Dokumen ini membahas proses produksi enzim intraseluler dan ekstra seluler dari mikroorganisme, termasuk metode pemecahan dinding sel dan pemurnian enzim. Selain itu, dijelaskan tentang produksi protein sel tunggal dari mikroba serta keuntungan dan aplikasi mikroorganisme tertentu dalam menghasilkan protein dan enzim. Penjelasan mengenai struktur, mekanisme, dan penamaan enzim juga disertakan.

1. Mahreni
PRODUKSI ENZIM INTRASELULER DAN EKSTRA/INTRA
SELULER
1

2. PRODUKSI ENZIM INTRA SELULER.
Mikroorganisme
Sebagai contohmucor
circinelloides
Media kultur steril terdiri dari cairan
tongkol jagung (3,7 %) , dan minyak
zaitun 2,7 %, pH =4,7
Kultivasi 72 jam (30O C)
(diaduk 180 rpm)
Filtrasi/
sentrifu
gasi Dicuci dengan air Dibilas dengan aseton
Miselia (Enzim
intraseluler)
Filtrat: Enzim
esktra seluler
Dikeringkan dengan udara
pada suhu ruangan
Pemecahan didning sel
Pemurnian enzim.
Pengujian aktivitas
enzim
2

3. Pemecahan dinding sel
Ekstraksi protein (enzim) dari miselia pertama harus memecahkan
dinding sel dengan beberapa cara di antaranya: cara biologi
(menggunakan enzim lisozime): Cara kimia menggunakan detergen: 1
g miselia disuspensikan ke dalam larutan buffer phosphate 0.1 M , pH
7,2 (12 ml) + Triton X-100 atau Brij 35 atau Tween 80 atau Sodium
cholate. Campuran diaduk 30 menit, 4 oC, kemudian disentrifugasi
(13.000 rpm, 20 menit) dan cairan (supernatant) digunakan sebagai
ekstrak enzim. Bisa juga menggunakan sonikasi. (Cara fisika): Miselia
kering (1 g) ditambah dengan buffer phosphate 0,1 M, pH 7,2 (12
ml). Campuran dimasukkan ke dalam alat sonikasi dengan frekwensi
22 dan 30 kHz selama 6 menit, 4C dan kemudian disentrifugasi
(13.000 rpm selama 20 menit). Supernatan diambil sebagai produk
enzim ekstrak. Bisa juga menggunakan homogenizer atau pengeringan
beku dan penggilingan beku.
3

4. Pemurnian enzim
 Pemurnian enzim dilakukan dengan cara : (1)
memisahkan sel dari kaldu fermentasi dengan
cara sentrifugasi ( 10.000 rpm pada suhu 4 C)
selama 20 menit. (2) Cairan yang terpisah
ditambah dengan larutan (NH4)2SO4 at 4°C
sambil diaduk. Selama pengadukan akan
terbentuk endapan dan selanjutnya endapan
dipisahkan dengan cara sentrifugasi (10.000 rpm)
selama 20 menit. Endapan kembali dilarutkan ke
dalam larutan buffer (pH 7.0) 20 mM sodium
phosphate dan didiamkan selama satu malam
pada suhu 4oC. Enzim (dialisat) dimasukkan ke
dalam kolom kromatografi untuk dimurnikan .
4

5. PRODUKSI PROTEIN SEL TUNGGAL (SEL MIKROBA)
 Protein sel tunggal adalah bahan makanan
berkadar protein tinggi yang berasal dari mikroba.
Istilah protein sel tunggal (PST) digunakan untuk
membedakan bahwa PST berasal dari organisme
bersel tunggal atau banyak. Pemanfaatan
mikroorganisme sehingga mengahasilkan
makanan berprotein tinggi secara komersial
dimulai sejak Perang Dunia I di Jerman dengan
memproduksi khamir torula. Operasi utama
dalam produksi protein sel tunggal adalah
fermentasi yang bertujuan mengoptimalkan
konversi substrat menjadi massa microbial.
5

6. Mikroorganisme PST
 Mikroorganisme yang dibiakkan untuk protein sel
tunggal dan digunakan sebagai sumber protein
untuk hewan atau pangan harus mendapat
perhatian secara khusus. Mikroorganisme yang
cocok antara lain memiliki sifat tidak
menyebabkan penyakit terhadap tanaman,
hewan, dan manusia. Selain itu, nilai gizinya baik,
dapat digunakan sebagai bahan pangan atau
pakan, tidak mengandung bahan beracun serta
biaya produk yang dibutuhkan rendah.
Mikroorganisme yang umum digunakan sebagai
protein sel tunggal, antara lain alga Chlorella,
Spirulina, dan Scenedesmus; dari khamir
Candida utylis; dari kapang berfilamen Fusarium
gramineaum; maupun dari bakteri.
6

7. Keuntungan PST
 Laju pertumbuhan sangat cepat jika dibandingkan
dengan sel tanaman atau sel hewan dan waktu
yang diperlukan untuk penggandaan relatif
singkat;
 berbagai macam substrat yang digunakan
bergantung pada jenis mikroorganisme yang
digunakan.
7

8. Diagram alir produksi PST
8

9. Produksi asam sitrat
9
Tetes
H2O
Pengenceran dan
konversi sukrosa
menjadi glukosa dan
fruktosa
Ca(OH)2
RDVF
(NH4)2SO4 + H2O +
Udara
Aspergillus niger
Pengendap asam sitrat
Filtrat
Aspergillus niger
Klarifier
Bioreaktor:
T=30,4oC
Klarifier
H2SO4
Pengasaman (melarutkan
kembali kalsium sitrat
menjadi asam sitrat )
Kalsium sitrat
Pengeringan
Kristalisasi
Kalsium sulfat
Asam sitrat
Kristal kering asam sitrat

10. Sekilas mengenai enzim
(Wikipedia Free Enciklopedia).
 Hal-ihwal yang berkaitan dengan enzim dipelajari dalam
enzimologi. Dalam dunia pendidikan tinggi, enzimologi tidak
dipelajari tersendiri sebagai satu jurusan tersendiri tetapi
sejumlah program studi memberikan mata kuliah ini. Enzimologi
terutama dipelajari dalam kedokteran, ilmu pangan, teknologi
pengolahan pangan, dan cabang-cabang ilmu pertanian.
 Pada akhir tahun 1700-an dan awal tahun 1800-an, pencernaan
daging oleh sekresi perut[3] dan konversi pati menjadi gula oleh
ekstrak tumbuhan dan ludah telah diketahui. Namun, mekanisme
bagaimana hal ini terjadi belum diidentifikasi.[4]
10

11.  Pada tahun 1897, Eduard Buchner memulai kajiannya mengenai
kemampuan ekstrak ragi untuk memfermentasi gula walaupun ia
tidak terdapat pada sel ragi yang hidup. Pada sederet
eksperimen di Universitas Berlin, ia menemukan bahwa gula
difermentasi bahkan apabila sel ragi tidak terdapat pada
campuran.[6] Ia menamai enzim yang memfermentasi sukrosa
sebagai "zymase" (zimase).[7] Pada tahun 1907, ia menerima
penghargaan Nobel dalam bidang kimia "atas riset biokimia dan
penemuan fermentasi tanpa sel yang dilakukannya". Mengikuti
praktek Buchner, enzim biasanya dinamai sesuai dengan reaksi
yang dikatalisasi oleh enzim tersebut. Umumnya, untuk
mendapatkan nama sebuah enzim, akhiran -ase ditambahkan
pada nama substrat enzim tersebut (contohnya: laktase,
merupakan enzim yang mengurai laktosa) ataupun pada jenis
reaksi yang dikatalisasi (contoh: DNA polimerase yang
menghasilkan polimer DNA).
11

12.  Penemuan bahwa enzim dapat bekerja diluar sel hidup
mendorong penelitian pada sifat-sifat biokimia enzim tersebut.
Banyak peneliti awal menemukan bahwa aktivitas enzim
diasosiasikan dengan protein, namun beberapa ilmuwan seperti
Richard Willstätter berargumen bahwa proten hanyalah
bertindak sebagai pembawa enzim dan protein sendiri tidak
dapat melakukan katalisis. Namun, pada tahun 1926, James B.
Sumner berhasil mengkristalisasi enzim urease dan
menunjukkan bahwa ia merupakan protein murni.
Kesimpulannya adalah bahwa protein murni dapat berupa enzim
dan hal ini secara tuntas dibuktikan oleh Northrop dan Stanley
yang meneliti enzim pencernaan pepsin (1930), tripsin, dan
kimotripsin. Ketiga ilmuwan ini meraih penghargaan Nobel tahun
1946 pada bidang kimia.[8]
12

13.  Penemuan bahwa enzim dapat dikristalisasi pada akhirnya
mengijinkan struktur enzim ditentukan melalui kristalografi sinar-
X. Metode ini pertama kali diterapkan pada lisozim, enzim yang
ditemukan pada air mata, air ludah, dan putih telur, yang
mencerna lapisan pelindung beberapa bakteri. Struktur enzim ini
dipecahkan oleh sekelompok ilmuwan yang diketuai oleh David
Chilton Phillips dan dipublikasikan pada tahun 1965.[9] Struktur
lisozim dalam resolusi tinggi ini menandai dimulainya bidang
biologi struktural dan usaha untuk memahami bagaimana enzim
bekerja pada tingkat atom.
13

14. Konvensi penamaan
 Nama enzim sering kali diturunkan dari nama substrat ataupun
reaksi kimia yang ia kataliskan dengan akhiran -ase. Contohnya
adalah laktase, alkohol dehidrogenase (mengatalisis penghilangan
hidrogen dari alkohol), dan DNA polimerase. International Union of
Biochemistry and Molecular Biology telah mengembangkan suatu
tatanama untuk enzim, yang disebut sebagai nomor EC; tiap-tiap
enzim memiliki empat digit nomor urut sesuai dengan ketentuan
klasifikasi yang berlaku. Nomor pertama untuk klasifikasi teratas
enzim didasarkan pada ketentuan berikut:
 EC 1 Oksidoreduktase: mengatalisis reaksi oksidasi/reduksi
 EC 2 Transferase: mentransfer gugus fungsi
 EC 3 Hidrolase: mengatalisis hidrolisis berbagai ikatan
 EC 4 Liase: memutuskan berbagai ikatan kimia selain melalui hidrolisis dan
oksidasi
 EC 5 Isomerase: mengatalisis isomerisasi sebuah molekul tunggal
 EC 6 Ligase: menggabungkan dua molekul dengan ikatan kovalen
 Tata nama secara lengkap dapat dilihat di
http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/ (Bahasa Inggris).
14

15. Struktur dan mekanisme
 Diagram pita yang menunjukkan karbonat
anhidrase II. Bola abu-abu adalah kofaktor seng
yang berada pada tapak aktif.
15

16.  Enzim umumnya merupakan protein globular dan ukurannya
berkisar dari hanya 62 asam amino pada monomer 4-oksalokrotonat
tautomerase[10], sampai dengan lebih dari 2.500 residu pada asam
lemak sintase.[11] Terdapat pula sejumlah kecil katalis RNA, dengan
yang paling umum merupakan ribosom; Jenis enzim ini dirujuk
sebagai RNA-enzim ataupun ribozim. Aktivitas enzim ditentukan oleh
struktur tiga dimensinya (struktur kuaterner).[12] Walaupun struktur
enzim menentukan fungsinya, prediksi aktivitas enzim baru yang
hanya dilihat dari strukturnya adalah hal yang sangat sulit.[13]
 Sama seperti protein-protein lainnya, enzim merupakan rantai asam
amino yang melipat. Tiap-tiap urutan asam amino menghasilkan
struktur pelipatan dan sifat-sifat kimiawi yang khas. Rantai protein
tunggal kadang-kadang dapat berkumpul bersama dan membentuk
kompleks protein. Kebanyakan enzim dapat mengalami denaturasi
(yakni terbuka dari lipatannya dan menjadi tidak aktif) oleh
pemanasan ataupun denaturan kimiawi. Tergantung pada jenis-jenis
enzim, denaturasi dapat bersifat reversibel maupun ireversibel.
16

17. Kespesifikan
 Enzim biasanya sangat spesifik terhadap reaksi yang ia kataliskan
maupun terhadap substrat yang terlibat dalam reaksi. Bentuk,
muatan dan katakteristik hidrofilik/hidrofobik enzim dan substrat
bertanggung jawab terhadap kespesifikan ini. Enzim juga dapat
menunjukkan tingkat stereospesifisitas, regioselektivitas, dan
kemoselektivitas yang sangat tinggi.[15]
 Beberapa enzim yang menunjukkan akurasi dan kespesifikan
tertinggi terlibat dalam pengkopian dan pengekspresian genom.
Enzim-enzim ini memiliki mekanisme "sistem pengecekan ulang".
Enzim seperti DNA polimerase mengatalisasi reaksi pada langkah
pertama dan mengecek apakah produk reaksinya benar pada
langkah kedua.[16] Proses dwi-langkah ini menurunkan laju
kesalahan dengan 1 kesalahan untuk setiap 100 juta reaksi pada
polimerase mamalia.[17] Mekanisme yang sama juga dapat
ditemukan pada RNA polimerase,[18] aminoasil tRNA sintetase[19] dan
ribosom.[20]
17

18.  Beberapa enzim yang menghasilkan metabolit sekunder
dikatakan sebagai "tidak pilih-pilih", yakni bahwa ia dapat
bekerja pada berbagai jenis substrat yang berbeda-beda.
Diajukan bahwa kespesifikan substrat yang sangat luas ini
sangat penting terhadap evolusi lintasan biosintetik yang baru.[21]
 Model "kunci dan gembok"
 Enzim sangatlah spesifik. Pada tahun 1894, Emil Fischer
mengajukan bahwa hal ini dikarenakan baik enzim dan substrat
memiliki bentuk geometri yang saling memenuhi.[22] Hal ini sering
dirujuk sebagai model "Kunci dan Gembok". Manakala model ini
menjelaskan kespesifikan enzim, ia gagal dalam menjelaskan
stabilisasi keadaan transisi yang dicapai oleh enzim. Model ini
telah dibuktikan tidak akurat, dan model ketepatan induksilah
yang sekarang paling banyak diterima.
18

19.  Model ketepatan induksi
 Diagram yang menggambarkan hipotesis ketepatan induksi.
19

20. Kofaktor dan koenzim
 Kofaktor
 Beberapa enzim tidak memerlukan komponen tambahan untuk
mencapai aktivitas penuhnya. Namun beberapa memerlukan
pula molekul non-protein yang disebut kofaktor untuk berikatan
dengan enzim dan menjadi aktif.[38] Kofaktor dapat berupa zat
anorganik (contohnya ion logam) ataupun zat organik
(contohnya flavin dan heme). Kofaktor dapat berupa gugus
prostetik yang mengikat dengan kuat, ataupun koenzim, yang
akan melepaskan diri dari tapak aktif enzim semasa reaksi.
20

21.  Enzim yang memerlukan kofaktor namun tidak terdapat kofaktor
yang terikat dengannya disebut sebagai apoenzim ataupun
apoprotein. Apoenzim beserta dengan kofaktornya disebut
holoenzim (bentuk aktif). Kebanyakan kofaktor tidak terikat
secara kovalen dengan enzim, tetapi terikat dengan kuat.
Namun, gugus prostetik organik dapat pula terikat secara
kovalen (contohnya tiamina pirofosfat pada enzim piruvat
dehidrogenase). Istilah holoenzim juga dapat digunakan untuk
merujuk pada enzim yang mengandung subunit protein
berganda, seperti DNA polimerase. Pada kasus ini, holoenzim
adalah kompleks lengkap yang mengandung seluruh subunit
yang diperlukan agar menjadi aktif.
 Contoh enzim yang mengandung kofaktor adalah karbonat
anhidrase, dengan kofaktor seng terikat sebagai bagian dari
tapak aktifnya.[39]
21

22. Koenzim
 Model pengisian ruang koenzim NADH.
 .

22

23.  Koenzim adalah kofaktor berupa molekul organik kecil yang
mentranspor gugus kimia atau elektron dari satu enzim ke enzim
lainnya.[38][40][41] Contoh koenzim mencakup NADH, NADPH dan
adenosina trifosfat. Gugus kimiawi yang dibawa mencakup ion
hidrida (H–) yang dibawa oleh NAD atau NADP+, gugus asetil
yang dibawa oleh koenzim A, formil, metenil, ataupun gugus
metil yang dibawa oleh asam folat, dan gugus metil yang dibawa
oleh S-adenosilmetionina. Beberapa koenzim seperti riboflavin,
tiamina, dan asam folat adalah vitamin.
 Oleh karena koenzim secara kimiawi berubah oleh aksi enzim,
adalah dapat dikatakan koenzim merupakan substrat yang
khusus, ataupun substrat sekunder. Sebagai contoh, sekitar 700
enzim diketahui menggunakan koenzim NADH.[42]
 Regenerasi serta pemeliharaan konsentrasi koenzim terjadi
dalam sel. Contohnya, NADPH diregenerasi melalui lintasan
pentosa fosfat, dan S-adenosilmetionina melalui metionina
adenosiltransferase.
23

24. 24

25. • Enzim ekstra seluler: Enzim hasil
metabolisme sel diekskresikan keluar dari
dinding sel: Contoh enzim Xilanase
dihasilkan oleh jamur atau bakteri
• Enzim Protease dihasilkan oleh Bacillus
aquamaris (bakteri halopilik) strain VITP4
dan mo lain.
• Enzim Amilase dihasilkan oleh Bacillus
subtilis dan Bacillus sp. sumber karbon
dapat menggunakan pati tapioka dengan
konsentrasi 1% (b/v).
Enzim
Enzim
Enzim Intra seluler: Enzim hasil oleh
metabolisme sel dan ada dalam sel Contoh
Enzim chitosanolytic dihasilkan oleh Mucor
circinelloides.
25

26. Contoh Enzim Penting
• Xilanase
• Karbohidrase (alfa amilase, beta amilase,
glukosidase) atau kalau gabungan dari ketiga
enzim tersebut disebut selulase.
• Enzim Pektat
• Hemiselulase
• Protease
• Oksidase
• Lipase
• Peroksidase
26

27. Mikroorganisme penghasil enzim xilanase
27

28. Xilanase
• Biasanya bermacam macam sistem enzim xilanolitik
seperti enzim xilanase dihasilkan oleh bakteri atau
fungi. Pewnggunaan enzim secara komersial untuk
mengkonversi xilan yang ada di dalam limbah
pertanian dan industri pangan menjadi xilosa. Juga
dapat digunakan untuk klarifikasi jus ekstraksi kofi,
minyak nabati, dan tepung juga untuk hewan ternak
dan bahan bleaching pulp. Biomasa sel dapat
dimanfaatkan sebagai dekomposer bahan organik.
28

29. 29

30. 30

31. Karbohidrase
• Menghidrolisis polisakarida atau oligosakarida.
• Tipe yg penting scr komersial:
– a-amilase,
– glukoamilase,
– invertase,
– laktase,
– glukosa isomerase.
• Alfa-amilase menghidrolisis ikatan a-1,4 menjadi
pati cair atau maltosa
• Produk yg dihasilkan digunakan unt bhn
tambahan dlm soup kering, makanan bayi dan
saus.
• Glukoamilase (amiloglukosidase) adl enzim
sakarifikasi shg dihasilkan glukosa.
31

32. Enzim pektat
• Mencakup: pektin esterase, poligalakturonase,
pektin liase
• Pektin esterase menghidrolisis gugus metoksil dari
molekul pektin menjadi bentuk pektin dg metoksil
rendah dan asam poligalakturonat
• Poligalaturonase menghidrolisis ikatan a-1,4 pada
poligalakturomat mjd oligogalaktironan dan asam
galakturonat.
• Enzim pektat dari jamur digunakan untuk
memepercpat filtrasi juice, menghilangkan pektin
dan buah terutama untuk industri jam dan pure dsb
32