BAB 8
advertisement
BAB 9. METABOLISME Metabolisme adalah total keseluruhan reaksi yang terjadi di dalam sel. Metabolisme terdiri atas 2 jenis, yaitu katabolisme dan anabolisme. Katabolisme adalah pemecahan molekul kompleks menjadi lebih kecil, sederhana dan disertai pelepasan energi. Pelepasan energi ini dapat atau tidak dapat digunakan untuk mendorong reaksi lainnya. Anabolisme adalah sintesis molekul kompleks dari beberapa molekul sederhana dan memerlukan sejumlah energi. Pembahasan metabolisme tidak terlepas dari konsep termodinamika. KONSEP DASAR ENERGI Hukum Termodinamika 1 Energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Hal ini berarti dalam sistem hidup energi dari lingkungan harus dapat ditangkap dan dikonversikan ke bentuk lain. Hal ini dilakukan oleh organisme fotosintetik yang mampu menangkap energi panas matahari menjadi energi kimia (ATP dan NADP) untuk proses biosintesis baik material sel maupun cadangan makanan (Gambar 9.1). Organisme heterotrof juga mampu menagkap energi dari makanan menjadi energi (Gambar 9.2). Gambar 9.1 Penangkapan energi matahari oleh tanaman Gambar 9.2 Penangkapan energi oleh organisme heterotrof (manusia) Hukum Termodinamika 2 Pada setiap reaksi energi dapat kehilangan kemampuannya menghasilkan kerja akibat sistem yang tidak teratur (disorder). Pada sistem hidup banyak sekali energi yang terbuang percuma (entropi). Energi bebas (G) Semua reaksi dapat dideskripsikan sebagai berikut DH = DG + TDS, di mana H adalah total energi reaksi, S adalah jumlah energi yang hilang (entropi), dan G adalah jumlah energi bebas. Reaksi di atas dapat diubah menjadi DG = DH – TDS. Dengan demikian semakin tinggi entropi (DS), maka semakin tidak teratur sebuah sistem (DG). Semakin rendah entropi, maka semakin teratur sebuah sistem. Reaksi Oksidasi Reduksi (Redoks) Sebagian besar reaksi di dalam sel berlangsung dalam bentuk reaksi redoks. Reaksi redoks merupakan konsep dasar metabolisme. Semua molekul memiliki elektron dan setiap molekul berpotensi menerima atau mendonor elektron kepada molekul lainnya. NAD(P)+ + 2H+ + 2e+ NAD(P)H + H+ Potensial reaksi redoks untuk mendonasi elektron dapat diukur. Para ilmuwan dengan susah payah akhirnya dapat menentukan nilai potensial redoks pada kondisi standar (Eo) yang sebelumnya dianggap mustahil. Tabel 9.1 menunjukkan daftar reaksi redoks yang umum terjadi dalam sel Tabel 9.1 Sejumlah reaksi redoks yang terjadi di dalam sel Reaksi Redoks + 2H + 2e H2 ferredoxin(Fe+3) + eferredoxin(Fe+2) NAD(P)+ + 2H+ + 2eNAD(P)H + H+ + S + 2H + 2e H2S -2 + SO4 + 8H + 8e H2S + pyruvate + 2H + 2e lactate-2 + FAD + 2H + 2e FADH + H+ cytochrome b(Fe3+) + ecytochrome b(Fe+2) + ubiquinone + 2H + 2e ubiquinone H2 +3 cytochrome c(Fe ) + e cytochrome c(Fe+2) NO3- + 2H+ + 2eNO2- + H2O + NO2 8H + 6e NH4 +3 +2 Fe + e Fe O2 + 4H+ + 4e2H2O PEMBAWA ENERGI Eo -0.42 -0.42 -0.32 -0.274 -0.22 -0.185 -0.18 0.075 0.10 0.254 0.421 0.44 0.771 0.815 Terdapat 3 aktivitas utama pemanfaatan energi di dalam sel, yaitu sintesis molekul kompleks, transportasi molekul, dan mengerakan struktur sel. Bagaimana sel memperoleh energi untuk aktivitas tersebut? Sel memperoleh energi langsung dari reaksi metabolisme atau mengkonversi ke molekul pembawa energi.Terdapat 2 molekul utama pembawa energi di sistem hidup, yaitu adenosin trifosfat (ATP) dan nikotamida adenin dinukleotida (NAD+) (Gambar 9.3). Gambar 9.3 Molekul pembawa energi ATP (atas) dan NAD+ (bawah) ATP merupakan pembawa energi kimiawi dalam bentuk ikatan fosfat berenergi tinggi. NAD+ merupakan pembawa hidrogen dan elektron dan terlibat pada berbagai reaksi redoks. NAD+ dapat mengambil dan mentransport elektron dan proton. Ketika NAD+ membawa proton dan elektron, maka dia berubah menjadi NADH + H+. Selain ATP dan NAD+ terdapat molekul lain sebagai pembawa energi seperti asil fosfat. (Untuk memudahkan penulisan, maka selanjutnya NAD+ cukup ditulis NAD, sedangkan NADH + H+ cukup ditulis NADH). Proton Proton atau ion hidrogen (H+) merupakan molekul penting dalam metabolisme khususnya katabolisme. Hidrogen merupakan elemen terkecil dan hanya memiliki proton dan elektron (tanpa neutron). Jika kita mengambil elektron maka hidrogen berubah bentuk menjadi proton. Proten berperan penting dalam respirasi dan reaksi enzimatik lainnya. Secara tidak langsung proton adalah pembawa energi. Hal ini karena aktivitas translokasi proton pada ATPase mampu menghasilkan ATP dan transportasi proton via membran sel dapat dikopling dengan aktivitas pergerakan flagela dan silia. ENZIM Sebagian besar reaksi metabolisme tidak terjadi secara spontan atau cepat, tetapi memerlukan pendorong untuk terjadinya reaksi. Pendorong terdiri atas 2 bentuk yaitu molekul anorganik dan organik. Pendorong anorganik disebut katalisator, sedangkan pendorong organik disebut enzim. Baik katalisator dan enzim berperan dalam menurunkan energi aktivasi reaksi, sehingga reaksi lebih mudah dan cepat terjadi. Enzim adalah protein yang berperan sebagai katalisator metabolisme. Ukuran enzim bervariasi dari 1x104 Dalton sampai 1x106 Dalton. Selain protein, enzim juga mengandung molekul lain yang disebut kofaktor. Enzim lengkap dengan kofaktor disebut holoenzim, sedangkan enzim tanpa kofaktor disebut apoenzim (Gambar 9.4). Gambar 9.4 Struktur enzim yang terdiri dari 4 domain protein (4 warna molekul). METABOLISME SENTRAL Untuk dapat hidup dan berkembang, organisme harus makan. Makanan menyediakan sumber energi dan sumber karbon untuk biosintesis komponen sel. Pada organisme heterotrof sumber energi merupakan senyawa hidrokarbon (...-C-C-C-...). Senyawa organik dapat monomer maupun polimer. Pada umumnya organisme heterotrof memerlukan glukosa sebagai sumber energi dan sumber karbon. Karena glukosa merupakan sumber energi dan sumber karbon, maka proses katabolisme glukosa disebut metabolisme sentral. Metabolisme sentral pada organisme baik prokariota dan eukariota adalah glikolisis dan siklus asam sitrat. Glikolisis merupakan proses pemecahan glukosa menjadi senyawa triosa (C3), yaitu piruvat. Siklus asam sitrat atau siklus Krebs merupakan proses oksidasi senyawa trikarboksilat menjadi senyawa sumber elektron atau sumber energi yang kemudian difosforilasi oksidatif menjadi energi. Senyawa antara pada glikolisis dan siklus asam sitrat menyediakan prekursor biosintesis asam amino. Glikolisis Pada eukariota glikolisis merupakan proses pemecahan glukosa menjadi piruvat melalui jalur heksosa bisfosfat. Pada prokariota selain jalur heksosa bisfosfat, juga terdapat jalur lain pemecahan glukosa menjadi piruvat. Terdapat 4 jalur (pathway) glikolisis untuk katabolisme glukosa pada prokariota, yaitu jalur Embden Meyerhoff Parnas (EMP) juga disebut heksosa bisfosfat, jalur Heksosa Monofosfat (HMP) juga disebut fosfoketolase, jalur Pentosa fosfat (PP), dan jalur Etner Doudoroff (ED) juga disebut ketoglukonat. Tiga jalur yang disebut belakangan, mengubah glukosa 6-fosfat menjadi 6-fosfo-glukonat, sedangkan jalur EMP mengubah glukosa 6-fosfat menjadi fruktosa 6-fosfat. Keempat jalur tersebut mempunyai persamaan, yaitu memecah heksosa (glukosa) menjadi triosa, yaitu gliseraldehid 3-fosfat (tetapi melalui jalur berbeda), mengoksidasi triosa, menjadi asam triosa, yaitu piruvat. Sebagian besar prokariota memproses karbohidrat (glukosa) melalui jalur EMP dan hanya beberapa prokariota saja yang tidak melalui jalur EMP. Sebagian prokariota mempunyai lebih dari satu jalur katabolisme karbohidrat (glikolisis). E. coli menggunakan jalur EMP sebagai jalur utama untuk mengonsumsi glukosa, sedangkan jalur ED dipakai kalau sumber karbon adalah glukonat. Arkhaea Themoproteus tenax menggunakan jalur EMP dan ED untuk mekatabolisme glikogen dan trehalosa. Glikolisis via Jalur EMP Pada jalur ini glukosa dipecah menjadi 2 piruvat (Gambar 9.5). Jalur EMP mempunyai 4 tahapan penting katabolisme, yaitu fosforilasi ganda heksosa, pemecahan heksosa bisfosfat menjadi 2 triosa fosfat, dan defosforilasi triosa bisfosfat menjadi energi dan piruvat. Tahap pertama fosforilasi ganda heksosa dimulai dari fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6-fosfat dengan bantuan heksokinase. Glukosa 6-fosfat diisomerisasi (mutasi gugus karboksil dari karboksilat menjadi keto) menjadi fruktosa 6-fosfat dengan bantuan fosfoglukoisomerase. Selanjutnya, fruktosa 6-fosfat difosforilasi menjadi fruktosa 1,6bisfosfat dengan bantuan fosfofruktokinase. Tahap kedua pemecahan heksosa bisfosfat menjadi 2 triosa fosfat dimulai dari pemecahan fruktosa 1,6-bisfosfat menjadi gliseraldehid 3-fosfat (G3P) dan dihidroksi aseton dengan bantuan aldolase. Dihidroksi aseton fosfat dapat direduksi menjadi gliserol 3-fosfat dengan bantuan gliserol fosfat dehidrogenase atau diisomerisasi menjadi G3P dengan bantuan triosa fosfat isomerase, sehingga menghasilkan 2 triosa bisfosfat (G3P). Tahap ketiga defosforilasi triosa bisfosfat menjadi energi dan piruvat dimulai dari fosforilasi G3P oleh fosfat anorganik menjadi triosa bisfosfat (1,3-difosfo gliserat) dengan bantuan G3P dehidrogenase. Proses ini juga menghasilkan NADH (sumber elektron bagi respirasi). 1,3-Difosfogliserat didefosforilasi (dikopling dengan sintesis ATP) menjadi 3-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserokinase. Gugus fosfat dimutasi dari posisi 3 ke posisi 2, sehingga menghasilkan 2-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserat mutase. Pembentukan ikatan rangkap (dehidrasi) antara atom C no 2 dan no 3, sehingga 2-fosfogliserat menjadi fosfoenol piruvat (PEP) dengan bantuan enolase. PEP didefosforilasi (dipasangkan dengan sintesis ATP) menjadi piruvat dengan bantuan piruvat kinase. Dari semua reaksi di jalur EMP terdapat beberapa reaksi yang ireversibel (tidak balik). Reaksi yang ireversibel adalah glukosa menjadi glukosa 6-fosfat, fruktosa 1,6 bisfosfat menjadi gliseraldehid 3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat, dan fosfoenol privuvat menjadi piruvat. Hal ini bertujuan supaya proses glikolisis tidak berlangsung bersamaan dengan proses glukoneogenesis. Hasil akhir adalah 2 piruvat, 2 NADH, 2 ATP. Piruvat akan diposes lebih lanjut melalui siklus asam sitrat. NADH dioksidasi lanjut pada respirasi atau fermentasi tergantung ada tidaknya elektron akseptor dan enzim-enzim rantai respirasi. Gambar 9.5 Glikolisis glukosa melalui jalur EMP. Siklus Asam Sitrat Apa yang terjadi dengan piruvat? Piruvat akan diurai menjadi CO2 dan menghasilkan sejumlah energi melalui respirasi atau difermentasi. Jika difermentasi, maka piruvat direduksi menjadi produk akhir fermentasi, seperti asam laktat dan etanol. Jika direspirasi, piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA dan akhirnya menjadi CO2. Pada tulisan ini dibahas respirasi aerob (oksidasi) piruvat. Sebelum memasuki siklus asam sitrat, piruvat dioksidasi dulu menjadi asetil KoA oleh kompleks piruvat dehidrogenase. Kompleks piruvat dehidrogenase E. coli terdapat di mitokondria (eukariota) dan sitoplasma (prokariota) dan terdiri atas 3 enzim, yaitu piruvat dehidrogenase (E1), dihidrolipoat transasetilase (E2), dan dihidrolipoat dehidrogenase (E3). Gambar 9.6 Proses oksidasi piruvat menjadi asetil KoA Proses oksidasi piruvat menjadi asetil KoA cukup kompleks, karena melibatkan perubahan yang terjadi pada kompleks multienzim (Gambar 9.6). Tahapan oksidasi piruvat menjadi asetil KoA adalah sebagai berikut. Piruvat didekarboksilasi menjadi asetaldehid aktif dan reaksi ini dikatalisis oleh E1. Asetaldehid aktif bereaksi dengan disulfida asam lipoat-E2 menjadi karboksil-asam lipoat. Reaksi ini dikatalisisis E1. Transasetilasi karboksil-asam lipoat, sehingga asam lipoat diganti KoA dan menghasilkan asetil KoA. Reaksi ini dikatalisisis enzim 2 (E2). Sulfuridril asam lipoat-E2 dioksidasi oleh enzim 3 (E3) menjadi disulfida asam lipoat-E2. E3 tereduksi dan proton diterima NAD , sehingga menghasilkan NADH. Reaksi oleh kompleks piruvat dehidrogenase merupakan reaksi tidak dapat membalik. Piruvat dehidrogenase dihambat umpan balik oleh asetil KoA dan dipacu oleh piruvat dan AMP. AMP merupakan sinyal bagi proses oksidasi asetil KoA menjadi NADH yang kemudian dioksidasi menghasilkan ATP. Gambar 9.7 Siklus TCA/Krebs/Asam Sitrat Asetil dari asetil KoA ditransfer ke asam oksaloasetat menjadi asam sitrat oleh sitrat sintase. Proses ini menandakan dimulainnya siklus asam sitrat. Siklus asam sitrat mempunyai nama lain, yaitu siklus asam sitrat dan siklus Krebs (Gambar 9.7). Reaksi asetil KoA dan oksaloasetat menjadi sitrat yang dikatalisisis sitrat sintase. Dehidrasi sitrat menjadi cis-akonitat yang dikatalisis akonitase. Hidrasi cis akonitat menjadi isositrat yang juga dikatalisis akonitase. Dehidrogenasi isositrat menjadi oksalosuksinat yang dikatalisis isositrat dehidrogenase. Dekarboksilasi oksalosuksinat menjadi ketoglutarat yang dikatalisis isositrat dehidrogenase. Dekarboksilasi dan dehidrogenasi -ketoglutarat menjadi suksinil KoA yang dikatalisis -ketoglutarat dehidrogenase (perlu KoA). Konversi suksinil KoA menjadi suksinat yang dikatalisis suksinat tiokinase. Karena ada gugus KoA yang berenergi tinggi, maka dikopling dengan fosforilasi tingkat substrat sehingga menghasilkan ATP. Dehidrogenasi suksinat menjadi fumarat yang dikatalisis suksinat dehidrogenase. Penerima proton adalah FAD. Hidrasi fumarat menjadi malat yang dikatalisis fumarase. Dehidrogenasi malat menjadi oksaloasetat yang dikatalisis malat dehidrogenase. Siklus asam sitrat menghasilkan 3 NADH, 1 FADH2 dan 1 ATP dari 1 molekul asetil KoA dan 2 CO2. Karena siklus asam sitrat menghasilkan CO2, maka dimungkinkan suatu dugaan bahwa terdapat organisme autotrof yang mampu melakukan jalur kebalikan siklus asam sitrat untuk menambat CO2. KATABOLISME LEMAK (-OKSIDASI ASAM LEMAK) Hampir semua lemak terpusat di membran sel. Lemak di membran sel jarang berbentuk trigliserida, tetapi dalam bentuk lebih kompleks, misalnya fosfolipid, glikolipid, lipoprotein, dan lainnya. Sebagian besar lemak dalam membran sel adalah fosfolipid. Asam lemak adalah rantai karbon metilen dengan gugus karboksil di salah satu ujungnya. Asam lemak dapat berupa rantai metilen lurus, atau bercabang, bahkan aromatik. Sebagian besar asam lemak dalam bakteri sudah teresterifikasi dengan senyawa lain membentuk senyawa ester. Sebagian prokariota (seperti Pseudomonas, Bacillus dan E. coli) dapat tumbuh pada media yang mengandung lemak. Lemak lebih dulu dideesterifikasi menjadi asam lemak. Asam lemak kemudian siap mengalami oksidasi menjadi asetil KoA. Karena terjadi oksidasi di atom karbon , maka oksidasi tersebut dinamakan -oksidasi. Pada prinsipnya -oksidasi mengurai atau memotong asam lemak menjadi satuan (monomer) asetil KoA. Reaksi pada -oksidasi adalah sebagai berikut (Gambar 9.8). Asam lemak memperoleh gugus KoA, sehingga membentuk asil KoA dengan bantuan asil KoA sintetase. Reaksi ini memerlukan energi dari ATP. Kemudian, asil KoA mengalami dehidrogenasi, sehingga menghasilkan asil KoA tidak jenuh (mengandung ikatan rangkap pada atom karbon ). Hidrogen yang dihasilkan, ditangkap FAD+. Reaksi ini dikatalisis asil KoA dehidrogenase. Hidrasi ikatan rangkap pada asil KoA tidak jenuh, sehingga menghasilkan hidroksiasil KoA. Reaksi ini dikatalisis hidroksiasil KoA hidrolase. Dehidrogenasi gugus hidroksil dari hidroksiasil KoA, sehingga menghasilkan gugus keto. Reaksi ini dikatalisis hidroksiasil dehidrogenase. Hidrogen diterima oleh NAD+. Pemutusan ikatan karbon-karbon pada posisi akibat serangan KoA, sehingga menghasilkan asil KoA (lebih pendek 2 atom karbon) dan asetil KoA. Reaksi ini dikatalisis -ketothiolase. Asil KoA kemudian mengalami perulangan reaksi-reaksi seperti di atas, sehingga menghasilkan asil KoA yang lebih pendek 2 atom C. Asetil KoA dioksidasi menjadi NADH, FADH, ATP, dan CO2 melalui siklus asam sitrat atau difermentasi melalui siklus reduktif-asam sitrat menghasilkan prekursor bagi biosintesis asam amino. Gambar 9.8 Katabolisme lemak KATABOLISME ASAM AMINO Asam amino dapat dipakai sebagai sumber energi. Asam amino terlebih dulu dideaminasi menjadi asam keto. Deaminasi dapat terjadi dalam 3 model, yaitu deaminasi dengan bantuan flavoprotein oksidase, dehidrogenase, dan transaminase. Pada proses pertama deaminasi dapat dikopling dengan pembentukan energi. Pada proses kedua deaminasi tidak dapat langsung dikopling dengan pembentukan energi. Akan tetapi, pada proses ketiga deaminasi dapat dikopling dengan pembentukan energi. Secara keseluruhan 20 asam amino didegradasi menjadi 6 senyawa antara yang berada di metabolisme sentral, yaitu piruvat, asetil KoA, oksaloasetat, fumarat, suksinil KoA, dan -ketoglutarat (Gambar 9.9). Besar-kecilnya energi yang dihasilkan tergantung pada jenis senyawa antaranya. Gambar 9.9 Katabolisme protein BIOSINTESIS LEMAK Biosintesis lemak dimulai dengan biosintesis asam lemak. Prekursor biosintesis asam lemak adalah asetil KoA. Rute biosintesis asam lemak berbeda dengan rute oksidasi asam lemak (Gambar 9.10). Gambar 9.10 Biosintesis asam lemak Karboksilasi asetil KoA menjadi malonil KoA. Reaksi ini memerlukan energi dan dikatalisis asetil KoA karboksilase. Penggantian gugus KoA dengan gugus ACP. Reaksi ini dikatalisis malonil transasetilase. ACP merupakan target antibiotika pantotenamida pada E. coli, sehingga mampu menghambat biosintesis asam lemak. Di tempat terpisah, gugus KoA dari asetil KoA diganti dengan gugus ACP, sehingga menghasilkan asil ACP. Reaksi ini dikatalisis ketoasil ACP sintase. Asil ACP dan malonil ACP mengalami kondensasi, sehingga menghasilkan 3-ketoasil ACP dan melepaskan CO2 dan gugus ACP. Reaksi ini dikatalisis ketoasil ACP sintase. Dehidrogensi 3-ketoasil ACP (pada C no 3) sehingga menghasilkan 3-hidroksiasil ACP. Reaksi ini dikatalisis ketoasil ACP reduktase. Dehidrasi pada C no 3, sehingga menghasilkan ikatan rangkap (senyawanya disebut enoil asil ACP). Reaksi ini dikatalisis -hidroksiasil ACP dehidrase. Dehidrogenasi pada ikatan rangkap enoil asil ACP, sehingga menghasilkan asil (C4) ACP. Reaksi ini dikatalisis enoil asil ACP. Kemudian, Asil ACP mengalami pemanjangan, yaitu berkondensasi dengan malonil ACP. Reaksi ini sama dengan reaksi asetil ACP dan malonil ACP seperti di atas. Ketika jumlah karbon dirasa mencukupi, asil ACP ditransfer ke membran fosfolipid. Proses ini dikatalisis gliserol fosfatase asiltransferase. Proses inkorporasi fosfat akan dijelaskan pada tulisan berikutnya. Biosintesis Fosfolipid Fosfolipid merupakan asam lemak yang terikat kovalen dengan fosfat. Terdapat berbagai jenis fosfolipid di bakteri, tetapi yang akan dibahas adalah fosfolipid yang umum dijumpai (Gambar 9.11). Struktur fosfolipid dalam membran sel adalah amfibolik, yaitu satu bagian molekul bermuatan (polar/hodrofilik) dan bagian yang lain tidak bermuatan (nonpolar/hidrofobik). Area hidrofilik yang berisi fosfat dan hidrofobik yang berisi asam lemak disebut kepala dan ekor. Gambar 9.11 Senyawa fosfolipid pada prokariota, yaitu asam fosfatidil (X=H), fosfatidil serin (X=serin), fosfatidil etanolamin (X=etanolamin), fosfatidil gliserol (X=gliserol), dan kardiolipin (X=fosfatidil gliserol). Beberapa sifat membran sel yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut. Membran sel hanya dapat dilewati oleh air, gas, dan molekul hidrofob kecil. Membran sel mampu melakukan kerja seluler, jika terdapat perbedaan muatan (proton dan ion natrium) di seberang-menyeberang membran sel. Asam lemak yang mengisi area hidrofob harus dalam kondisi cair (fluid). Kondisi ini untuk mempertahankan fungsi membran sel. Fluiditas asam lemak terjaga, karena adanya asam lemak tidak jenuh (titik beku asam lemak tidak jenuh lebih rendah dibandingkan asam lemak jenuh) dan asam lemak bercabang. Gambar 9.12 Biosintesis fosfolipid. Biosintesis fosfolipid dimulai dari reduksi dihidroksi aseton fosfat (senyawa antara glikolisis) menjadi gliseraldehid 3-fosfat (G3P) (Gambar 9.12). Dua molekul asil ACP mentransfer gugus asam lemak ke G3P menghasilkan asam fosfatidat. Reaksi ini dikatalisis gliseraldehid 3-fosfat asil transferase. Asam fosfatidat merupakan fosfolipid pertama yang dihasilkan. Asam fosfatidat diproses lagi menjadi derivat fosfolipid lainnya, misalnya fosfatidil serin, fosfatidiletanolamin, dan kardiolipin. Asam fosfatidat kemudian bereaksi dengan sitidin trifosfat (CTP) menghasilkan citidin difosfat diasil gliserol dan pirofosfat. Reaksi ini dikatalisis citidin difosfat digliseride sintase. Penambahan sistein pada citidin difosfat diasil gliserol akan menghasilkan fosfatidil serin. Reaksi ini dikatalisis fosfatidil serin sintase. Fosfatidil serin dekarboksilase melakukan dekarboksilasi fosfatidil serin menghasilkan fosfatidil etanolamin. Secara terpisah, citidin difosfat diasil gliserol bereaksi dengan gliserol fosfat menghasilkan fosfatidil gliserol fosfat. Reaksi ini dikatalisis fosfatidil gliserol fosfat sintase. Hidrolisis fosfatidil gliserol fosfat menghasilkan fosfatidil gliserol (dan melepaskan fosfat). Reaksi ini dikatalisis fosfatidil gliserol fosfat fosfatase. Dua molekul fosfatidil fosfat berekasi menghasilkan kardiolipin (difosfatidil gliserol). Reaksi ini dikatalisis kardiolipin sintase. BIOSINTESIS PROTEIN Protein merupakan polipeptida dari 20 jenis asam amino. Ke-duapuluh asam amino dapat dikelompokkan menjadi 6 kelompok berdasarkan prekursor masing-masing (Tabel 9.2). Dapat dilihat bahwa prekursor 5 kelompok asam amino berasal dari senyawa antara pada metabolisme sentral. Hanya histidin yang berasal dari fosforibosil pirofosfat (PRPP) atau ATP. Meskipun sebenarnya PRPP berasal dari fosforilasi ribosa 5-fosfat dari jalur HMP. Tabel 9.2 Prekursor asam amino Prekursor Asam amino Oksaloasetat Aspartat, asaparagin, metionon, lisin, treonin, isoleusin Piruvat Alanin, valin, leusin 3PGA Serin, glisin, sistein Glutamat, glutamin, arginin, prolin -Ketoglutarat Fenilalanin, tirosin, triptofan PEP & E4P Histidin PRPP & ATP Biosintesis Asam Amino Pada dasarnya sintesis asam amino merupakan reaksi aminasi (pengikatan gugus amin) karboksilat. Gugus amin biasanya berasal dari amonia. Akan tetapi, pengikatan gugus amin ke karboksilat dapat langsung (1 tahap) atau tidak langsung (2 tahap). Pengikatan gugus amin langsung terdapat pada proses sintesis glutamat dari ketoglutarat (Gambar 9.13). Reaksi ini memerlukan glutamat dehidrogenase. Gambar 813 Reaksi glutamat dehidrogenase Gambar 9.14 Reaksi GS-GOGAT Pengikatan gugus amin tidak langsung terjadi pada proses sintesis glutamat dari -ketoglutarat dan memerlukan glutamat lainnya (Gambar 9.14). Pada reaksi ini gugus amin lebih dulu diinkorporasi ke glutamat menghasilkan glutamin (dikatalisis glutamin sintase/GS). Gugus amin ditransfer ke -ketoglutarat menghasilkan glutamat (dikatalisis glutamin -oksoglutarat transaminase atau GOGAT). Glutamin yang kehilangan amida, menjadi glutamat. Dari kedua tipe reaksi di atas (GH dan GS-GOGAT) tampaknya reaksi GSGOGAT merupakan reaksi yang paling mungkin terjadi di alam. Hal ini karena reaksi GH memerlukan kadar amonia yang tinggi di habitatnya, sedangkan reaksi GS-GOGAT memerlukan sedikit amonia di habitatnya. Sintesis asam amino lainnya memerlukan glutamat sebagai sumber nitrogen (gugus amin) ke karboksilat. Reaksi ini merupakan proses transaminasi, sehingga enzimnya disebut transaminase. BIOSINTESIS NUKLEOTIDA Nukleotida adalah polimer molekul purin atau pirimidin, ribosa atau deoksiribosa, dan fosfat (Gambar 9.15). Jika tanpa fosfat, maka polimer tersebut dinamakan nukleosida. Jadi nukleotida adalah nukleosida fosfat. Tiga molekul pirimidin penyusun nukleotida adalah sitosin, timin, dan urasil dan nama nukleosidanya adalah sitidin, timidin, dan uridin. Dua molekul purin penyusun nukleotida adalah guanin dan adenin (Gambar 9.16) dan nama nukleosidanya adalah guanosin dan adenosin. Gambar 9.15 Monomer nukleotida Gambar 9.16 Molekul purin (atas) dan pirimidin (bawah) Biosintesis Pirimidin Berdasarkan asal atom karbon dan nitrogen, pirimidin disintesis dari aspartat, amonia yang berasal dari glutamin, dan CO2 yang berasal dari karbonat (Gambar 9.17). Gambar 9.17 Prekursor pirimidin (kiri) dan purin (kanan) Sintesis nukleotida pirimidin dimulai dari fosforilasi aminasi karbonat (Gambar 9.18). Aminasi dan fosforilasi karbonat menjadi karbamoil fosfat. Reaksi ini dikatalisis karbamoil fosfat sintetase. Selanjutnya, aspartat terikat pada karbamoil, sehingga menghasilkan karbamoil aspartat (melepaskan fosfat). Reaksi ini dikatalisis aspartat transkarbamoilase. Hidrasi karbamoil aspartat menjadi dihidroorotat. Reaksi ini Gambar 9.18 Biosintesis pirimidin dikatalisis dihidroorotase. Dehidrogenasi (oksidasi) dihidroorotat menjadi orotat. Reaksi ini dikatalisis dihidroorotat dehidrogenase. Terikatnya 5-fosforibosil pirofosfat (disintesis dari fosforilasi ribosa 5-fosfat) pada atom nitrogen dari orotat, sehingga menghasilkan orotidin monofosfat (melepaskan pirofosfat). Reaksi ini dikatalisis orotat fosforibosil transferase. Dekarboksilasi orotidin monofosfat menjadi uridin monofosfat (UMP). Reaksi ini dikatalisis orotidin fosfat dekarboksilase. Fosforilasi uridin monofosfat menjadi uridin difosfat (UDP). Reaksi ini dikatalisis nukleosidamonofosfat kinase. Fosforilasi uridin difosfat menjadi uridin trifosfat (UTP). Reaksi ini dikatalisis nukleosidadifosfat kinase. Uridin trifosfat merupakan prekursor uridin. Terikatnya amonia pada uridin trifosfat menghasilkan sitidin trifosfat (CTP). Reaksi ini memerlukan energi/ATP. Sitidin trifosfat merupakan prekursor sitidin. Timidin disintesis dari metilasi UTP. Biosintesis Purin Atom karbon dari purin berasal dari format atau serin, glisin, dan karbon dioksida. Atom nitrogen dari purin berasal dari aspartat, glisin, dan glutamin (Gambar 9.17). Sintesis cincin purin dimulai dari terikatnya atom nitrogen glutamin pada fosforibosil (berasal dari fosforibosil pirofosfat) menghasilkan 5-fosforibosilamin (Gambar 9.19). Reaksi ini dikatalisis fosforibosil pirofosfat amidotransferase. Tersisipnya glisin ke 5-fosforibosilamin, sehingga menghasilkan 5-fosforibosil glisinamida. Reaksi ini memerlukan energi (ATP) dan dikatalisis fosforibosil glisinamida sintetase. Terikatnya formil pada fosforibosil glisinamida, sehingga menghasilkan 5-fosforibosil N formilglisinamida. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil formilglisinamida sintetase. Pengikatan gugus NH2 dari glutamin,sehingga menghasilkan 5-fosforibosil N formilglisinamidin. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil formilglisinamidin sintetase dan memerlukan energi. Pembentukan struktur cincin pada fosforibosil N formilglisinamidin, sehingga menghasilkan 5-fosforibosil 5-aminoimidazol. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil aminoimidazol sintetase. Karboksilasi 5-fosforibosil 5-aminoimidazol, sehingga menghasilkan asam 5-fosforibosil 5-aminoimidazol 4-karboksilat. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil aminoamidazol karboksilase. Terikatnya aspartat pada asam 5-fosforibosil 5aminoimidazol 4-karboksilat, sehingga menghasilkan asam 5-fosforibosil 4-N suksinokarboksamida 5-aminoimidazol. Reaksi ini dikatalisis fosforibosilaminoamidazol suksinokarboksamida sintetase. Terlepasnya 4 karbon yang semula berasal dari aspartat dari reaksi sebelumnya (Jadi aspartat akhirnya hanya menyumbang nitrogen saja), sehingga menghasilkan 5-fosforibosil 4-karboksamida 5-amidoimidazol. Gambar 9.19 Biosintesis purin Reaksi ini dikatalisis adenilosuksinat liase. Terikatnya formil ke 5-fosforibosil 4karboksamida 5-amidoimidazol, sehingga menghasilkan 5-fosforibosil 4-karboksamida 5-formamidoimidazol. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil amidoimidazol karboksamida formiltransferase. Pembentukan cincin (kedua) dari 5-fosforibosil 4-karboksamida 5formamidoimidazol, sehingga menghasilkan inosinat monofosfat (IMP). Reaksi ini melepaskan air dan dikatalisis inosinat siklohidrolase. IMP merupakan prekursor dari semua nukleotida purin. REGULASI METABOLISME Organisme mampu mengkatalisis lebih dari seribu reaksi kimia dalam jalur-jalur metabolisme yang saling berkaitan. Semua reaksi dalam metabolisme dikatalisis oleh enzim. Oleh karena itu, terdapat pengaturan (regulasi) enzim pada proses metabolisme. Regulasi enzim terdapat dalam 2 bentuk, yaitu regulasi non-kovalen (noncovalent bonding) dan regulasi modifikasi kovalen (covalent modification). Regulasi non-kovalen adalah terikatnya efektor oleh (biasanya) produk pada daerah alosterik (allosteric effector) secara nonkovalen (Gambar 9.20). Regulasi modifikasi kovalen adalah menempelnya gugus kimia (misalnya fosfat atau nukleotida) pada enzim. Gambar 9.20 Perubahan konformasi enzim sebelum penghambatan (kiri) dan setelah penghambatan alosterik (kanan). Enzim (E) mempunyai 3 sisi pengikatan, yaitu sisi koenzim (K), sisi alosterik (A), dan sisi aktif (SA). Ketika enzim mengikat penghambat alosterik (PA), maka struktur sisi aktif berubah, sehingga tidak mampu menangkap substrat (S). Regulasi Nonkovalen Inhibisi Umpan Balik (feedback inhibition) Pada reaksi biosintesis produk akhir selalu berperan sebagai efektor alosterik negatif pada percabangan enzim (Gambar 9.21). Penghambatan ini disebut inhibisi umpan balik. Terdapat tiga pola inhibisi umpan balik, yaitu sederhana, kumulatif, dan terkonsentrasi (Gambar 9.22). Jika enzim dihambat oleh 1 produk akhir saja, maka disebut inhibisi umpan balik sederhana. Jika enzim dapat dihambat oleh 2 produk akhir, maka disebut inhibisi umpan balik kumulatif. Jika enzim dihambat oleh 2 produk akhir secara terus-menerus sampai terjadi penghambatan, maka disebut inhibisi umpan balik terkonsentrasi. A B - C D - E F + K G H L I M + J Gambar 9.21 Regulasi pada metabolisme bercabang. Garis panah takputus menunjukkan arah reaksi, garis panah terputus menunjukkan regulasi. A A - A - - - - B B B C C C D E D E Gambar 9.22 Pola inhibisi umpan balik sederhana (kiri); kumulatif (tengah); dan terkonsentrasi (kanan). Pada inhibisi umpan balik kumulatif setiap produk akhir tidak mempunyai efektivitas penuh menghambat aktivitas enzim. Akan tetapi, jika kedua produk akhir bergabung, maka mampu menghambat aktivitas enzim secara signifikan. Misalnya produk A menghambat enzim X sebesar 40%, produk B menghambat enzim X sebesar 50%. Maka produk A dab B menghambat enzim X sebesar 75% (bukan 40+50=90%). Akan tetapi, inhibisi umpan balik terkonsentrasi tidak dapat dihambat oleh satu produk saja. Regulasi Positif Metabolisme dapat diregulasi secara positif (dipacu). Regulasi seperti ini dapat dilakukan oleh senyawa produk antara. Regulasi positif terdapat 2 pola, yaitu aktivasi prekursor dan regulasi positif biasa. Pada aktivasi prekursor enzim dipacu oleh senyawa antara pada jalur metabolisme sama. Misalnya, enzim piruvat kinase (yang mengkatalisis reaksi PEP menjadi piruvat ) diregulasi positif oleh fruktosa bisfosfat (jalur glikolisis). Fruktosa bisfosfat merupakan prekursor PEP. Pada regulasi positif biasa, jika enzim dipacu oleh senyawa antara pada jalur metabolisme berbeda. Contoh PEP karboksilase yang mengkatalisis PEP menjadi oksaloasetat (jalur biosinteis) di regulasi positif oleh asetil KoA (jalur katabolisme). Regulasi Enzimatik Banyak reaksi yang dikatalisis enzim regulatif merupakan percabangan reaksi. Enzim regulatif adalah enzim yang dapat menentukan arah produk dari suatu substrat. Biasanya enzim regulatif terdiri atas 2 jenis enzim yang mampu berinteraksi dengan substrat yang sama. Pada metabolisme enzim regulatif biasanya ireversibel (tidak dapat mengkatalisis balik). Perubahan Bentuk Konformasi Enzim Ketika efektor berikatan dengan enzim di daerah alosterik, terjadi perubahan bentuk konformasi enzim, sehingga mengubah kinetika enzim. Asumsikan sebuah enzim mempunyai 3 daerah pengikatan, yaitu substrat, efektor positif, dan efektor negatif. Asumsikan juga enzim mempunyai 2 bentuk konformasi, yaitu A dan B. Jika enzim mengikat efektor positif (misalnya koenzim), maka enzim berbentuk konformasi A, sehingga enzim mampu mengikat substrat dan melakukan reaksi. Jika enzim mengikat efektor negatif (misalnya penghambat alosterik), maka enzim berbentuk konformasi B, di mana daerah substrat mengalami perubahan, sehingga tidak mampu mengikat substrat (Gambar 9.20). Regulasi Modifikasi Kovalen Meskipun sebagian besar enzim diregulasi secara non-kovalen (efektor alosterik), tetapi terdapat beberapa enzim atau protein yang diregulasi secara modifikasi kovalen. Modifikasi kovalen pada enzim atau protein biasanya dilakukan oleh gugus asetil, fosfat, metil, adenil, dan uridil. Modifikasi kovalen biasanya merupakan perlekatan dapat pulih (tidak permanen). Sejumlah enzim yang mengalami modifikasi kovalen tercantum dalam Tabel 9.3 Tabel 9.3 Enzim yang diregulasi secara modifikasi kovalen Enzim Glutamin sintetase E. coli Isositrat liase E. coli Isositrat dehidrogenase E. coli Histidin protein kinase sebagian besar bakteri Protein regulator fosforilasi sebagian besar bakteri Sitrat liase pada Rhodopseudomonas Protein kemotaksis E. coli Modifikasi Adenilisasi Fosforilasi Fosforilasi Fosforilasi Fosforilasi Asetilasi Metilasi
