari penetapan suatu urutan biosintesis adalah penggunaan pengusut isotopik. Jika kita percaya bahwa unsur A, sebagai contoh glukosa 6- fosfat, dapat dirubah oleh sel hidup menjadi unsur B, sebagai contoh fruktosa 6-fosfat, yaitu bahwa A menjadi B, kita bisa berharap untuk menetapkan ini dengan memperkenalkan A ke dalam beberapa sel yang berisi atom bertanda, dan bisa diidentifikasi karena walaupun mereka memiliki massa yang berbeda atau radioaktifitas yang berbeda namun secara kimiawi mereka hampir serupa. Sebagai contoh, kita mungkin mengetahui dalam sel glukosa 6-fosfat berisi 2H, 3H, 13C, 14C, 18O, atau 32P. jika, setelah beberapa waktu, fruktosa 6-fosfat terisolasi dari sel dan ditemukan berisi atom bertanda, kita dapat menyimpulkan bahwa sel tersebut mungkin dapat mengkonversi glukosa 6-fosfat menjadi fruktosa 6-fosfat. Jika kita mengetahui posisi atom bertanda dalam kedua unsur tersebut kita dapat memperoleh informasi lebih lanjut tentang detil conversi tersebut.
Ada beberapa kesulitan dalam penggunaan prosedur ini, tanda label harus disatukan dengan label-label yang ditunjukan letak dan jumlah label pada setiap posisi pembuatan. Tandanya harus diketahui pada organisme hidup, sebut saja tumbuhan. Hal ini tidak biasanya menjadi sebuah kemungkinan untuk mengenal sel secara langsung dimana hal ini dapat digunakan. Dan praktek umum dengan tanaman atau jamur dapat ditumbuhkan pada kandungan atmosfer contohnya CO2atau kandungan pelarut contonya CH3COONa. Sebagai kemungkinan, sebuah pelarut dari tanda mungkin diikuti agar dapat menapis sebuah sumbuh dilewati sampai sebuah batang atau benih kelopak.
Bagaimanapun, pemberian makanan senyawa agar lengkap seperti tanaman mungkin tidak pernah diadsorbsi oleh tanaman, mukin tidak pernah di traspor ke bagian tanaman dimana dimana sintesis produk akhir pada pembelajaran yang didapatkan atau mungkin sama sekali diturunkan enzim baru lainnya utnuk memberikan bagian-bagian terkecil yang tak bernilai. Sintesis produk menurut studi mungkin terjadi hanya pada waktu yang pasti dalam 1 tahun, membuat eksperimen pemberian makanan di lain waktu tak berguna. Masalah lain dengan organisme utuh adalah tentang label bahan makanan dicairkan dengan kolam tak berlabel dari bahan itu sudah dibarukan pada sel-sel dan dengan beberapa bahan diproduksi contohnya dalam fotosintesis, selama periode dari eksperimen.
Untuk menghindari beberapa masalah, mungkin diperlukan lankah-langkah untuk dikerjakan dengan isolasi organ atau jaringan, atau dengan pemeliharaan dari suatu pasangan sel, atau lebih baik, isolasi berasal dari larutan yang konsentrasinya tinggi didalam enzim dan co-faktor yang dibutuhkan untuk studi reaksi biosintesis. Sumber yang paling baik untuk digunakan dalam reaksi biosintesis yakni dengan menggunakan larutan yang hanya mengandung enzim murni, co-faktor, dan permukaan material.
Penggabungan dari labeled mencapai tanda, produk harus diisolasi, banyaknya jumlah dari pemberian tanda didalamnya menentukan jumlah dari keseluruhan molekul, dan lokasi yang sama dari tanda. Tandanya adalah 13C, ini dapat menjelaskan spectrum NMR dan campuran senyawa dari 13C dengan beberapa atom hydrogen yang berdekatan. Jika tandanya tidak sama/berbeda massa e,g 13C atau 2H, posisinya dijelaskan oleh teori pecahan atom menjadi spectrum massa dari beberapa zat kimia. Sebagian besar metode yang digunakan yakni radioaktif, 14C dan 3H. Untuk mendapatkan tanda tersebut molekul harus didegradasi secara spesifik untuk mendapatkan produk murni dari proses radioaktif berdasrkan ukurannya. Ini memerlukan pengetahuan tentang ilmu kimia serta bahan campuran senyawa, jadi isolasi dari atom secara spesifik dapat dilakukan.
Teknik ini dilakukan dengan pemberian tanda awal untuk menyusun atau membuat hubungan antra reaksi awal dan produk. Reaksi awal …oleh percobaan dan kesalahan, atau oleh intuisi. Eksperimen harus dilakukan untuk setiap tanda. Kegagalan dalam mencapai penggabungan mungkin diakibatkan dari kesalahan absorbs atau dari transport, dapat dilihatan dari tanda produk, sebenarnya tidak membuktikan adanya konfeksi, saat itu materi mengalami modifikasi atau tetap utuh sebelum atom tergabung. Pencaharian sebelumnya menemukan atau mungkin mendeteksi tanda yang lebih banyak dengan dua atau lebih tanda. Tidak sama dua bahan e.g. 14C, 2H, dan15N, didalam tidak sama bagian molekul. Perbandingan dari jumlah setiap tanda adalah sama didalam reaksi dan produk, molekul kiranya memasukan lebih/ tidak banyak dalam keadaan utuh. Larutan sederhana seperti asam cuka yang kompleks dapat membuat tanda yang sangat luas. Dari produk dimana hanya mengubah hasil produk, kemungkinan menghasilkan tanda sangat kecil, mungkin tidak lebih banyak dari 0,01%. Reaksi kompleks dapat diubah dalam produk akhir, dalam golongan kecil langkan biasanya memiliki golongan kecil mungkin alternative dan presentasi dari penggabungan dalam produk merupakan studi awal.
Teknik kedua yang terpenting didalam menentukan biosintesikntesis, yakni membuat urutan berupa nomor dari produk yang diketahui bentuknya. Sebagai contoh zat A, B, dan C merupakan bagian dari biosintesis. Urutannya A→B→C, dan tanda A adalah fed, tanda yang akan muncul pertama adalah B dan yang berikunya adalah C, dan urutan ini dapat diperiksa saat isolasi B dan C, keduanya sebelumnya memiliki panjang waktunya berbeda dan jumlah tanda didalam setiap tanda.
Metode yang ketiga, dengan adanya keuntungan dari system yang tidak normal diman satu tahap dalam biosintesia tehalangi. Reaksi kimia didalam sel oleh protein kompleks , menggumakan enzim. Umunya satu enzim digunakan untuk setiap rekasi atau untuk sekelompok kecil beberapa reaksi yang saling berhubungan. Enzim adalah suatu zat yang bekerja secara spesifik. Jika tidak ada bantuan dari enzim, reaksi dengan katalis tidak akan terjadi. Jika reaksinya normal maka urutan dari sintesisnya yakni, mulanya zat akan terakumulasi atau digunakan untuk sesuatu yang lain, dan komponen yang terakhir didalam urutan tidak akan terbentuk. Ini sangat mungkin untuk organisme yang normal dan bereproduksi, meskipun mengalami kekurangan enzim didalam varietasnya, walaupun mengalami kekurangan tidak mencegah proses sintesis zat-zat kimia yang esensial. Hal seperti itu merupakan varietas tiruan dari organism dan disebut ‘mutan’. Mutan dari bakteri atau fungi timbul secara alami atau dapat dibuat, untuk contoh penyinaran untuk varietas normal denga sinar ultraviolet. Hal ini merupakan bagian terbesar dari ilmu organism dari metode ini. Produk organism yang normal, produk D merupakan mutan dari organism bukan merupakan produk, ini sangat kuat untuk menghalangi reaksi biosintesis A→B→C→D dari tingkatan B→C mengalami kekurangan akan kebutuhan enzim. B akan terakumulasi atau mengalihkan beberapa produk zat kimia baru, atau kembali ke A. C dan D akan terlepas, tapi jika C menyadiakan dari bagian luarnya, maka akan masuk ke dalam D. Dari hasil penelitian mengapa tidak sama produk yang terakumulasi didalam mutan, atau mengapa produk harus ditambah untuk memperbaiki sintesis dari ‘missing’ produk itu mungkin untuk membuat biosintetik atau untuk menemukan hal yang tidak diketahui tingkatannya didalam urutan. Contoh untuk penggunaan dari berbagai metode untuk menentukan biosintesis akan dibahas pada bab berikutnya.
Reaksi Biosintesis Alami
Enzim
Ketika kita mencoba untuk mengulangi beberapa reaksi yang terjadi dalam sel-sel kehidupan pada suasana laboratorium kita menemukan bahwa sel-sel kehidupan sering diproses sangat lambat dalam suhu kamar, dimana prosesnya hampir semuanya tidak terjadi. Kecepatan yang luar biasa dari reaksi yang terjadi dalam organisme kehidupan harus ada molekul besar yang bertindak sebagai katalis biologis. Pada bagian 1 halaman 63 kita menggambarkan hidrogenasi etilen pada permukaan katalis logam. Menurut gambar, molekul etilen memmbentuk ikatan dengan permukaan logam yang berdekatan dengan molekul hidrogen; kemudian, dengan susunan elektron kita menggambarkan ikatan baru yang terbentuk diantara atom karbon dari etilen dan atom hidrogen membentuk eatna dan memperbaharui permukaan logam. Katalis logam mempercepat reaksi untuk beberapa sebab. Reaksi pada permukan kadang-kadang melibatkan mekanisme berbeda, dan melibatkan beberapa tahap. Dalam katalis hidrogenasi langkah pertama adalah ikatan dari reagen ke logam dengan kekuatan ikatan kimia normal. Pada saat yang sama ikatan dari reagen diputuskan atau hilang, jadi memberi kesempatan pada reaksi berikutnya. Penyerapan reagen pada permukaan menjamin bahwa mereka tersimpan dalam keadaan sangat dekat selama beberapa waktu sampai mereka dapat menerima energi panas yang diperlukan untuk bereaksi; Itu juga dapat memastikan bahwa molekul datang sebelum proses tahap yang paling lambat terjadi.
Reaksi biologis terjadi pada permukaan molekul enzim yang sangat besar memiliki keefektivan katalis yang hampir sama. Enzim adalah protein(bagian 1,hal:160; bagian 4, bab 6) dan besar dan molekul kimia yang sulit untuk diisolasi dan dimurnikan. Namun beberapa rangkaian asam amino sudah dibentuk dan bentuk tiga dimensi atau konformasi dari beberapa asam amino sudah diukur dengan metode difraksi sinar-X. Sebagian peran penting mereka dalam biokimia adalah mengisolasi dan memurnikan enzim yang sekarang ditemukan aplikasi komersialnya. Mereka disatukan kedalam bubuk sabun untuk merusak kotoran protein dengan mempercepat hidrolisis protein, dan mereka digunakan dalam pemasakan bir dan industri makanan dan dalam penentuan konsentrasi alkohol dalam sampel darah. Banyak enzim biasanya mempunyai nama trivial (tripsin, lisosim), yang lainnya mempunyai nama diperoleh dari reaksi katalisisnya (dehidrogenasi) atau dari reagen yang mereka percepat reaksinya (proteinase, karboksipeptidase).
Reagen dalam sebuah reaksi katalis enzim sering disebut substrat. Salah satu dari reagen dapat berupa molekul kecil seperti air atau ion fosfat atau reagen kompleks atau koenzim seperti NAD+ (lihat hal. 12). Enzim adalah katalis nyata dan akan mempercepat reaksi bolak-balik dalam setiap arah. Penambahan ukuran enzim kadang besar, mungkin 106 atau 108 kelipatan. Bagaimanapun, enzim penting ketelitiannya sebaik seperti kecepatan reaksinya. Mereka biasanya hanya mempengaruhi satu jenis reaksi (dalam setiap arah) pada satu jenis substrat, mungkin pada satu tempat dalam substrat, dengan kontrol lengkap dari stereokimia mutlak. Katalis enzim lebih evektif dan selektif dari permukaan sebuah logam, tetapi penyebab keefektivannya adalah pada dasarnya hanya yang diakui sebagai yang penting dalam katalis homogen dan heterogen seperti zat kimia sederhana.
Sebuah gambaran mekanisme dari suatu reaksi enzimatik harus dibangun menggunakan teknik-teknik kimia yang biasa yang dideskripsikan pada bagian 3 unit 6. Mempelajari kinetika, pengaruh pH, dan hambatan aktivitas enzim oleh modifikasi kimia pada posisi yang diketahui dalam molekul dapat memberikan semua petunjuk. Perkembangan terbaru dalam teknik difraksi sinar-X mengijinkan konformasi dalam molekul enzim untuk diputuskan dan, kegunaan yang lebih, struktur dari bentuk kompleks antara enzim dan substrat atau sebuah model substrat. Beberapa mekanisme harus menyajikan kecocokan dengan semua petunjuk tersebut.
Rantai polipeptida dari setiap enzim membentuk kelipatan dalam cara yang unik jadi sebagai pemberi kelarutan di sekeliling permukaan dari pemberi bentuk yang membawa banyak potensial reaktif kelompok atom ( sebagian besar yang berada di samping kumpulan rantai asam amino). Molekul reagen atau molekul dapat membentuk kompleks dengan protein dengan mendekati permukaan ini. Kekuatan memegang mereka secara bersama dapat berupa ikatan kovalen, ikatan hydrogen, interaksi polar, dan lain-lain. proses tambahan yang melibatkan perombakan (pemutusan) ikatan dan membentuk struktur yang baru., mungkin kedudukan atom pada subsbtrat dekat dengan kumpulan enzim atauu kumpulan pada substrat laindimanan mereka dapat bereaksi, dan mengharuskan perubahan dalam konfomasi enzim atau substrat dimana terjadi reaksi berikutnya. Susunan atom kiral secara khusus pada kelompok dalam permukaan enzim memastikan bahwa hanya substrat yang sesungguhnya dan hanya enentiomer yang sesungguhnya yang termasuk substrat kiral yang dapat bener-benar menempel. Substrat bukan kiral (seperti CH3COOH) khususnya pada lingkungan mikro dapat dimengerti ynag memberikan produk aktif.
Struktur dari sebuah enzim khusus-substrat kompleks dan peran serta fungsi dari kelompok enzim dalam mempengaruhi reaksi yang digambarkan oleh reaksi dari karboksipeptidase A untuk sebuah gambar mekanisme yang terperinci dengan baik yang timbul atau muncul dari bahan kimia dan ilmu sinar-X.
NHCHR2CO─NHCHR1COOH + H2O → NHCHR2COOH + NH2CHR1COOH
Ini berisi ion seng yang penting untuk aktivitas katalitik. konformasi dari rantai enzimprotein telah dibentuk dari studi difraksi sinar-X. Atom seng terletak di celah permukaan molekulenzim dalam substrat yang cocok, dan ion seng diadakan di bagian kaki dengan koordinasi ke sisi-rantai dari tiga residu dalam rantai tersebut. Ligan keempat dalam enzim bebas adalah molekul air.Studi sinar-X tentang pembentukaan kompleks antara enzim dan substrat menunjukkan model dipeptida dimana molekul air diganti sebagai ligan oleh oksigen karbonil dari unit asam amino kedua substrat. Konformasi di sekitar enzim langsung dari perubahan klef sehingga memungkinkan pembentukan ikatan hidrogen antara dua residu pertama dari substrat dan sisi-rantai arginin sertaresidu tirosin pada enzim. Hanya asam karboksilat bebas yang dapat berikatan bebas dengan arginin, sehingga hanya dua unit pertama pada substrat karboksi akhir dapat dipasang ke sisi aktif.Hal ini telah dikemukakan bahwa hidrolisis terjadi sebagai hasil dari serangan molekul air padakarbonil amida.
Diagram representasi dari ikatan antara substrat dan Carboxypeptidase-A, menunjukkan mekanisme yang mungkin untuk hidrolisis enzim-katalis dari Ikatan amida C-terminal dari substrat.
Proses ini difasilitasi oleh anion yang terletak pada unit asam glutamat yang berfungsi sebagai dasar umum dalam mengabstraksikan proton dari molekul air. Gugus karbonil dibuat lebih elektrofilik dengan koordinasi ion seng, dan proses selesai dengan akuisisi oleh proton nitrogen amida dari residu tirosin. Pemisahan fragmen dari enzim, dan transfer proton, mengembalikan enzim ke keadaan semula.
Reaksi enzim berbeda dari reaksi senyawa lainnya hanya dalam kompleksitas dan interaksi banyak faktor yang terorganisasi. Itu adalah bagian integral dari kimia organik dan mungkinmenyediakan tes-bed yang paling menarik untuk teori mekanistik.
Mekanisme Kesetimbangan
Meskipun reaksi-reaksi kimia umumnya terjadi dalam sel hidup yang mengambil peran dalam perantara reaksi yang sangat kompleks biasanya reaksi tersebut dipercepat oleh suatu katalis yang sangat efektif (enzim), tentunya pada tahap awal yang sama yang terjadi secara biasa bagi kita dari zat-zat kimia organik yang diletakkan di dalam laboratorium. Reaksi-reaksi umun seperti reaksi perpindahan, reaksi eliminasi dan reaksi penambahan khususnya untuk iakatan karbonil, umumnya lebih rumit dan penting bagi system kehidupan biologi. Kita akan beranggapan bahwa hanya sedikit dari proses ini terjadi dan membandingkan reaksi yang terjadi di dalam sel (reaksi In Vivo) dengan reaksi-reaksi yang kita ketahui terjadi dalam sebuah pipa penguji (In Vitro). Reaksi tersebut akan cukup untuk menunjukan mengenai mekanisme reaksi dai komponen-komponen organik yang digambarkan pada bagian 1 – 3 dapat dipakai secara langsung pada reaksi-reaksi yang terjadi dari komponen-komponen atom karbon pada organism hidup.
a) Penggantian Hidrida
Reaksi awal dapat dijelaskan bahwa perpindaham dalam yang terjadi dalam komponen karbonil dan alcohol. Pada bagian I (hal 77 dan 78) telah didiskusikan bahwa reaksi hidrogenasi dari aldehid dan keton akan menjadi alkohon disebabkan oleh adanya “ penggantian hidrida “ dari reagen seperti isopropoksida aluminium dan hidrida litium aluminium. Serupa denga reaksi-reaksi yang terjadi dalam system biologi tetapi ion hidrida ini biasanya hadir bukan dari sebuah derivate logam sederhana tetapi dari bentuk reduksi molekul organik kompleks seperti Nikotinamida Adenin Dinukleotida (NAD+) terkadang disebut dengan ko-enzim-I atau Diphospo Piridin Nulkeotida (DPN).
Ko-enzim dapat dilukiskan dalam bentuk oksidasinya dan mengubahnya ke dalam bentuk reduksi, NADH, dengan penambahan dari suatu ion hidrida ke cincin nikotinamida. Reaksi reduksi tersebut dapat digambarkan dari asetaldehida dengan bentuk reduksi dari ko-enzim tersebut.
Dalam praktiknya, reaksi-reaksi terjadi pada permukaan dari sebuah molekul enzim, tetapi secara serupa antara proses ini dan reduksi ion hidrida dapat digambarkan pada bagian I secara jelas. Dua atom hydrogen pada posisi 4 dari cincin nikotinamida dalam NADH dapat dibedakan. Dengan menggunakan deuterium-komponen yang telah diberi nama memungkinkan untuk terlihat bahwa kehadiran dari sebuah enzim, penggantian hidrida hanya terjadi pada atom dari salah satu sisi dari cincin. Selanjutnya, ion hidrida ini ditransfer ke salah satu bagian dari kumpulan karbonil asetaldehida atau dari salah satu sisi etanol. Pengontrolan jalan stereokimia ini dari reaksi yang berhak untuk oriantasi yang unik ke suatu reagen pada permukaan enzim yang kiral.
Dua metil hydrogen dari etanol merupakan letak enantiomer. Dapat dikatan menjadi “enantiotopik” dan dapat dibedakan melalui reagen yang kiral. Dua bagian dari asetaldehida dan juga dibedakan melalui reagen yang kiral. Atom karbon dari gugus metil dari etanol dapat dikatakan prokiral dan metil hydrogen dapat membentuk pro-R atau pro-S (ditulis HR dan HS) dalam sebuah perpanjangan dari symbol yang didiskusikan pada bagian 2, p.320. hydrogen pro-R tersebut, jika tergantikan oleh sebuah isotop yang bermassa tinggi, maka akan dihasilkan pada bagian tengan atom karbon memiliki konfigurasi – R.
Hal ini merupakan reaksi transfer ko-enzim hidrida yang memasukkan NADP+, terkadang disebut TPN+ atau ko-enzim II, yang mana senyawa ester phospat sederhana dari NAD+. Gabungan dari molekul-molekul yang lain dengan oksidasi dan reduksi pada system kehidupan biologi memasukkan riboflavin dan sebagian besar dari kuinon.
b) Perangkai oksidatif dari fenol.
Banyak jenis oksidasi juga berlangsung dalam sistem biologi. Salah satunya terjadi dalam tahap selanjutnya dari biosynthetis lignin dan banyak alkaloid serta pigmen, dan yang merupakan kunci dalam proses penghitaman kentang yang baru dipotong pada paparan ke udara, adalah perangkai oksidatif fenol. Oxidasi p-kresol dengan ferisianida dalam larutan berair menghasilkan beberapa produk termasuk yang ditampilkan.
Beberapa jalur mekanistik dapat ditulis untuk reaksi ini tetapi percaya bahwa dalam kebanyakan hal melibatkan oksidasi fenol untuk radikal fenoksi dan dimerisasi dapat terjadi padabeberapa cara; ikatan C-C dan C-O obligasi terbentuk dan kopling dapat terjadi di kedua o atau p-posisi. sikloheksadiena yang awalnya diproduksi akan ditautomerasi untuk fenol jika sp3-karbon baru membawa sebuah atom hidrogen.
Banyak contoh senyawa biosintesis yang melibatkan jenis analog perangkai oksidatif fenol akan ditemukan di bab-bab 3,4, dan 7. Mekanisme rinci dari oksidasi biologis belum diketahui dengan pasti namun produk sering dapat diperoleh dengan oksidasi in vitro dari induk fenol dengan menggunakan salah satu atau agen pengoksidasi elektrolisis sederhana seperti ferricynide atau quinines.
c) Asilasi.
Pada bab 8 bagian 1 kita membahas tentang reaksi asam karboksilat dan turunannya dan pada bab 9, kita membandingkan reaksi-reaksi ester, anhidrida, dengan anion nukleofilik (bagian 1, halaman 96).
Harga dari jenis reaksi ini meningkat dengan pesat seperti yang dilalui ester setelah anhidrida sampai asam klorida . tiga reaksi tersebut melibatkan tahap adisi yang sama, tetapi tahap eliminasi berikutnya, hasil anion dapat meningkat dengan stabil. Dengan menggunakan istilah pada bagian 2 kita dapat mengatakan asetat adalah kelompok hidup yang lebih baik dari etoksida dan klorida lebih baik dari asetat. Jika kita ingin membuat ester karboksilat dari fenol atau alcohol , biasanya kita membuat kedua anhidrat karboksilat atau asam klorida lainnya. Dalam sistem biologis sebuah asilfosfat atau asil tiol ester mengambil tugas dari asam klorida atau anhidrida asam.
Suatu tiol penting dari ester yang merupakan agen asilasi biologis adalah sebuah molekul besar yang dikenal sebagai koenzim A(coA/HSCoA).
Pada bahan-bahan kimia dan sistem sistem biologis, atom nukleofilik dapat menjadi oksigen, nitrogen, atau karbon memberikan kenaikan pada ester, amida, dan keton secara berturut-turut. Pembentukan keton secara biologis yang sama dari kondensasi klaisen (bagian 2, hal 96-98). Hal ini relative tidak penting pada biosintesis karena kesetimbangannya berada di kiri.
Bagaimanapun, hubungan asilasi yang dekat merupakan proses yang penting seperti yang akan kita lihat pada bab 4.
(d) Alkilasia
Cara lain untuk membentuk ikatan karbon-karbon dalam laboratorium adalah pemindahan nukleofilik untuk sebuah ion halida dari suatu alkil halida oleh sebuah karbonion (misalnya anion dietil malonate dengan suatu alkil bromida; bagian 2, p. 102). Pada reaksi yang berdekatan yang mana suatu electron kaya olefin menunjukan reaksi seperti nukleofil. Reaksi menjadi lebih cepat dalam memperbaiki sisa-sisa kelompok itu dan lebih banyak electron kaya akan olefin. Alkilasi dari suatu enamine memberikan sebuah contoh yang baik (bagian 2, p. 148).
Alkilasi biosintetik dari isopentil pirofosfat oleh dimetilalil pirofosfat untuk membentuk geranil pirofosfat adalah suatu proses yang sangat mirip. Catatan penting bahwa pospat atau piropospat berperan penting sebagai gugus pergi (lihat halaman 16).
 | |
ROH + CH3SRR’ ROCH3 + H+ + RSR’
e. Eliminasi
Reaksi lain yang dapat terjadi dalam kimia organik adalah reaksi eliminasi. Demikain pula dengan adanya sebuah gugus pergi yang baik.
Proses yang sama terjadi dalam system biologi adan anion fosfat (meninggalkan tempat) terlepas dari ion halida sebagai ikatan yang terlepas. Asam β halogen-karbosilik dikarboklasi dengan sangat mudah untuk menjadi alkana.
Sekilas, dikarboklasi fosforilasi asam β halogen-karbosilik merupakan rute biosintesis penting menjadi alakana.
Peranan Fosfat dalm Biosintesis
Kita mempunyai perhatian yang besar pada kesamaan antara akilasi, alkilasi, dan reaksi eliminasi yang terjadi dalam system biologi dan begitu pula dalam laboratorium. Di dalam laboratorim, ion halide biasanya melepaskan ikatannya dengan pemindahan dan reaksi eliminasi. Dalam system biologi kita lihat bahwa peranannya sering digantikan oleh fosfat.
Ini sering sesuai untuk menggambarkan fosfat dan pirofosfat ester dengan formula (rumus) yang disingkatakan. Pada metil fosfat dan metil pirofosfat digambarkan seperti berikut ini:
Dalam gambaran tidak ada percobaan yang dibuat untuk membedakan derajat ionisasi (misalnya, antara ROPO3H2, ROPO3H-, DAN ROPO32-).
Dalam sintesis kimia organik terdapat keanekaragaman pereaksi seperti NOCl3 atau SOCl3 yang digunakan untuk mengganti kelompok hidrooksi alcohol dengan sebuah atom halogen. Dengan cara yang sama, di dalam system biologi terdapat varietas yang luas pada agen fosforilasi, tetapi sejauh ini biasanya yang digunakan adalah adenine trofosfat (ATP).
Pada enzim yang cocok, ATP fosforilasi sangat besar untuk molekul organic. Biasanya hanya satu fosfat yang ditranfer, lalu adenosine difosfat (ADP) itu sendiri diperlukan untuk re-fosforilasi.
Didalam laboratorium reaksi halogen biasanya merupakan reaksi oksidasi, e.g. berasal dari anion halida untuk bound atom halogen. Didalam biological system perubahan dari nanorganik fosfat kedalam bentuk organic fosfat atau pirofosfat atau fosforilasi, dan perubahan ini juga mengalami reaksi oksidasi. Untuk contoh didalam glikolisis (perubahan glukosa menjadi CO2 dan etanol) nukleufil menggunakan enzim yang relevan menambahkan kelompok karbonil dari gliseraldehid 3-fosfi oleidasat dan menunjukan oksidasi oleh NAD+ dan enzim yang berikutnya menggantikan fiosfat untuk menghasilkan 1,3-difosfatglam sistem liserl dan regeneras enzim. Aksilfosfat merupakan agen fos forilasi yang sangat kuat dan akan mengubah adesionin difosat (ADP) menjadi trifosfat ATP.
Untuk hal ini dianjurkan quinines, keadaan yang biasa dalam sistem biologi, mungkin mengalami giliran transfer regent. Quinol fosfat dan komponen hidroksi sangat mempertimbangkan keseimbangan dengan quinine dan este fosfat dari komponen hidroksi.
Komponen hidroksi dapat menjadi quinol yang lain dan suatu proses yang berjalan sudah diusulkan. Jadi, secara tidak langsung bukti sudah didapat untuk proses pada in vivo meskipun sudah diperlihatkan yang sama terjadi pada in vitro.
Banyak percobaan sudah dibuat untuk mengartikan urutan biologis dalam hubungan termodinamik. Memeng percobaan harus dibuat walaupun kompleksitas dari system berbelit-belit tanpa suatu pemahaman yang lengkap pada keanekaragaman system biologis yang akan dicapai untuk waktu yang lama. Rangkaian biosintesis dapat memberikan pengertian lebih baik dalam hubungan dari kimia organic mekanik daripada dalam pseudotermodinamik. Hal ini tidak disebutkan untuk mengupas percobaan untuk pembelajaran pada termodinamis dari proses sel tetapi membantu keinginan untuk memahami basis kimia organic yang terjadi dalam kehidupan sel. Peran dari fosfat in vivo akan diartikan dalam hubungan yang digunakan dalam volume sebelumnya untuk peran halida dan sisa-sisa kelompok yang sama.