88
MEKANISME PEMBENTUKAN METABOLIT SEKUNDER Nur Syamsi Dhuha, S.Farm., M.Si. Haeriah. 2014. Kimia Produk Alami.

5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Embed Size (px)

DESCRIPTION

amazing

Citation preview

Page 1: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

MEKANISME PEMBENTUKAN

METABOLIT SEKUNDER Nur Syamsi Dhuha, S.Farm., M.Si.

Haeriah. 2014. Kimia Produk Alami.

Page 2: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Metabolit Primer dan Metabolit Sekunder

What’s on?

Page 3: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Pengantar Metabolit Primer

metabolit primer senyawa yang secara langsung memiliki fungsi dalam proses metabolisme utama, jalur katabolisme dan anabolisme makhluk hidup

• Tersebar merata dalam tiap organisme• Fungsi universil, sumber energi, enzim,

pengemban keturunan, dan bahan struktur• Perbedaan struktur kimia kecil• keaktifan fisiologis berkaitan dengan struktur kimia

Karakteristik metabolit primer:

Page 4: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Pengantar Metabolit Sekunder

Metabolit sekunder Ditemukan hanya pada organisme tertentu, atau kelompok organisme, dan merupakan ekspresi dari individualitas spesies

Metabolisme sekunder menyediakan sebagian besar produk-produk alami yang aktif secara farmakologi

Metabolit sekunder adalah senyawa yang tidak memiliki fungsi untuk pertumbuhan dan perkembangan secara langsung, di mana senyawa tersebut penting untuk kelangsungan hidup dan interaksi dengan lingkungan.

Fungsi metabolit sekunder

Page 5: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Kerangka Dasar Metabolit Sekunder

Bahan dasar untuk metabolit sekunder diturunkan dari metabolit primer, sebagaimana ditunjukkan pada gambar selanjutnya.

Page 6: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

O

HO

OH

OH

OH

D-glukosa

GLIKOLISIS

O

PO

OH

OH

OH

glukosa 6-P

OHC OH

POgliseraldehid 3-P

HO2C OH

POasam 3-fosfogliserat

HO2C OP

fosfoenolpiruvat

HO2C O

asa. piruvat

CoAS O

ASETIL-CoA

CO2HHO

NH2L-serin

CO2HHS

NH2L-Sistein

NH2

CO2H

Glisin

SIKLUS PENTOSA FOSFAT

POO

OH

OHeritrosa 4-P

HO

OH

CO2H

OH

ASAM SIKIMAT

OP

OH

OHO

DEOKSISILULOSA 5-P

FOTOSINTESIS

CO2H

NH2

L-fenilalanin

CO2H

NH2

L-tirosinHO

NH

CO2H

NH2

L-triptofanCO2H

NH2

CO2H

NH2

CO2H

NH2L-alanin

L-valin

L-leusinCO2H

OH

HO

ASAM MEVALONAT

HO2CCO2H

O

SIKLUS KREBS

CO2H

O

HO2CCO2HHO2C

NH2

asam oksaloasetat asam 2-oksoglutarat asam L-glutamat

HO2CCO2H

Asam L-aspartatNH2

CO2H

NH2L-Isoleusin

CO2H

NH2

S

L-metionin

CO2H

NH2

H2N

L-lisin

CO2H

NH2

H2NCO2H

NH2

HNH2N

NH

L-arginin L-ornitin

Page 7: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Bahan dasar untuk metabolit sekunder diturunkan dari metabolit primer

bahan dasar yang paling penting bagi biosintesis metabolit sekunder diturunkan dari: intermediet asetil koenzim A jalur asetat asam shikimat shikimate asam mevalonat mevalonate 1-deoxyxylulose 5-fosfat deoxyxylulose fosfat

asam amino

Page 8: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Jalur asetat

Asetil-CoA dibentuk oleh dekarboksilasi oksidatif dari jalur glikolitik asam piruvat.

Asetil koenzim A juga diproduksi melalui β-oksidasi asam lemak, yang secara efektif merupakan proses kebalikan dimana asam lemak sendiri disintesis dari asetil-CoA.

Page 9: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Jalur asetat (lanjutan)...

Metabolit sekunder yang penting terbentuk dari jalur asetat termasuk fenol, prostaglandin, dan antibiotik macrolide, bersama-sama dengan berbagai asam lemak dan turunannya.

Page 10: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Jalur Shikimat

Asam shikimat diproduksi dari kombinasi fosfoenolpiruvat, jalur glikolitik intermediet, dan erythrose 4-fosfat dari jalur pentosa fosfat.

Reaksi dari siklus pentosa fosfat dapat digunakan untuk degradasi glukosa, dan juga merupakan fitur dalam sintesis gula melalui fotosintesis.

Jalur shikimat intermediat mengarah ke berbagai senyawa fenol, turunan asam sinamat, lignan, dan alkaloid.

Page 11: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Jalur Mevalonat

Asam mevalonat terbentuk dari tiga molekul asetil ko-enzim A, tetapi saluran jalur mevalonat berbeda dengan seri senyawa dari jalur asetat.

Page 12: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Deoxyxylulose fosfat

Deoxyxylulose fosfat lahir dari kombinasi dua jalur glikolitik intermediet, yaitu asam piruvat dan gliseraldehida 3-fosfat.

Jalur mevalonate dan jalur deoxyxylulose fosfat bersama-sama bertanggung jawab atas biosintesis metabolit terpenoid dan steroid.

Page 13: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

SELAIN ASETIL KO-ENZIM A, ASAM SIKIMAT, ASAM MEVALONAT, DEOXYXYLULOSA FOSFAT, BAHAN DASAR UTAMA UNTUK BIOSINTESIS SENYAWA PRODUK ALAMI

ADALAH asam amino

Senyawa peptida, protein, alkaloid, dan beberapa senyawa antibiotik diturunkan dari asam amino

Page 14: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Produk intermediet dari jalur glikolitik dan siklus krebs digunakan sebagai bahan penyusunnya, tetapi asam amino aromatis fenilalanin, tirosin dan triptofan diproduksi dari jalur sikimat.

Ornitin, asam amino non protein, bersama dengan homolog lisin, adalah prekursor alkaloid yang penting yang merupakan senyawa intermediet siklus Krebs.

Page 15: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Metabolit sekunder

dapat disintesis dari

gabungan berbagai

building block dari jenis

yang sama atau dari campuran building block.

Diversitas struktur

Kesulitan untuk

menentukan jenis

metabolit sekunder

berdasarkan jalur

biosintesisnya

Produk alami tertentu dapat

diproduksi melalui

kombinasi dari elemen jalur asetat, sikimat, dan

deoxyxylulosa fosfat

Page 16: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

H3C

S CO2H

NH2

X CH3 O,N,C

C1L-Met

SCoA

O

SCoA

O

CO2H

C C

C2

SCoA

O

Malonil-CoAasetil- CoA

3x

asetil- CoA

HO2C

HO

OH

Asam mevalonat

unit isoprenOH

OP

O OH

HO

OP

OH OH

Deoksisilulosafosfat

metileritriolfosfat

CO2H

NH2

CO2H

NH2

L-Phe

HOL-Tyr

C6C3

C6C2

C6C1

NH2

CO2H

L-Phe

NH2

CO2H

L-TyrHO

N

C6C2N

NH

NH2

CO2H

N

N

L-Trp Indol.C2N

H2N

CO2H

NH2

N

L-OrnC4N

N

CO2H

NH2L-Lys

H2N N

C5NN

Page 17: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Penjelasan struktur dari building block yang ditunjukkan pada gambar sebelumnya

C1 = building block paling sederhana yang tersusun atas satu atom carbon, umumnya dalam bentuk gugus metil, seringkali dalam bentuk terikat dengan oksigen atau nitrogen, tetapi lebih umum dengan carbon. Diturunkan dari S-metil dari L-metionin. Contoh: gugus metilendioksi (OCH2O).

Page 18: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

C2

C2 = bisanya diberikan oleh asetil-CoA. Gugus ini dapat berupa gugus asetil, seperti ester, tetapi lebih sering merupakan bagian dari ikatan alkil yang panjang (asam lemak) atau dapat pula berupa sistem aromatik

Contoh: fenol

Page 19: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

C5 = unit rantai samping C5 “isoprena” merupakan gugus senyawa yang terbentuk dari mevalonat atau deoksiselulosa fosfat.

Mevalonat sendiri merupakan produk dari tiga molekul asetil koenzim A, tetapi hanya 5 dari 6 karbon dari mevalonat yang digunakan, gugus karboksil kemudian tidak digunakan.

Prekursor alternatif adalah deoxyxylulose phosphat, suatu derivat gula rantai lurus, yang selanjutnya mengalamai penataan ulang membentuk rantai samping isoprena.

C5

Page 20: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

C6C3 = ini merujuk pada unit fenilpropil dari rantai karbon seperti L-fenilalanin atau L-tyrosine. Keduanya adalah asam amino aromatik untuk membentuk unit sikimat.

Hal ini membutuhkan pelepasan gugus amino. Rantai samping C3 dapat berupa ikatan jenuh atau tidak

jenuh dan dapat berupa gugus yang teroksigenasi. Terkadang rantai samping ini terbuka dan melepaskan dua karbon. Lalu unit C6C2 dan C6C1 kemudian dipresentasikan dalam bentuk yang lebih pendek dalam sistem C6C3.

C6C3

Page 21: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

C6C2N = gugus ini juga terbentuk dari L-fenilalanin dan L-tirosin.

Dalam elaborasi unit ini, karbon karboksil dari asam amino dilepaskan.

C2N Indol = asam amino aromatik yang ketiga adalah L-triptofan.

Sistem yang mengandung gugus indol ini kemudian mengalami dekarboksilasi dengan cara yang sama dengan L-fenilalanin dan L-tirosin, sehingga menyisakan kerangka indol, unit C2N.

Page 22: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

C4N = unit C4N selalu ditemukan sebagai sistem pirolidin heterosiklik dan dihasilkan dari asam amino non-protein L-ornitin. Berbeda dengan unit C6C2N dan unit indol.

C2N yang dijelaskan di atas, ornitin menyumbangkan gugus δ-nitrogen amino, bukan α-nitrogen amino. Gugus fungsi asam karboksilat dan α-nitrogen amino dilepaskan.

Page 23: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

C5N = gugus ini dihasilkan dengan cara yang sama dari unit C4N, tetapi menggunakan prekursor L-lysin. Gugs ε-nitrogen amino disisakan, dan cenderung ditemukan dalam sistem cincin piperidin.

Page 24: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

CO2H

HO

OH

Asam orselinat4 x C2

OO

Opartenolida3 x C5

OOGlukosa

OH O

OH

Ramnosa

naringinC6C3 + 3 x C2 + gula

O

O

O

O

OH

MeO OMe

OMe

podofilotoksin2 x C6C3 + 4 x C1

O

OH

CO2H

asam tetrahidrokanabinolat6 x C2 + 2 x C5

MeO OMe

N

MeO

MeO

MeO

papaverin

C6C2N + (C6C2) + 4 x C1

C6C3

NH

N

HO2C Me

Asam lisergat

indol. C2N + C5+ C1

N Me O

CO2Me

Okokain

C4N + 2 X C2 + (C6C1) + 2 x C1

C6C3

Page 25: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Page 26: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi Alkilasi: Subtitusi Nukleofilik

Reaksi Alkilasi : Addisi Nukleofilik

Penataan Ulang Wagner-Meerwein

Reaksi Aldol dan Claisen

Pembentukan Basa Schiff dan Reaksi Mannich

Transaminasi

Reaksi Oksidasi dan Reduksi

Page 27: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi Alkilasi: Subtitusi Nukleofilik

Page 28: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Unit C1 metil diperoleh dari L-metionin dan dimasukkan melalui reaksi subtitusi nukleofilik.

Leaving group (gugus yang pergi dengan pasangan elektron pada pemecahan ikatan heterolotik) akan meningkat dengan perubahan L-metionin menjadi S-adenosilmetionin (SAM).

1. Reaksi Alkilasi: Subtitusi Nukleofilik

Pembentukan SAM

H3C

S

COOH

H2N

H3C

S

COOH

H2N

CH2O

HO OH

N

NN

N

NH2

L-Met S-Adenosylmethionin (SAM)

Page 29: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Hal ini mengakibatkan sulfur menjadi bermuatan positif dan memfasilitasi mekanisme subtitusi nukleofilik (SN2).

Dengan demikian, ikatan O-metil dan N-metil dapat diperoleh dengan menggunakan gugus fungsi hidroksil dan amino sebagai nukleofil.

Pembentukan ikatan C-metil membutuhkan peranan karbon nukleofilik. Posisi orto atau para pada gugus fenol atau posisi yang berdekatan dengan satu atau lebih gugus karbonil, adalah kandidat untuk C-metilasi.

Page 30: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Pem

bent

ukan

SA

M

H3C

S

COOH

H2N

H3C

S

COOH

H2N

CH2

O

HO

OHNN

N

NNH2

L-M

etS

-Ade

nosy

lmet

hion

in (

SA

M)

Page 31: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Sebuah unit isopren C5 pada pembentukan dimetilalil difosfat (DMAPP) juga dapat berperan sebagai agen alkilasi

Serupa dengan pemindahan nukleofilik, difosfat juga merupakan leaving group yang baik.

Dalam beberapa kasus, ada bukti bahwa DMAPP dapat terionisasi pertama menjadi allilik karboksi yang distabilkan melalui resonansi dan kemudian dilanjutkan dengan proses SN1.

C-alkilasi pada posisi aktif yg menggunakan DMAPP adalah analog dari proses C-metilasi yang diuraikan di atas.

Page 32: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Sebagaimana ditunjukkan di atas, unit C5 isopren dibentuk dari dimetilallil difosfat (DMAPP) yang dapat digunakan untuk alkilasi nukleofil. Dalam elaborasi terpenoid dan steroid, dua atau lebih unit C5 isopren bergabung bersama dan reaksi dirasionalisasi dalam hal kimia karbokation, termasuk penambahan karbokation elektrofilik pada alkena.

DMAPP akan mengionisasi menghasilkan karbokation allilik yang stabil oleh resonansi seperti ditunjukkan dalam gambar 4.5 dan kemudian bereaksi dengan alkena, misalnya isopentenil difosfat (IPP) seperti ditunjukkan pada gambar 4.5. Produk karbokation kemudian kehilangan proton dan menghasilkan produk geranil difosfat (GPP) yang bermuatan. Ketika alkena dan fungsi karbokation berada pada molekul yang sama, maka jenis mekanisme ini bertanggung jawab untuk reaksi siklisasi.

2. Reaksi Alkilasi : Addisi Nukleofilik

Page 33: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder
Page 34: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Karbokation awalnya mungki dihasilkan oleh sejumlah mekanisme, contoh yang penting adalah kehilangan leaving group terutama ddifosfat (yaitu ionisasi tipe SN1), protonasi dari alkena dan protonasi pembuakaan cincin epoksida (gambar 4.5). S-adenosilmetionin dan alkilasi alkena oleh mekanisme adisi menambagkan sebuah unit C1 dan menghasilkan karbokation intermediet.

Karbokation dapat dihentikan dengan hilangnya proton (membentuk alkena atau kadang-kadang cincin siklopropana) atau oleh urutan nukleofil yang cocok, khususnya air.

Page 35: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder
Page 36: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Berbagai macam struktur senyawa yang ditemukan di alam yang meliputi turunan terpenoid dan steroid hanya dapat dirasionalisai sebagai struktur yang berasal dari unit C5 isoprena jika beberapa proses penataan ulang (reaarrangement) terjadi selama proses biosintesisnya.

Penataan ulang ini, dalam beberapa hal, telah dikonfirmasi secara eksperimental, dan hampir selalu konsisten dengan karbokation intermediet. Penataan ulang dalam reaksi kimia meiputi karbokation intermediet, seperti reaksi SN1 dan E1 tidak umum, dan biasanya terdiri dari pergeseran 1,2 gugus hidrida, metil, atau alkil. Terkadang pergeseran 1,3 atau lebih dapat terjadi.

Pergeseran ini disebut sebagai Pergeseran Wagner-Meerwein (Wagner-Meerwein Rearrangement). Penataan ini mudah dirasionalisasi dan menghasilkan karbokation yang lebih stabil. Kemudian, karbokation tersier lebih disukai dibanding karbokation sekunder, dan tujuan dalam penataan ulang ini adalah untuk mencapai status tersier pada inti positif. Namun demikian, transisi dari posisi tersier ke posisi sekunder dapat dilakukan bila penataan ulang memungkinkan pelepasan cincin strain yang signifikan. Konsep umum ini biasanya diabaikan oleh alam, namun harus diingat bahwa reaksi yang dimediasi oleh enzim dan karbokation mungkin tidak terdapat sebagai spesies diskret dalam transformasinya. Hal yang menarik adalah beberapa jalur biosintetik, misalnya yang mengarah ke steroid, adalah serangkaian migrasi 1,2 yang dirasionalisasi melalui kimia krbokation, tetapi sepenuhnya merupakan konsekuensi dari partisipasi enzim.

3. Penataan Ulang Wagner-Meerwein

Page 37: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder
Page 38: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi Aldol dan Claisen, keduanya mencakup pembentukan ikatan karbon-karbon dan reaksi kimia yang dikatalisis yang tergantung pada pembentukan anion enolat yang distabilkan oleh resonansi dari sistem karbonil yang sesuai (gambar 4.7 ). Produk dari reaksi Aldol dan Claisen terbentuk tergantung pada sifat dari senyawa X dan potensinya sebagai leaving group. Secara kimia, dua molekul asetaldehid akan menghasilkan aldol, dan dua molekul etil asetat akan menghasilkan etil asetoasetat.

4. Reaksi Aldol dan Claisen

Page 39: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder
Page 40: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Dalam kebanyakan kasus, reaksi biologis melibatkan ester koenzim A, misalnya asetil-CoA. Ini adalah thioester asam asetat, dan memiliki keunggulan signifikan dibandingkan ester oksigen, misalnya etil asetat, bahwa hidrogen α-metilena lebih asam, bahkan bila dibandingkan dengan keton yang setara, sehingga meningkatkan kemungkinan menghasilkan anion enolat. Hal ini dijelaskan dalam hal delokalisasi elektron dalam gugus fungsi gester. Jenis delokalisasi lebih menonjol dalam ester oksigen daripada ester sulfur, karena ukuran oksigen lebih kecil dan dengan demikian kedekatan dari pasangan elektron bebas tumpang tindih dengan orbital karbon itu. Selanjutnya, thioester memiliki gugus pergi (leaving group) yang jauh lebih menguntungkan daripada ester oksigen, dan efek gabungannya adalah meningkatkan reaktivitas untuk kedua jenis reaksi Aldol dan Claisen.

Page 41: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi Claisen melibatkan asetil-CoA yang lebih menguntungkan dengan terlebih dahulu mengkonversi asetil-CoA menjadi malonil-CoA oleh reaksi karboksilasi dengan CO2 menggunakan ATP dan koenzim biotin. ATP dan CO2 (sebagai bikarbonat, HCO3 -) membentuk anhidrida campuran, di mana koenzim karboksilat dalam kompleks biotin-enzim.

Page 42: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder
Page 43: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Fiksasi karbon dioksida dengan kompleks biotin-enzim tidak unik menjadi asetil-CoA, dan contoh lain yang penting terjadi pada pembentukan oksaloasetat dari piruvat dalam sintesis glukosa dari sumber non-karbohidrat (glukoneogenesis). Konversi asetil-CoA menjadi malonil-CoA berarti α-hidrogen yang sekarang diapit oleh dua gugus karbonil, dengan keasaman yang meningkat. Dengan demikian, nukleofil yang lebih menguntungkan disediakan untuk reaksi Claisen. Tidak ada turunan asam malonat terasilasi yang diproduksi, dan gugus karboksil yang dimasukkan ke malonil-CoA secara simultan hilang oleh reaksi dekarboksilasi selama kondensasi Claisen (Gambar 4.9). Rasionalisasi alternatif adalah dekarboksilasi ester malonyl digunakan untuk menghasilkan anion asetil enolat tanpa adanya basa kuat . Dengan demikian, produk yang dibentuk dari asetil-CoA sebagai elektrofil dan malonil-CoA sebagai nukleofil adalah asetoasetil-CoA, yang sebenarnya sama dengan dalam kondensasi dua molekul asetil- CoA. Dengan demikian, maka tahap karboksilasi ini jelas: karboksil mengaktifkan α-karbon untuk memfasilitasi kondensasi Claisen, dan segera dihilangkan pada penyelesaian tahap ini.

 

Page 44: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Pembentukan asetoasetil CoA melalui kondensasi Claisen

Page 45: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Rangkaian reaksi pembentukan asam asetoasetat

Page 46: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Oksidasi asam lemak

Page 47: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Dengan analogi ini, kondensasi kimia Claisen menggunakan anion enolat dari dietil malonat dalam Gambar 4.10. Hasilnya jauh lebih baik dari pada yang menggunakan enolat dari etil asetat. Produk asam Acetoacetic yang sama dapat dibentuk dalam kondensasi malonat oleh hidrolisis dari malonat terasilasi intermediet dan dekarboksilasi dari gem-asam bervalensi dua.

Baik reaksi aldol terbalik dan Claisen terbalik mungkin ditemukan dalam modifikasi molekul produk alami. Reaksi ini akan menghapus fragmen dari kerangka dasar yang sudah dihasilkan, tetapi dapat menambah keragaman struktur. Reaksi Claisen terbalik lebih menonjolkan urutan β-oksidasi untk degradasi katabolik dari asam lemak, di mana unit C2 sebagai asetil-CoA dipisahkan dari rantai asam lemak, meninggalkan dua ikatan karbon pendek.

 

Page 48: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Pembentukan ikatan C-N seringkali dicapai dengan reaksi kondensasi antara amina dan aldehida atau keton. Suatu tambahan nukleofilik yang khas yang diikuti dengan pelepasan molekul air menghasilkan imin atau basa Schiff (gambar 4.11 ). Sebanding dengan reaksi ini adalah kebalikan dari proses ini, yaitu hidrolisis imin menjadi amina dan aldehid/keton. Pembentukan imin, atau lebih mungkin adalah bentuk protonasi dari ion iminium, yang dapat berperan sebagai elektrofil pada Reaksi Mannich. Sebagai nukleofil dapat diberikan oleh anion enolat, atau dalam beberapa contoh oleh gugus aktif dalam sebuah sistem aromatik.

5. Pembentukan Basa Schiff dan Reaksi Mannich

Page 49: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Pembentukan basa schiff dan Reaksi Mannich

Page 50: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi Mannich dapat ditemui dalam biosintesis alkaloid dan dalam bentuk yang paling umum melibatkan kommbinasi amin (primer atau sekunder), aldehid atau keton, dan karbon nukleofilik. Amin sekunder akan bereaksi senyawa karbonil membentuk ion iminium (basa Schiff quarterner) secara langsung, dan langkah protonasi tambahan tidak diperlukan.

Perlu diperhatikan bahwa reaksi adisi mirip-Mannich sedikit berbeda dari adisi nukleofilik ke gugus karboil, seperti pada gambar 4.11. Ion imina/ iminium bertindak sebagai analog nitrogen dari karbonil/karbonil terprotonasi. Melihat analogi ini lebih lanjut, proton pada karbon yang berdekatan dengan sebuah gugus imina akan bersifat asam. Dua senyawa karbonil yang dapat bereaksi melalui reaksi aldol, juga dua sistem imin, ini ditunjukkan pada gambar 4.12 Seringkali substrat aldehid dan keton dalam reaksi enzimatik terikat kovalen dengan enzim melalui ikatan imin, dengan demikian tidak ada kehilangan aktivasi karbonil sebagai konsekuensi dari bentuk ikatan yang baru.

Page 51: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Dua senyawa karbonil yang dapat bereaksi melalui reaksi aldol, juga dua

sistem imin

Page 52: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Transaminasi adalah perubahan gugus amino dari asam amino menjadi bentuk asam keto, dan merupakan proses umum untuk masuknya nitrogen ke asam amino, dan untuk pelepasan nitrogen dari asam amino. Pasangan asam glutamat/asam 2-oksoglutarat adalah donor/akseptor yang biasa untuk gugus amino. Aminasi reduktif dari intermediet siklus Krebs asam 2-oksoglutarat ke asam glutamat bertanggung jawab untuk penggabungan awal nitrogen, suatu reaksi yang mencakup pembentukan imin dan reduksi selanjutnya. Reaksi transaminasi kemudian diikuti dengan transfer gugus amino dari asam glutamat ke asam keto yang sesuai, atau pada proses sebaliknya dari asam amino ke asam 2-oksoglutarat. Reaksi ini tergantung pada koenzim pyridoxal fosfat (PLP) dan fitur basa Schiff/ imin intermediet dengan gugus aldehid dari PLP. hidrogen alfa dari asam amino awal dibuat lebih asam dan kemudian dilepaskan, membentuk ketimin dengan proses reprotonasi yang juga mengambalikan aromatisitas cincin piridin. Asam keto kemudian dibebaskan melalui hidrolisis dari fungsi basa Schiff, menghasilan piridoksamin fosfat. urutan yang tersisa adlah pembalikan proses ini dan transfer gugus fungsi amina dari piridoksamin fosfat ke asam keto yang lain.

6.Transaminasi

Page 53: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Rangkaian reaksi transaminasi

Page 54: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Banyak jalur untuk produk alami melibatkan tahapan yang menghilangkan bagian-bagian dari rangka karbon. Meskipun dua atau lebih atom karbon mungkin dipecah melalui reaksi aldol atau Claisen terbalik. Reaksi yang disebutkan di atas, sejauh ini yang paling umum untuk modifikasi degradatif adalah hilangnya satu karbon atom melalui reaksi dekarboksilasi. Dekarboksilasi adalah fitur biosintesis tertentu yang memanfaatkan asam amino, dan telah ditunjukkan bahwa beberapa building block dasar, mis C6C2N, indole.C2N, berasal dari asam amino melalui hilangnya gugus karboksil. Reaksi dekarboksilasi asam amino juga merupakan reaksi yang tergantung pada piridoksal -fosfat (bandingkan transaminasi) dan ditunjukkan seperti pada Gambar 4.14 (a). Dekarboksilasi difasilitasi dengan cara yang sama untuk urutan transaminasi. Setelah protonasi karbon alfa awal , amina dilepaskan dari koenzim oleh hidrolisis basa Schiff.

7. Reaksi dekarboksilasi

Page 55: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Asam β-Keto bersifat termolabil dan mengalami dekarboksilasi cepat in vitro melalui mekanisme siklik yang berlangsung melalui bentuk enol dari keton akhir [Gambar 4.14 (b)]. Reaksi serupa juga ditemukan di alam, meskipun apakah proses siklik

diperlukan tidak jelas. Asam orto-fenolik juga mudah mengalami dekarboksilasi in vitro dan in vivo, dan itu memungkinkan untuk memasukkan kembali asam β-keto tautomer siklik dari substrat. Dekarboksilasi asam para-fenolat tidak memiliki keadaan transisi siklik, tetapi gugus karbonil tautomer keto bertujuan mengaktifkan sistem untuk dekarboksilasi. Jalur asetat seringkali menghasilkan struktur yang mengandung gugus fungsi asam karboksilat dan fenol, dan reaksi dekarboksilasi dapat berlanjut sehingga menghasilkan fitur modifikasi lebih lanjut. Gugus karboksil dapat dihasilkan oleh hidrolisis bagian tioester dari prekursor asetil –CoA, juga dimungkinkan ketika gugus metil secara berurutan dioksidasi menjadi karboksil, yang kemudian mengalami dekarboksilasi.

Page 56: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Dekarboksilasi asam α-keto adalah fitur metabolisme primer, misalnya asam piruvat → asetaldehida dalam glikolisis, dan asam piruvat → asetil-CoA, contoh dekarboksilasi oksidatif keseluruhan sebelum masuknya asetil-CoA   ke dalam siklus Krebs. Kedua jenis reaksi ini tergantung pada tiamin difosfat (TPP). TPP adalah koenzim yang mengandung cincin tiazol, yang memiliki hidrogen asam dan dengan demikian mampu menghasilkan carbanion. Ini bertindak sebagai nukleofil terhadap kelompok karbonil. Dekarboksilasi asam piruvat menjadi asetaldehida digambarkan pada Gambar 4.14 (c), proses yang juga melahirkan carbanion. Pada langkah dekarboksilasi oksidatif, ikatan enzim dari koenzim yang mengandung disulfida asam lipoat juga terjadi. Intermediet enamin berperan menerima proto, yang digunakan untuk menyerang sulfur dalam asam lipoat melalui urutan ikatan S-S, mengakibatkan reduksi fragmen asam lipoat secara efektif. Hal ini memungkinkan regenerasi TPP carbanion, dan gugus asetil berikatan dengan asam dihidrolipoat. Gugus asetil kemudian dilepaskan sebagai asetil CoA melalui pertukaran dengan tiol coenzim A. Fragmen asam dihidrolipoat yang terikat kemudiaan direoksidasi. Reaksi kesetimbangan yang nyata terjadi pada siklus Krebs pada konversi asam 2-oksoglutarat menjadi suksinil coA.

Page 57: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder
Page 58: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi Dekarboksilasi

Page 59: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Perubahan menjadi bentuk oksidasi dari suatu molekul seringkali terjadi pada saat sintesis atau modifikasi metabolit sekunder. Proses ini tidak selalu dipahami secara sempurna, tetapi dapat dikenali secara umum. Proses ini dapat diklasifikasikan menurut tipe enzim yang terlibat dan mekanisme kerjanya.

 

8. Reaksi Oksidasi dan Reduksi

Page 60: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Dehidrogenase melepaskan dua atom hidrogen dari substrat, melewatkan substrat ke akseptor koenzim yang sesuai. Sistem konezim yang terlibat dapat secara umum dihubungkan dengan gugus fungsi yang telah dioksidasi dalam substrat. Proses oksidasi berlangsung seperti berikut:

 

Dehidrogenase

CH OH C O

Page 61: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

kemudian piridin nukleotida, nicotinamaide adenine dinucleotide (NAD+) atau nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP), cenderung berfungsi sebagai akseptor hidrogen. Satu atom hidrogen dari substrat (yang terikat dengan karbon) ditransfer sebagai hidrida ke koenzim, dan yang lainnya, sebagai proton melewati medium (gambar 4.15). NAD(P)+ mungkin juga digunakan pada oksidasi berikut,

Page 62: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Gambar 4.15 Reaksi dehidrogenase

Page 63: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Sebaliknya, reaksi reduksi juga ditunjukkan pada gambar 4.15, dan dapat dibandingkan dengan proses reduksi kimiawi dengan menggunakan hidrida logam kompleks, misalnya LiAlH4 atau NaBH4, dinamakan addisi nukleofilik hidrida dan protonasi berurutan. Bentuk reduksi NADH dan NADPH adalah cocok digunakan sebagai agen pereduksi pendonor hidrida. dalam prakteknya, NADPH secara umum terlibat dalam proses reduktif, di mana NAD+ digunakan dalam oksidasi.

Page 64: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Proses oksidatif menjadi konversi koenzim yang digunakan sebagai akseptor adalaf flavin nukleotida, flavin adenine dinucleotide (FAD) atau flavin mononucleotide (FMN).

Entiti ini terikat pada enzim dalam bentuk flavoprotein, dan mengikat dua atom hidrohen, ditunjukkan pada gambar 4.16 yang diturunkan

Page 65: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi dehidrogenase dengan akseptor FAD dan NAD

Page 66: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

dari addisi hidrida dari substrat dan proton dari medium. Mekanisme alternatif adalah rangkaian reduktif yang melibatkan flavoprotein yang dipresentasikan sebagai reaksi balik dalam gambar 4.17. NADPH dapat berperan sebagai koenzim pada reduksi ikatan rangkap karbon-karbon.

Reaksi oksidasi ini melibatkan piridin nukleotida dan flavoprotein secara khusus pada metabolisme primer dalam pelepasan energi dari molekul bahan bakar pada pembentukan ATP. koenzim reduksi terbentuk pada proses ini secara normal mengalami reoksidasi melalui rantai transport elektron fosforilasi oksidatif, sehingga atom hidrogen melewati oksigen membentuk molekul air.

Page 67: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Oksidase juga melepaskan hidrogen dari substrat, tetapi melewatkan atom-atom ini ke oksigen molekuler atau hidrogen peroksida, yang pada kedua keadaan ini akan membentuk molekul air. Oksidase menggunakan hidrogen peroksida disebut peroksidase. Transformasi yang penting dalam metabolisme sekunder termasuk oksidasi dari orto- dan para-quinol menjadi quinon (gambar 4.17), dan proksidase yang diinduksi proses kopling oksidatif dari fenol.

Oksidase

Page 68: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

reaksi oksidasi dari orto- dan para-quinol menjadi quinon

Page 69: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Oksigenase mengkatalisis adisi langsung oksigen dari oksigen molekular ke substrat. Oksigenase dibagi menjadi mono- dan di-oksigenase menurut jumlah atom oksigen yang dimasukkan ke dalam substrat. Dengan mono-oksigenase, atom oksigen kedua dari O2 direduksi menjadi air dengan donor hidrogen yang tepat, seperti NADH, NADPH atau asam askorbat (vitamin C). Dalam hal ini, senyawa ini dipertimbangkan sebagai okidase, dan istila mixed-function oxidase juga digunakan untuk enzim ini. Contoh yang penting dari enzim enzim ini adalah donor cytochrome P-450-dependent mono-oxigenase. Ini seringkali terlibat dalam hidroksilasi biologik, juga pada biosintesis, ata detoksifikasi mamalian dan etabolisme dari senyawa asing seperti obat-obatan, dan enzim ini kemudian diistilahkan sebagai hidroksilase. Cytochrome P-450 ini diberi nama demikian karena intensitas pita absorpsinya pada 450 nm ketika diekspose terhadap CO, di mana CO ini merupakan inhibitor yang kuat dari enzim tersebut. Sitokrom P-450 mengandung kompleks besi-porfirin (haem), yang terikat pada enzim, dan perubahan redoks akan dialami atom Fe diikuti pengikatan dan pemisahan atom oksigen. Banyak dari sistem ini telah diidentifikasi, seperti pada hidroksilasi sistem alifatik atau aromatik, sebagaimana pembentukan epoksi dari alkena (gambar 4.18). Dalam banyak hal, NADPH berperan sebagai donor hidrogen.

Mono-oksigenase

Page 70: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi pembentukan epoksi dari alkena

Page 71: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Hidroksilasi aromatik dikatalisis oleh monooksigenase (termasuk sitokrom P-450) yang kemungkinan melibatkan intermediet arena oksida (epoksi) (gambar 4.19). Suatu rangkaian yang menarik dari mekanisme ini adalah ketika epoksida terbuka, atom hidrogen akan diserang pada posisiya menjadi terhidroksilasi yang dapat berpindah ke karbon yang sejajar pada cincin. Proporsi yang tinggi dari atom hidrogen ini akan tersisa pada hasil alhir, meskipun enolisasi mengakibatkan kehilangan hidrogen. Migrasi ini dikenal sebagai NIH shift. yang telah diobservasi di National Institute of Health, Bethesda, MD, USA.

Page 72: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Hidroksilasi aromatik dikatalisis oleh monooksigenase (termasuk sitokrom P-450) yang

melibatkan intermediet arena oksida (epoksi)

Page 73: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Siklisasi oksidatif dari sistem aromatik tersubtitusi orto-metoksi menghasilkan gugus metilendioksi, diketahui juga melibatkan sitokrom P-450-dependent mono-oxigenase. Enzim ini menghidroksilasi metil menjadi intermediet formaldehid hemiasetal, yang dapat disiklisasi menjadi jembatan metilendioksi (asetal dari formaldehid) melalui mekanisme ionik (gambar 4.20)

Page 74: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

siklisasi formaldehid hemiasetal menjadi metilendioksi

Page 75: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Dioksigenase memasukkan dua atom dari molekul oksigen ke dalam substrat, dan sering terlibat dalam pemecahan ikatan, termasuk cincin aromatik. Peroksida siklik (dioxetanes) adalah intermediet yang

mungkin (Gambar 4.21). Pemecahan oksidatif dari cincin aromatik pasti melibatkan substrat katekol (1,2-dihidroksi) atau quinol (1,4-dihidroksi), dan dalam hal katekol, pemecahan mungkin terjadi antara atau dua gugus hidroksil yang berdekatan menghasilkan produk yang mengandung aldehid dan atau fungsi asam karboksilat (gambar 4.21)

Beberapa dioksigenase memanfaatkan dua substrat akseptor dan menggabungkan satu oksigen ke masing-masing substrat. Kemudian, 2-oxoglutarate-dependent dioxygenase menghidroksilasi satu substrat, dan juga mentrasformasi 2-oksoglutarat menjadi suksinat dengan melepaskan CO2 (gambar 4.22). 2-oksoglutarat-deendent dioxygenase juga dibutuhkan sebagai kofaktor Fe2+ menghasilkan kompleks enzim terikat besi-oksigen, dan asam askorbat (vitamin C) untuk kemudian mereduksi komppleks ini.

Dioksigenase

Page 76: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi oksidasi dengan enzim dioksigenase dengan intermediet

peroksida siklik

Page 77: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi oksidasi dengan mentrasformasi 2-oksoglutarat menjadi suksinat dengan

melepaskan CO2

Page 78: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Amina Oksidase

Selain enzim oksidase yang diuraikan di atas, yang mengubah amina menjadi aldehida, amine oksidase, yang sering terlibat dalam jalur metabolik. Termasuk monoamin oksidase dan diamina oksidase. Monoamine oksidase memanfaatkan nukleotida flavin, biasanya FAD, dan molekul oksigen, dan melibatkan dehidrogenasi awal untuk imin, diikuti dengan hidrolisis menjadi aldehida dan amonia (Gambar 4.23). Diamin oksidase membutuhkan substrat diamina, dan mengoksidasi pada satu gugus amino menggunakan molekul oksigen untuk menghasilkan aldehida yang sesuai. Hidrogen peroksida dan amonia merupakan produk lain yang terbentuk. Aminoaldehyde juga terbentuk maka memiliki potensi untuk diubah menjadi imina siklik melalui pembentukan basa Schiff.

Page 79: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi oksidasi dengan ezim amina oksidase

Page 80: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Oksidasi kimia keton oleh per-asam, yaitu oksidasi Baeyer-Villiger, menghasilkan sebuah ester, dan proses ini dikenal melibatkan migrasi gugus alkil dari keton (Gambar 4.24). Untuk membandingkan konversi keton → ester yang diketahui terjadi dalam biokimia, tampaknya melibatkan sitokrom-P-450-atau FAD-dependent enzymes membutuhkan NADPH dan O2. Hal ini menyebabkan pembentukan dari kompleks peroksi-enzim dan mekanismenya mirip dengan oksidasi kimia Baeyer-Villiger dapat terjadi. Atom oksigen yang dimasukkan berasal dari O2.

Oksidasi Baeyer-Villiger

Page 81: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder
Page 82: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Banyak produk alami yang dihasilkan oleh kopling dari dua atau lebih sistem fenolik, proses ini mudah dirasionalisasikan dengan reaksi radikal bebas. Reaksi dapat terjadu melalui enzim oksidase, seperti peroksidase dan laktase, yang diketahu menjadi generator radikal. Enzim yang mengkatalsisis kopling oksidatif fenolik dikarakterisasi sebagai cytochrome P-450-dependent protein, membutuhkan kofaktor NADPH dan O2, tetapi tidak ada oksigen yang dimasukkan ke dalam substrat. Oksidasi sebuah elektron dari fenol akan menghaslkan radikal bebas, dan elektron yang tidak berpasangan kemudian didelokalisasi melalui bentuk resonansi di mana elektron bebas disebar pada posisi orto dan para dari fungsi oksigen awalnya (gambar 4.25). Kopling dari dua struktur mesomer ini menghasilkan sistem dimerik seperti yang dicontohkan pada gambar 4.25. Produk akhir yang ditunjukkan kemudian diturunkan melalui enolisasi, yang mengembalikan aromatisitas pada cincin. Setelah itu ikatan karbon-karbon membentuk posisi orto dan para pada fenol, atau ikatan eter dapat terbentuk. Sistem dienon reaktif terbentuk sebagai intermediet dapat terjadi bila diserang oleh nukleofilik lain, menambah rentang struktur yang diturunkan dari urutan reaksi dasar ini.

 

Kopling Oksidatif Fenolik

Page 83: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder
Page 84: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Proses pembentukan glikosida dan polisakarida membutuhkan penggabungan unit gula pada atom yang sesuai dari aglikon untuk membentuk glikosida atau pada unit gula yang lain untuk membentuk polisakarida. Ikatan yang terbentuk cenderung melalui atom oksigen, meskipun tidak dibatasi hanya pada atom oksigen saja, karena juga dikenal glikosida S-, N-, dan C-. Perantara untuk reaksi glikosilasi adalah uridin difosfo-gula, seperti UDPglukosa. UDPglukosa ini disintesis dari glukosa 1-fosfat dan UTP, lalu proses glikosilasi dapat dibayangkan sebagai reaksi subtitusi nukleofilik (SN2) sederhana (gambar 4.26). UDPglukosa merupakan leaving group pada kofigurasi alfa, maka hasilnya konfigurasi beta, sebagaimana yang umum dijumpai pad glikosida alami.

Reaksi Glikosilasi

Page 85: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Reaksi Proses pembentukan glikosida

Page 86: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Hidrolsis glukosida dapat terjadi melalui hidrolisis enzimatik yang spesifik, seperti β-glukosidase untuk β-glukosida dan β-galaktosidase untuk β-galaktosida. Pada suasan asam, bentuk α- dan β-anomerik hemiasetal dapat mengalami kesetimbangan melalui pembukaan rantau gula. Secara khusus, meskipun glikosida O-, N-, dan S- dapat dihidrolsisi oleh asam, tetapi glikosida C- bersifat stabil terhadap asam. Glikosida C- dihasilkan melalui cara yang sama dengan proses alkilasi C- yang telah dijelaskan sebelumnya, di mana nukleofilik karbon yang sesuai tersedia, seperti sistem aromatik teraktivasi oleh gugus fenol (gambar 4.26(c)). Resultan glikosida C- mengandung ikatan karbon-karbon yang baru, dan pemecahannya membutuhkan oksidasi, bukan reaksi hidrolisis.

Page 87: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Perbedaan antara metabolit primer dan metabolit sekunder telah dijelaskan, dan building blocks dasar yang digunakan dalam biosintesis metabolit sekunder atau produk alami sekunder telah diketahui. Bidang kimia menggaris bawahi bagaimana building block ini dirakit juga telah dijelaskan, dibagi menurut mekanisme kimianya, termasuk reaksi alkilasi, penataan ulang Wagner-Meerwein, reaksi Aldol dan Claisen, pembentukan basa Schiff dan Reaksi Mannich, Transaminasi, Dekarboksilasi, Reaksi oksidasi dan reduksi, Kopling oksidatif fenol, dan glikosilasi.

Page 88: 5 Mekanisme Pembentukan Metabolit Sekunder

Terima KasihSee you Next Time