BIOKIMIA IIDIKTAT
Disusun Oleh: Ketut Ratnayani, S.Si., M.Si. A.A Mayun Laksmiwati, S.Si., M.Si. Ir. Sri Wahyuni, M.Kes.
Dibiayai dari Dana Hibah Pengajaran SP4 Tahun 2006
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS UDAYANABUKIT JIMBARAN
DAFTAR ISI
BAB I PENGANTAR METABOLISME
TIU
: Mahasiswa mampu menjelaskan tentang gambaran umum metabolisme beserta pengaturannya secara tepat dan benar (C2).
1.1 Gambaran Umum Metabolisme Keseluruhan rangkaian reaksi kimia yang berlangsung dalam sel hidup disebut metabolisme. Metabolisme merupakan aktivitas sel yang amat terkoordinasi, mempunyai tujuan dan mencakup berbagai kerjasama banyak sistem multienzim. Semua spesi yang berkaitan dengan reaksi metabolisme (seperti substrat, senyawa intermediet dan produk) disebut metabolit. Metabolisme memiliki empat fungsi spesifik, yaitu: 1. Untuk memperoleh energi kimia (dari degradasi sari makanan yang kaya energi yang berasa dari lingkungan atau energi matahari). 2. Untuk mengubah molekul nutrien menjadi precursor unit pembangun bagi makromolekul sel. 3. Untuk menggabungkan unit-unit pembangun ini menjadi makromolekul (protein, asam nukleat, lipida, polisakarida) dan komponen sel lain.4. Untuk membentuk dan mendegradasi biomolekul yang diperlukan di dalam
fungsi khusus. Secara umum metabolisme dapat dibagi menjadi dua fase yaitu katabolisme (degradasi) dan anabolisme (biosintesis). Katabolisme merupakan fase metabolisme yang bersifat menguraikan, menyebabkan molekul nutrien seperti karbohidrat, protein dan lipida yang datang dari lingkungan atau dari cadangan makanan sel itu sendiri terurai di dalam reaksi-reaksi bertahap menjadi produk akhir yang lebih kecil dan sederhana, seperti asam laktat, CO2, dan amonia. Katabolisme diikuti oleh pelepasan sederhana, seperti asam laktat. Katabolisme diikuti oleh pelepasan energi bebas ( di dalam bentuk molekul pembawa energi, ATP atau NADPH) yang telah tersimpan di dalam struktur komplek molekul organik yang lebih besar tersebut. Sedangkan Anabolisme merupakan fase pembentukan atau sintesis dari metabolisme, yaitu molekul pemula atau unit pembangun yang lebih kecil disusun menjadi makromolekul besar yang merupakan komponen sel, seperti protein dan asam nukleat. Karena biosintesis mengakibatkan peningkatan ukuran1
dan kompleksitas struktur, maka proses ini memerlukan input energi bebas, yang diberikan oleh pemecah ATP menjadi ADP dan fosfat. Biosintesis beberapakomponen sel juga memerlukan atom hidrogen berenergi tinggi yang disumbangkan oleh NADPH. Katabolisme dan anabolisme terjadi bersamaan di dalam sel dan kecepatan prosesnya diatur sendiri-sendiri. Secara umum dapat kita bandingkan proses-proses katabolisme dengan anabolisme berdasarkan Tabel 1.1. No 1 Tinjauan Proses Katabolisme Penguraian sederhana 2 Energi molekul Anabolisme nutrien Pembentukan atau sintesis dari unit pembangun proses yang
kaya energi menjadi molekul makromolekul
Diikuti pelepasan energi bebas Merupakan dalam bentuk ATP (ATP)
membutuhkan energi bebas
3
Pola
Lintas
katabolik
menyatu Lintas produk berbeda
anabolik
menyebar yang
menjadi lintas akhir bersama
menghasilkan banyak jenis biosintesis
1
1
Gambar 1.1. Gambaran Umum metabolisme globalSiklus Produk I Molekul BioAsetil-KoA Tahap III HProdukakhir Tahap II CO2 Protein Tahap Polisakarida NH3 Piruvat Glukosa Asam Lipid Gliserol O 2 Asam Degradasi katabolisme Molekul Unit Amino asam Sitrat Pembangun Umum Besar yang lemak sederhanan
dan berukuran kecil
Gambar 1.2 Tiga tahap katabolisme aerobik Ketiga tahap katabolisme dari nutrien utama penghasil energi. Pada tahap I ratusan protein dan berbagai jenis polisakarida dan lipid dipecahkan menjadi komponen unit pembangunnya, yang relatif hanya berjumlah sedikit. Pada tahap II, molekul unit pembangun selanjutnya akan diuraikan lagi menjadi suatu produk yang bersifat umum yaitu gugus asetil-KoA. Akhirnya, pada tahap III, katabolisme mengarah kepada siklus asam sitrat dengan pembentukan hanya tiga produk akhir utama. Walaupun asam nukleat juga mengalami penguraian secara bertahap, proses ini tidak diperlihatkan karena pemecahan ini tidak terlalu banyak memberikan energi yang dibutuhkan oleh sel.
1
Lintas katabolik yang menyatu X W V U T S R Q P O N M L K J I H G F E D C B Produk A Pemula biosintetik Akhir Katabolik
Lintas biosintetik yang menyebar, yang membentuk banyak produk dari beberapa jenis pemula
Gambar 1.3 Menyatunya lintas katabolik dan menyebarnya lintas anabolikAsam amino ProteinCO2 Karbohidrat Energi kimia Molekul Pemula Makromolekul Produk akhir ATP Nutrien Gula sel energi Polisakarida LemakHmiskin Penghasil NADPH yang O Asam lemak Lipid energi Protein 2 NH3 Basa nukleat Asamnitrogen
Gambar 1.4 Hubungan energi di antara lintas katabolik dan lintas anabolik 1.1.1. Lintas katabolisme Lintas katabolisme menyerupai sungai yang meluas dialiri dari berbagai cabang anak sungai. Terdapat tiga tahap utama di dalam proses katabolisme aerobik (gambar 1.2) yaitu:
1
Tahap 1 : Makromolekul
sel dipecah menjadi molekul unit pembangunnya atau
monomernya, misal : polisakarida dipecah menjadi monosakarida. Tahap 2 : Berbagai produk dari tahap 1, dikumpulkan dan diuraikan menjadi produk yang bermanfaat umum (senyawa antara) yaitu Asetil-CoA (2C) dan piruvat (3C). Tahap 3 : Katabolisme mengarah pada siklus asam sitrat dengan pembentukan hanya tiga macam produk akhir utama yaitu : CO2, H2O, dan NH3. Gugus asetil dari Asetil-CoA diberikan kedalam siklus asam sitrat yang merupakan lintas akhir yang bersifat umum yang dilalui oleh nutrien penghasil energi. Disini terjadi oksidasi nutrien menghasilkan CO2, H2O, NH3, dan energi (dalam bentuk molekul ATP). 1.1.2. Lintas anabolisme Lintas anabolisme mempunyai banyak cabang yang menuju kepada ratusan jenis komponen sel. Lintas anabolisme juga berlangsung dalam tiga tahap, yaitu (contoh pada biosintesa polisakarida pati) : Tahap 1 : Dimulai dengan molekul kecil pemula, sebagai contoh sintesis pati (polimer glukosa) dimulai dari asam piruvat, intermediet asam sitrat, asam -keto dan pemula lain. Tahap 2 : Pada sintesis glukosa asam piruvat diubah menjadi glukosa melalui proses glukoneogenesis. Tahap 3 : Pada tahap terakhir glukosa dirangkai menjadi polisakarida pati. 1.1 Metabolisme Jalur Utama dan Metabolisme Sekunder Sampai saat ini kita telah membicarakan, terutama lintas metabolisme utama atau primer, tempat berubahnya zat makanan sel yang berukuran relatif besar (karbohidrat, lipida, dan protein). Pada lintas utama ini aliran metabolik relatif besar. Sebagai contoh, beberapa ratus gram glukosa dioksidasi menjadi CO2 dan H2O tiap hari oleh orang dewasa. Tetapi, terdapat pula lintas metabolik lain yang memiliki densitas aliran yang jauh lebih kecil termasuk pembentukan dan penguraian senyawa dalam jumlah hanya miligramperhari. Lintas ini menyusun metabolisme sekunder sel, termasuk pembentukan produk-produk khusus yang diperlukan oleh sel dalam jumlah sedikit. Lintas sekunder metabolisme ini terlibat dalam biosintesa koenzim dan hormon termasuk produk-produk yang dibutuhkan oleh sel dalam jumlah sedikit. Lintas sekunder metabolisme di dalam sebagai bentuk kehidupan2
menghasilkan ratusan biomolekul yang amat khusus seperti nukleotida, pigmen, toksin, antibiotik dan alkaloid. Produk-produk ini amat penting bagi kehidupan organisme yang membuatnya, dan masing-masing memiliki tujuan biologis spesifik, senyawa ini dibuat oleh lintas sekunder khusus yang tidak selalu diketahui detailnya. 1.2 Pengaturan Lintas Metabolisme Lintas metabolisme diatur dalam tiga jenis mekanisme yang berbeda, yaitu: 1. Kontrol aktivitas enzim Alosterik Kontrol aktivitas enzim Alosterik merupakan bentuk regulasi yang paling cepat memberikan respon. Enzim alosterik mampu mengubah aktivitas katalitiknya sebagai respon terhadap molekul efektor (pemberi rangsangan atau penghambat). Enzim alosterik biasanya terletak pada atau dekat permulaan dari suatu urutan multienzim dan mengkatalisis tahap yang membatasi kecepatannya, yang biasanya merupakan reaksi yang tidak dapat balik. Pada lintas katabolik yang menuju kepada pembentukan ATP dari ADP, produk akhir ATP sering kali berfungsi sebagai penghambat alosterik pada tahap awal katabolisme (Feed Back Inhibition atau inhibisi balik), yang dapat dilihat pada gambar 1.5. Pada lintas anabolik, produk akhir biosintesis seperti asam amino sering kali berfungsi sebagai penghambat alosterik bagi tahap awal. Beberapa enzim alosterik yang mengatur suatu urutan metabolik mungkin dirancang oleh moderator positif ADP atau AMP, dan dihambat oleh modulator negatif ATP. Enzim alosterik pada suatu lintas tertentu mungkin juga bersifat responsif secara spesifik terhadap senyawa antara atau produk dari lintas metabolik lain. Dengan cara ini, kecepatan sistem enzim yang berbeda dapat terkoordinasi satu sama lain. 2. Pengaturan oleh Hormon Mekanisme ini terjadi pada organisme tingkat tinggi. Hormon merupakan pembawa pesan kimiawi yang disekresi oleh berbagai kelenjar endokrin dan diangkut oleh darah menuju jaringan atau organ target (tempat hormon melakukan rangsangan atau hambatan terhadap beberapa aktivitas metabolik spesifik). Sebagai contoh penerapannya adalah peranan hormon adrenalin, hormon adrenalin disekresikan oleh bagian medula dari kelenjar adrenal, diangkut oleh darah menuju hati. Disini adrenalin merangsang pemecahan glikogen menjadi glukosa, sehingga meningkatkan kadar gula darah. Adrenalin juga merangsang penguraian glikogen di dalam otot kerangka, menghasilkan laktat dan energi dalam bentuk ATP. Adrenalin memberikan pengaruh ini dengan mengikat sisi reseptor adrenalin yang spesifik2
pada permukaan sel hati dan otot. Pengikatan adrenalin merupakan isyarat yang akan disampaikan kepada bagian dalan sel, yang akhirnya menyebabkan pengubahan kovalen (modifikasi kovalen) dari bentuk glikogen fosforilasi yang kurang aktif menjadi lebih aktif, enzim ini merupakan enzim pertama yang dalam urutan reaksi bertujuan membentuk glukosa dan produk lainnya dari glikogen. 3. Pengontrolan Tingkat Konsentrasi enzim (induksi enzim) Mekanisme ketiga adalah melalui pengontrolan konsentrasi enzim tertentu di dalam sel. Konsentrasi suatu enzim tertentu pada waktu tertentu merupakan akibat dari keseimbangan antara kecepatan sintesa dan kecepatan degradasinya. Kecepatan sintesis enzim-enzim tertentu secara nyata ditingkatkan pada beberapa keadaan sehingga konsentrasi aktual enzim yang sesungguhnya di dalam sel ditingkatkan secara nyata. Sebagai contoh, jika seekor hewan diberikan diet berkarbohidrat tinggi dan berprotein rendah, enzim hati yang secara normal menguraikan asam amino menjadi asetil-CoA terdapat pada konsentrasi yang amat rendah. Karena hanya sedikit kebutuhan bagi enzim ini selama hewan dipertahankan pada diet protein rendah, enzim dengan sendirinya tidak dibuat dalam jumlah besar, tetapi jika hewan diberikan diet yang kaya akan protein dalam sehari, hatinya akan memperlihatkan peningkatan cukup tinggi konsentrasi enzim yang dibutuhkan dalam degradasi asam amino yang masuk, jadi sel hati dapat menghidupkan atau mematikan biosintesis enzim-enzim tertentu, tergantung sifatsifat zat makanan yang masuk. (Gambar 1.6).
2
Prekurso Tahap yang ENProduk M K L J 6 5 4 3 2 1 r Akhir diatur, terlaksana oleh adanya enzim alosterik
Gambar 1.5. Mekanisme inhibisi balik atau penghambatan kembali oleh produk terhadap suatu enzim alosterik messeng Ribosom Inti sel E1 D C B A2 3 er RNA
Gambar 1.6. Induksi enzim. Adanya substrat A pada konsentrasi tinggi di dalam sel dapat menginduksi peningkatan bisintesis enzim-enzim di E1, E2 dan E3, jadi meningkatkan konsentrasi di dalam sel. BAB II BIOENERGETIKA
2.1. Pendahuluan1
Semua proses yang terjadi di alam semesta tunduk kepada hukum-hukum dasar termodinamika, tidak terkecuali pula reaksi-reaksi kimia yang terjadi di dalam sel hidup. Sel merupakan suatu struktur yang dinamik. Sel dapat tumbuh, bergerak, mensintesa molekul-molekul kompleks, dan secara selektif menyalurkan zat-zat keluar masuk sel. Semua aktivitas ini memerlukan energi, sehingga setiap sel harus memperoleh energi dari lingkungannya dan menggunakannya seefisien mungkin. Tumbuhan mengumpulkan energi dari matahari sedangkan hewan menggunakan energi yang tersimpan pada tumbuhan. Bioenergetika merupakan bagian biokimia yang berkaitan dengan transformasi dan penggunaan energi di dalam organisme hidup. 2.2. Hukum-hukum Termodinamika Dalam proses tertentu, satu bentuk energi mungkin berubah menjadi bentuk lain tetapi energi total sistem ditambah lingkungannya tetap konstan. Hukum pertama termodinamika secara sederhana merupakan hukum kekekalan energi (energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain; energi alam semesta ini konstan). Hukum termodinamika II menyatakan bahwa semua proses yang terjadi secara alami berlangsung dalam satu arah yang menyebabkan penurunan atau menuju kepada tingkat energi potensial yang minimum yaitu keadaan kesetimbangan. Suatu reaksi spontan melepaskan energi karena reaksi tersebut menuju ke arah kesetimbangan dan secara teori, energi tersebut dapat dimanfaatkan dan dibuat untuk melakukan kerja. Dalam semua proses spontan, energi adalah conserved (lestari). Sebagai contoh, panas yang dihilangkan oleh tubuh yang hangat diperoleh kembali oleh tubuh yang lebih dingin. Tetapi tentu saja sesuatu telah hilang. Sesuatu tersebut adalah kapasitas atau potensi untuk melakukan kerja lagi (untuk mentransfer energi lagi). Karena energi total dari sistem dan lingkungannya adalah tetap konstan, maka energi tersebut telah didistribusikan secara kualitatif ke dalam berbagai bentuk setelah reaksi spontan. Sebuah pernyataan yang lebih komplit tentang Hukum Termodinamika II (yang berkaitan dengan tidak terarahnya proses spontan dan penurunan potensi untuk melakukan kerja lebih lanjut) adalah bahwa: Entropi (S) alam semesta selalu meningkat. Semua perubahan fisika dan kimia cenderung berjalan menuju arah sedemikian rupa, sehingga energi yang bermanfaat terurai secara acak (entropi). Penguraian ini terhenti pada titik kesetimbangan. Pada saat ini, entropi yang1
terbentuk berada pada tingkat paling maksimum yang dimungkinkan oleh kondisi lingkungan yang bersangkutan. Terdapat dua jenis energi yang bermanfaat tersebut, yaitu: Energi Bebas dan Energi Panas. Entropi merupakan ukuran derajat ketidakteraturan materi dan energi dalam sistem. Makin random suatu sistem, makin tinggi nilai entropinya. Hanya energi yang non random dan terorganisasi yang akan berguna (dapat digunakan untuk melakukan kerja). Peningkatan entropi menunjukkan kehilangan keteraturan dan berarti suatu penurunan dalam potensi untuk melakukan kerja lebih lanjut. Hukum II termodinamika berkaitan langsung dengan Hukum termodinamika III yang menyatakan bahwa pada temperatur 0 absolut ( 0 K ), dimana semua gerakan acak akan terhenti, maka entropi kristal sempurna dari setiap zat adalah nol, yakni semua atom tersusun teratur secara maksimal. Penerapan Hukum II Termodinamika pada Sel Hidup. Jika suatu reaksi kimia berjalan menuju titik kesetimbangannya, maka entropi semesta (sistem + lingkungannya) selalu meningkat dan S karenanya bertanda positif. Bersamaan dengan peningkatan entropi semesta selama reaksi, terjadi penurunan energi bebas sehingga bertanda negatif. Jika arah spontan dari keteraturan adalah menurun (down hill), bagaimana kita dapat menjelaskan tentang biosintesis makromolekul yang kompleks, dan sangat terorganisasi, atau keberadaan yang nyata dari sel hidup? Sedangkan hukum termodinamika tidak bisa dilanggar, seperti halnya jika kita membangun piramida dari pasir-pasir. Kecenderungan alami materi dan energi pada sistem untuk menuju down hill, dapat diatasi dengan memasukkan energi ke dalam sistem tersebut, yaitu dengan melakukan kerja pada sistem. Organisme hidup tidak mengalami peningkatan entropi internalnya, ketika organisme ini melangsungkan metabolisme zat makanan. Lingkungan organisme hidup inilah yang mengalami peningkatan entropi selama proses kehidupan. Organisme hidup mempertahankan keteraturan internalnya dengan mengekstrak energi bebas dari makanan (atau sinar matahari) dari lingkungannya, dan mengembalikan ke lingkungan sejumlah energi yang sama, dalam bentuk yang kurang berguna, terutama dalam bentuk panas, yang menjadi terbaur (acak) ke tempat-tempat lain pada semesta. Organisme hidup secara terus-menerus memberikan entropi kepada lingkungannya sebagai upah yang diperlukan untuk mempertahankan keteraturan internalnya sendiri.2
Perubahan entropi yang terjadi selama suatu proses atau reaksi sangat menarik bagi para ahli biologi dan biokimia, terdapat dua fungsi keadaan termodinamika yang dapat diukur atau dihitung, yaitu G (perubahan energi bebas) dan H (perubahan entalpi atau kandungan kalor). Perubahan energi bebas merupakan suatu ukuran jumlah kerja berguna maksimum yang dapat dilakukan oleh reaksi pada temperatur dan tekanan konstan, dan tergantung pada pemindahan sistem dari kesetimbangannya. Perubahan entalpi merupakanukuran aliran panas yang menyertai suatu reaksi ketika reaksi tersebut menuju keadaan setimbang pada T, P dan V konstan. Sel membutuhkan energi bebas. Panas bukan merupakan sumber energi yang berarti bagi sel, karena panas dapat melakukan kerja hanya jika ia mengalir dari obyek-obyek yang memiliki perbedaan suhu. Karena sel hidup memiliki suhu keseluruhan yang sama, maka sel tidak dapat memanfaatkan energi panas dengan berarti. Energi panas hanya digunakan untuk mempertahankan suhu yang optimum bagi kegiatannya yaitu umumnya 37 C. Bentuk energi yang dapat digunakan oleh sel adalah energi bebas yang dapat melakukan kerja pada suhu dan tekanan tetap. Sel heterotrof memperoleh energi bebas, dari molekul nutrien kaya energi, dan sel fotosintetik memperoleh energi bebas dari radiasi matahari yang diserap. Kedua jenis sel mengubah input energi bebas ini menjadi bentuk umum energi kimia dan menggunakannya untuk menjalankan aktivitas sel melalui proses yang tidak melibatkan perbedaan suhu yang nyata. Dengan kata lain sel adalah mesin kimia yang dapat bekerja pada suhu dan tekanan tetap.
2.3. Reaksi Berangkai (Coupling Reaction) Secara termodinamika, reaksi kimia dapat diklasifikasikan menjadi reaksi eksergonik (yang menghasilkan energi) dan reaksi endergonik (yang memerlukan energi, yaitu kerja harus dilakukan agar reaksi berjalan). Mengapa suatu reaksi lebih eksergonik daripada yang lain? Secara intuitif kita dapat mengenali bahwa proses biosintesis (pembentukan makromolekul dari sub unit penyusunnya) adalah suatu proses yang memerlukan energi. Kerja harus dilakukan untuk menyusun struktur kompleks dari sub unit penyusunnya yang sederhana. Sel-sel hidup sangat2
kompleks dan rumit. Sel tidak hanya mempertahankan integritasnya sepanjang waktu, tetapi juga dapat tumbuh dan memperbanyak diri. Meskipun banyak reaksi biologis yang dapat berlangsung (favorable) karena produknya dihilangkan secara efisien, dalam banyak kasus cara tersebut tidak mencukupi agar reaksi dapat berjalan. Ada cara penting lain di mana secara intrinsik reaksi endergonik dapat didorong. Dalam istilah energetika, hal ini dilakukan dengan cara mengkatalisa beberapa reaksi eksergonik dan menangkap sejumlah energi yang dilepaskan oleh reaksi tersebut membentuk senyawa yang kaya energi. Reaksi biosintesis (endergonik) selanjutnya didorong oleh energi yang tertangkap ini. Sebagai contoh, kita mempunyai reaksi yang merupakan bagian penting dalam jalur metabolisme tetapi reaksinya endergonik, yaitu:G = + 10 kJ/mol B A (endergonik)
Pada saat yang sama, misalnya reaksi lainnya bersifat sangat eksergonik:G = - 30 kJ/mol D C (eksergonik)
Jika sel mampu menguraikan (Coupling) kedua reaksi tersebut, maka jumlah aljabar G dari keseluruhan proses akan mempunyai nilai tersendiri, yaitu:G = = 3010kJ/mol DA - kJ/mol CG+ - + 20 kJ/mol B
D C
Nilai G reaksi coupling akan menjadi negatif sehingga kesetimbangan sekarang akan terletak jauh ke kanan, akibatnya B secara efisien dapat dihasilkan oleh A. Perangkaian reaksi endergonik dengan reaksi eksergonik tersebut merupakan salah satu prinsip terpenting dalam biokimia. Pola ini tidak hanya diterapkan pada reaksireaksi kecil tetapi juga diterapkan pada proses-proses penting seperti transport materi melewati membran, transmisi impuls saraf dan kontraksi otot.
2
ATP merangkai proses eksergonik dan endergonik
Proses dimana berlangsungnya reaksi-reaksi yang melepaskan energi bebas (eksergonik) selalu dirangkaikan dengan proses yang reaksireaksinya memerlukan energi bebas (endergonik). Reaksi eksergonik adalah reaksi dalam proses katabolisme yaitu reaksi-reaksi pemecahan atau oksidasi molekul bahan bakar sedangkan reaksi sintesa yang membangun berbagai substansi terdapat dalam proses anabolisme. Untuk merangkaikan kedua proses eksergonik dan endergonik harus ada senyawa antara dengan potensial energi tinggi yang dibentuk dalam reaksi eksergonik dan menyatukan senyawa yang baru dibentuk tersebut kedalam reaksi endergonik, sehingga energi bebasnya dialihkan antara dua proses tersebut. Senyawa antara yang dibentuk tidak perlu mempunyai hubungan struktural dengan reaktan-reaktan yang bereaksi. Dalam sel hidup, reaksi oksidasi yang melepas energi bebas selalu disertai dengan peristiwa fosforilasi yang membentuk senyawa dengan potensial energi lebih tinggi. Senyawa pembawa atau senyawa antara energi tinggi yang utama adalah ATP . ATP adalah nukleotida yang terdiri dari adenin , ribosa dan trifosfat . Bentuk aktif ATP adalah kompleksnya bersama dengan Mg2+ atau Mn2+. Sebagai pengemban energi, ATP kaya energi karena unit trifosfatnya mengandung dua ikatan fosfoanhidrida. Sejumlah besar energi bebas dilepaskan ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin difosfat (ADP) dan ortofosfat (Pi) atau ketika ATP dihidrolisis menjadi adenosin monofosfat (AMP) dan pirofosfat (Ppi). ATP memungkinkan perangkaian reaksi yang secara termodinamik tidak menguntungkan menjadi reaksi yang menguntungkan. Reaksi pertama dalam lintasan glikolisis yaitu fosforilasi glukosa menjadi glukosa 6 fosfat adalah reaksi yang endergonik (tG = + 13,8 kj/mol), agar reaksi dapat berlangsung harus terangkai dengan reaksi lain yang lebih eksergonik yaitu hidrolisa gugus terminal fosfat ATP (tG = 30,5 kj/mol ) sehingga rangkaian reaksi yang dikatalisa oleh heksokinase tersebut berlangsung dengan mudah dan sangat eksergonik (tG = - 16,7 kj/mol ). Konversi antara ATP, AMP dan ADP adalah mungkin. Enzym adenilat kinase (miokinase) mengkatalisis reaksi : ATP + AMP ADP + ADP. Reaksi ini mempunyai fungsi antara lain, memungkinkan fosfat energi tinggi dalam ADP untuk digunakan dalam sintesa ATP, memungkinkan AMP yang terbentuk dari beberapa reaksi aktivasi yang1
melibatkan ATP difasforilasi ulang menjadi ADP dan memungkinkan peningkatan konsentrasi AMP (ketika ATP terpakai habis) sebagai sinyal metabolik untuk menaikkan kecepatan reaksi-reaksi katabolik
2
Beberapa reaksi biosintesis dijalankan oleh nukleotida trifosfat yang analog dengan ATP, yaitu guanosin trifosfat (GTP), uridin trifosfat (UTP) dan sitidin trifosfat (CTP). Bentuk difosfat nukleotida-nukleotida ini disebut dengan GDP, UDP dan CDP dan bentuk- bentuk monofosfatnya dengan GMP, UMP dan CMP. Transfer gugus fosforil terminal dari satu kelain nukleotida dapat terjadi dengan bantuan enzym nukleosida difosfat kinase seperti reaksi-reaksi : ATP + GDP ADP + GTP. Berbagai senyawa dalam sistem biologi mempunyai potensi fosforil yang tinggi. Ternyata, beberapa diantaranya, seperti fosfoenolpiruvat, karbamoil fosfat, 1, 3 bifosfogliserat, asetil fosfat dan kreatin fosfat mempunyai potensial pemindahan fosfat yang lebih tinggi dari ATP, hal ini berarti senyawasenyawa tersebut dapat memindahkan gugus fosforilnya ke ADP untuk membentuk ATP. Potensial transfer fosforil senyawa-senyawa terfosforilasi yang penting secara biologis seperti glukosa 1 fosfat, fruktosa 6 fosfat, glukosa 6 fosfat dan gliserol 3 fosfat lebih rendah dari ATP. Posisi ATP yang berada ditengah-tengah dari molekul-molekul terfosforilasi tersebut, memungkinkan ATP berfungsi secara efisien sebagai pengemban gugus fosforil. ATP sering disebut senyawa fosfat berenergi tinggi dan ikatan fosfoanhidridanya disebut sebagai ikatan berenergi tinggi. Senyawasenyawa tinggi energi adalah senyawa yang banyak melepaskan enegi bebas ketika mengalami hidrolisis. Istilah ikatan berenergi tinggi sering disimbolkan dengan ~ P dan menunjukkan senyawa yang punya potensial transfer fosforil tinggi. Ada tiga sumber utama ~ P yang mengambil bagian dalam penangkapan energi yaitu peristiwa fosforilasi oksidatif, sumber ~ P yang paling besar pada organisme aerobik, sumber energi bebas untuk menggerakkan proses ini berasal dari reaksi-reaksi oksidasi rantai pernapasan. Sumber kedua adalah glikolisis, membentuk total dua ~ P yang terjadi pada reaksi pemecahan glukosa menjadi laktat. Sumber ketiga adalah siklus asam sitrat, dimana satu ~ P dihasilkan langsung pada konversi suksinil ko-A menjadi suksinat. Senyawa biologi penting lainnya yang digolongkan sebagai senyawa energi tinggi adalah yang mengandung ikatan tiol ester, mencakup koenzym A, protein pembawa asil, senyawa ester asam amino, S-adenosilmetionin, uridin difosfat glukosa dan 5.fosforibosil.1.pirofosfat.
3
Reaksi oksidasi molekul bahan bakar dimana NADH dan FADH2 adalah pengemban elektron utama
Kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul bahan bakar, seperti glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob, akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Transport elektron dalam reaksi-reaksi oksidasi tidak langsung dari molekul bahan bakar atau dari produk pemecahannya ke oksigen. Substrat-substrat yang dioksidasi memindahkan elektronnya kepengemban-pengemban khusus yaitu nukleotida piridin atau flavin. Pengemban yang tereduksi ini kemudian memindahkan elektron potensi tingginya ke oksigen melalui rantai pernapasan yang terdapat pada sisi dalam membran mitokondria. Gradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran elektron dalam rantai pernapasan ini yang kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan ortofosfat ( Pi ). Proses ini yang disebut fosforilasi oksidatif, yang menjadi sumber utama ATP pada organisme aerob. Selain itu, elektron potensi tinggi yang berasal dari oksidasi molekul bahan bakar dapat digunakan pada reaksi-reaksi biosintesa yang memerlukan daya pereduksi. Nikotinamid adenin dinukleotida (NAD+) adalah pengemban elektron utama pada oksidasi molekul bahan bakar. Bagian reaktif dari NAD+ adalah cincin nikotinamidnya, suatu derivat piridin. Pada oksidasi substrat, cincin nikotinamid NAD+ menerima satu ion hidrogen dan dua elektron, yang ekivalen dengan satu ion hidrida(H-). Bentuk tereduksi pengemban ini disebut NADH. Pada dehidrogenasi diatas, satu atom hidrogen dari subsrat dipindahkan langsung ke NAD+, sedangkan yang
2
lainnya terdapat dalam pelarut sebagai proton. Kedua elektron yang dilepaskan oleh substrat dipindahkan kecincin nikotinamid. Pengemban elektron utama lainnya pada oksidasi molekul bahan bakar adalah flavin adenin dinukleotida (FAD). Bentuk tereduksinya adalah FADH2. Bagian reaktif dari FAD adalah cincin isoaloksazinnya. FAD, seperti juga NAD+, dapat menerima dua elektron. Tetapi tidak seperti NAD +, FAD mengambil proton dan juga ion hidrida.
Daur Energi dalam Sel Sel heterotrof memperoleh energi bebas dari hasil katabolisme molekul nutrien dan menggunakan energi ini untuk : 1. Melakukan sintesis biomolekul (kerja kimia) 2. Menjalankan kerja mekanik (seperti kontraksi otot) 3. Mengangkut biomolekul atau ion menuju daerah berkonsentrasi lebih tinggi (transport aktif). Bagaimana energi bebas tersebut diangkut agar dapat digunakan sesuai kebutuhan sel? Energi bebas tersebut diangkut terutama dalam bentuk senyawa fosfat berenergi tinggi yaitu: ATP (Adenosin Tri Fosfat) dan juga dalam bentuk senyawa koenzim pembawa elektron yaitu NADH (Nikotinamida Adenin Dinukleotida) dan NADPH (Nikotinamida Adenin Dinukleotida Posfat). ATP berperan sebagai alat pengangkut energi bebas utama atau pengangkut gugus fosfat. Reaksi pembentukan dan hirolisis ATP:GO = - + H ATP ADP 7,30 kkal/mol
Pi
2
Berbagai faktor struktur kimia menunjang besarnya G reaksi hidrolisis senyawa fosfat berenergi tinggi.
1
SIKLUS ATP (ADP O AT CO + Berbagai Oksida Aktivitas Biologis : Pi) P Energi kimia (biosintesis), si 2 Energi Moleku osmosa (transport), Energi mekanik (kontraksi l otot), Energi Listrik (transmisi pengha syaraf), sil Energi cahaya (bioluminesens) energi
Adenin
NH2 N
(a) Struktur ATP, ADP dan AMP. Gugus fosfat pada ATP ditentukan sebagai , , dan (gamma), seperti yang Gugus Fosfat ujung berenergi diperlihatkan diatas. AMP tinggi Gugus fosfat terminal ADP dapat dipindahkan ATP secara enzimatis kepada berbagai senyawa penerima fosfat. Pada pH 7, gugus fosfat mengion penuh (b) Model ruang ATP.Penentuan ke tiga gugus fosfatOP OP OP-
Gambar (b) (a) O
N
N
N
O
O
O
CH2
O
O
O
O
H
H
D-RibosaH
H
OH
OH
ATP terbentuk dari ADP dan Pi (reaksi fosforilasi) yang dirangkaikan dengan proses oksidasi molekul penghasil energi. Selanjutnya ATP yang terbentuk ini2
dialirkan ke proses reaksi yang membutuhkan energi dan dihidrolisis menjadi ADP dan Pi. Dalam hal ini, gugus fosfat ujung pada molekul ATP secara kontinyu dipindahkan ke molekul penerima gugus fosfat dan secara kontinyu pula diganti oleh gugus fosfat lainnya selama katabolisme. SIKLUS NAD/NADH atau NADP/NADPH Merupakan proses pengangkutan energi kimia lainnya (selain ATP) di dalam sel yang berlangsung dengan proses pengangkutan elektron dengan perantaraan enzim dari reaksi penghasil energi (katabolisme) ke reaksi pemakai energi (anabolisme) melalui suatu senyawa koenzim pembawa elektron. NAD dan NADP adalah dua koenzim terpenting yang berperan sebagai molekul pengangkut elektron berenergi tinggi dari reaksi katabolisme ke reaksi anabolisme yang membutuhkan elektron. SISTEM ADENILAT (SISTEM ATP, ADP, AMP)
G = +7,30 H2 AMP ADP -+ ATP +3,40 kkal/mol
Pi O
ATP, ADP, dan AMP di dalam sel bersama-sama membentuk suatu sistem persediaan energi yang disebut persediaan adenilat (sistem adenilat). Bila semua adenin nukleotida berada dalam bentuk ATP, maka sistem adenilat dikatakan penuh dengan gugus fosfat, sedangkan bila semua adenin nukleotida berada dalam bentuk AMP, sistem adenilat dikatakan kosong dengan gugus fosfat.
Keadaan persediaan energi ini disebut Muatan Energi, yaitu: Muatan Energi = 12ADP+ATPAMP+ADP+ATP
2
Dalam keaadaan penuh (tak ada AMP dan ADP) semua dalam bentuk ATP, maka muatan energi (ME) = 1. Dalam keadaan kosong (tak ada ATP dan ADP), maka muatan energi (ME) = 0. Dalam keadaan setengah penuh (semua ADP), maka muatan energi (ME) = . Muatan energi merupakan faktor utama dalam pengaturan metabolisme sel, khususnya mengatur laju katabolisme (penghasil ATP) dan anabolisme (pemakai ATP). Bagaimana cara pengaturannya /menggunakan sistem enzim alosterik di aman ATP, ADP, dan AMP dapat menjadi modulator (+) maupun (-). Makin besar muatan energi dalam sel, makin berkurang laju katabolisme (glikolisis dan pernafasan) dan makin meningkat laju anabolisme, hubungan antara muatan energi dengan laju reaksi katabolisme dan anabolisme digambarkan dalam kurva berikut:
1
BAB III METABOLISME KARBOHIDRAT
TIU TIK
: Mahasiswa mampu memahami metabolisme karbohidrat, siklus asam sitrat dan fosforilasi oksidatif secara tepat dan benar. (CS2). : - Mahasiswa karbohidrat - Mahasiswa mampu menjelaskan proses glikolisis - Mahasiswa mampu memahami proses siklus asam sitrat - Mahasiswa mampu memahami proses fosforilasi oksidatif - Mahasiswa mampu memahami konsep glukoneogenesis mampu menjelaskan gambaran umum metabolisme
1.1.
Gambaran Umum Metabolisme Karbohidrat Glukosa merupakan bahan bakar utama yang kaya energi pada hampir
semua organisme dan glukosa dapat dengan cepat diperoleh dari cadangan glikogen jika sel sewaktu-waktu memerlukan energi. Glikolisismerupakan suatu lintas pusat universal dari katabolisme glukosa, tidak hanya di dalam hewan dan tumbuhan, tetapi juga di dalam banyak mikroorganisme. Urutan reaksi glikolitik pada setiap spesies berbeda hanya dalam pengaturan kecepatan reaksi, dan dalam jalur metabolik selanjutnya dari piruvat yang terbentuk. Terdapat tiga jalur penting yang dapat dilalui oleh piruvat setelah glikolisis. Pada organisme aerobik, glikolisis menyusun hanya tahap pertama dari keseluruhan degradasi aerobik glukosa menjadi CO2 dan H2O (gambar 1.1). piruvat yang terbentuk lalu dioksidasi dengan melepaskan gugus karboksilnya sebagai CO2, untuk membentuk gugus asetil pada asetil koenzim A. selanjutnya, gugus asetil dioksidasi sempurna menjadi CO2 dan H2O oleh siklus asam sitrat, dengan melibatkan molekul O2. Lintas inilah yang dilalui piruvat pada sel hewan aerobik dan tumbuhan. Lintas piruvat yang kedua adalah reduksinya menjadi laktat. Jika jaringan hewan harus berfungsi dalam keadaan aerobik, terutama pada kontraksi aktif otot kerangka, piruvat yang terbentuk dari glukosa tidak dapat dioksidasi lebih lanjut karena kurangnya oksigen. Pada kondisi ini, piruvat yang terbentuk oleh glikolisis1
direduksi menjadi laktat. Pada otot kerangka, proses ini disebut glikolisis anaerobik, merupakan sumber energi ATP yang penting bagi aktivitas fisik yang amat intensif. Laktat juga merupakan produk glikolisis di dalam mikroorganisme anaerobik yang menjalankan fermentasi asam laktat. Produk asam laktat dari gula oleh bakteri asam laktat menyebabkan pengasaman susu. Lintas piruvat utama yang ketiga menyebabkan etanol. Di dalam beberapa mikroorganisme, misalnya pada ragi roti, piruvat yang terbentuk dari glukosa melalui glikolisis diubah secara anaerobik menjadi etanol dan CO2, suatu proses yang disebut fermentasi alkohol. Fermentasi merupakan istilah umum yang menunjukkan degradasi anaerobik glukosa atau nutrien organik lain menjadi berbagai produk (khas bagi organisme tertentu) untuk tujuan memperoleh energi dalam bentuk ATP.Hewan, + Siklu 2C2 Etanol O2Piruvat Kondisi tanaman Glikolisis (10 + 2 Kondisi 2 AsetilGlukosa 4CO Laktat dan 2CO anaerobik s O2 KoA aerobik 2 reaksi banyak sel anaerobik berurutan)di 4H mikrobial dalam O 2 yang asam 2otot pada kondisi berkontraksi; sitrat aerobik. fermentasi laktat.
Gambar 3.1. Piruvat, produk akhir glikolisis mengalami beberapa lintas katabolik berbeda, tergantung organisme dan keadaan metaboliknya. Definisi istilah-istilah dalam metabolisme karbohidrat: Respirasi : Pemecahan oksidatif dan pelepasan energi dari molekul nutrien menggunakan molekul oksigen.
2
Glikolisis
: Tahap katabolisme glukosa yang dipecah menjadi dua molekul asam piruvat.
Glukoneogenesis : Biosintesis glukosa baru dari precursor non karbohidrat. Glikogenesis Glikogenolisis Rantai respirasi : Biosintesis glikogen. : Katabolisme glikogen. : Rantai transpor elektron yang terdiri atas beberapa protein pembawa elektron dengan urutan tertentu dimana terjadi pemindahan Fotosintesis elektron dari senyawa pembawa elektron (NADH/FADH) di dalam sel aerobik. : Penggunaan energi cahaya untuk membentuk karbohidrat dari CO2 dan H2O dan senyawa pereduksi. 1.2. Glokolisis (Lintas Pusat Katabolisme Karbohidrat) Terdapat tiga jenis transformasi kimia yang berbeda, yang terjadi selama glikolisis, yaitu: 1. Pemecahan karbon glukosa menghasilkan piruvat, yaitu lintas atom karbon. 2. Fosforilasi ADP menjadi ATP oleh senyawa fosfat berenergi tinggi yang dibentuk selamaglikolisis yaitu lintas gugus fosfat. 3. Pemindahan atom hidrogen atau elektron. Pada hampir semua sel, enzim-enzim yang menjalankan glikolisis terdapat dalam bentuk terlarut di dalam sitosol sel, yang merupakan medium cair dari sitoplasma. Sebaliknya, enzim-enzim yang menjalankan fase oksidatif karbohidrat yang memerlukan oksigen terletak pada membran mitokondria dan pada membran plasma sel prokariot.
2
HO CH2H H OH
CH 2OH O OHCH 2O COO-COO H 2COO O C O OH OH
H OH
H
OHO
H
C C O OH C HC O O H C OHO CHC H2 2 OH CHH HC 3 OH
HHC 2C2 H 2C
H C
F 10 d R Reaksi 9 8 7 6 5 eaksi 4an 30 2P FASE INVESTASI 1ASE PEMBENTUKAN ENERGI O Fosforilasi level fosforilasi Pembentukan dari 2 Percabangan dari (1) gula Aktivasi melalui substrat ENERGI senyawa senyawa Terbentukenergi super NADH karbon menjadi fosfat diinvestasikan 2 ATP6dan2 ATP tinggi super tinggi energi(dan air) (2) gula fosfat tiga karbonOH OO
Gambar 3.2. Tahap-tahap Glikolisis
1
Glikolisis Memiliki Dua Fase (Gambar 3.2) Pemecah glukosa (C6) menjadi dua molekul piruvat (C3) dilangsungkan oleh kerja berurutan 10 jenis enzim berbeda, yang masing-masing telah berhasil diisolasi dalam bentuk murni dan dipelajari secara terperinci. Fase I. Adalah fase persiapan atau fase investasi ATP, terdiri dari lima tahap pertama dari glikolisis. Pada tahap ini glukosa difosforilasi secara enzimastis oleh ATP, pertama-tama pada atom C ke 6 dan selanjutnya pada atom C ke 1, menghasilkan fruktosa 1,6-difosfat, yang selanjutnya dipecah menjadi dua molekul (C3) yaitu gliseraldehida 3-fosfat. Perhatikanlah bahwa dua molekul ATP harus diberikan untuk mengaktifkan atau menyiapkan molekul untuk diuraikan menjadi dua bagian senyawa karbon; kemudian akan terdapat pengembalian investasi energi ini. Heksosa lain, terutama D-fruktosa, D-galaktosa dan D-manosa, juga dapat masuk ke dalam fase persiapan glikolisis setelah mengalami fosforilasi. Jadi, fase persiapan glikolisis berfungsi untuk mengumpulkan rantai karbon semua heksosa yang telah dimetabolisme dalam satu bentuk produk umum yaitu gliseraldehid 3-fosfat. Fase II glikolisis adalah fase pembentukan ATP yang dilangsungkan oleh lima enzim sisanya, menggambarkan upah glikolisis, yaitu energi yang dibebaskan pada saat dua molekul gliseraldehid 3-fosfat diubah menjadi dua molekul piruvat yang disimpan oleh fosforilasi 4 molekul ADP menjadi ATP yang terjadi bersamaan dengan proses ini. Walaupun 4 molekul ATP dibentuk dalam fase II ini, hasil reaksi keseluruhan adalah dua molekul ATP per molekul glukosa yang dipergunakan, karena 2 molekul ATP harus diberikan pada fase I glikolisis. Tahap-Tahap Proses Glikolisis Fase I : Fase Persiapan (Gambar 3.2) Tahap 1. Fosforilasi Glukosa, merupakan reaksi yang bersifat irreversible pada kondisi intraseluler dan dikatalisis oleh enzim heksokinase. ADP3ATP4+ + + DD-glukosa 6-fosfat2Glukosa + H+ Heksokinase melangsungkan fosforilasi, bukan hanya pada D-glukosa, tetapi juga pada heksosa lain yang banyak dijumpai, seperti D-fruktosa dan D-manosa. Enzim heksokinase merupakan enzim pengatur dengan glukosa 6 fosfat berfungsi sebagai produk reaksi dan sekaligus sebagai inhibitor alosterik.
1
Tahap 2. Pengubahan Glukosa Menjadi fruktosa 6-fosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim fosfoglukoisomerase, yang mengkatalisa reaksi isomersasi reversible senyawa glukosa 6-fosfat (suatu aldosa) menjadi fruktosa 6-fosfat (suatu ketosa). D-fruktosa-6-fosfat D-Glukosa-6-4,40 fosfat kkal/mol G =
Tahap 3. Fosforilasi Fruktosa 6-fosfat menjadi Fruktosa 1,6-difosfat Merupakan reaksi pengaktifan kedua pada glikolisis yang dikatalisis oleh enzim fosfofruktokinase. D-fruktosa-6,6-difosfat D-Fruktosa-6G = -4,40 ATP fosfat kkal/mol Reaksi fosfofruktokinase merupakan reaksi irreversibel pada kondisi yang berlaku di dalam sel. Reaksi ini merupakan bagian pengendali penting yang kedua pada glikolisis. Fosfofruktokinase, seperti heksokinase merupakan enzim pengatur, dan merupakan salah satu enzim yang paling komplek, yang merupakan pengatur utama glikolisis otot. Tahap 4. Pemecahan Fruktosa 1,6-difosfat Menjadi Dua Molekul Gliseraldehida 3-fosfat Reaksi ini dikatalisis oleh enzim aldolase, reaksi yang dikatalisis merupakan kondensasi aldol yang bersifat dapat balik. Dihidroksiaseton + Gliseraldehida-3-P D-Fruktosa 5,73 kkal/mol 1,6-diP Tahap 5. Interkonversi Triosa Fosfat Hanya satu diantara dua triosa yang dibentuk aldolase yaitu, gliseraldehida-3fosfat, yang dapat langsung diuraikan pada tahap ini. Tetapi, dihidroksiaseton fosfat dapat dengan cepat dan dalam reaksi reversibel, berubah menjadi gliseraldehi 3fosfat oleh enzim kelima pada urutan glikolitik yaitu isomerase triosa fosfat. G =
1
H 2C C
O O
PO 3
HC HC H 2C
O OH O PO 3
G = 1,83 Triosa-P- kkal/mol
isomerase
CH2OH
Perhatikan bahwa reaksi ini, atom karbon 1, 2 dan 3 pada glukosa awal, sekarang menjadi tidak dapat dibedakan dari atom karbon 4, 5 dan 6. Reaksi ini menyempurnakan fase pertama glikolisis, yaitu molekul heksosa telah terfosforilasi pada posisi 1 dan 6, dan selanjutnya dipotong untuk akhirnya membentuk dua molekul gliseraldehia 3-fosfat. Fase II : Pembentukan ATP Fase kedua glikolisis merupakan tahap-tahap produksi ATP. Energi bebas dalam molekul glukosa disimpan dalam bentuk ATP. Karena satu molekul glukosa dapat menghasilkan dua molekul gliseraldehid 3-fosfat, maka kedua molekul ini mengalami lintas yang sama pada fase kedua dalam glikolisis. Pengubahan dua molekul gliseraldehida-3-fosfat menjadi dua molekul piruvat diikuti oleh pembentukan empat molekul ATP. Namun demikian, hasil bersih ATP per molekul glukosa berkurang menjadi hanya dua ATP, karena dua molekul ATP yang dipergunakan pada fase pertama glikolisis untuk melakukan fosforilasi kedua ujung molekul glukosa. Tahap 1. Oksidasi gliseraldehid 3-fosfat menjadi 3-fosfogliseroil fosfatHC O H C PO Reaksi ini dikatalisis oleh enzimO dehidrogenase gliseraldehida fosfat yang2 3
+ + Pi HC OH menyebabkan reaksi dapat balik. 3-fosfogliserald dehidrogenase /H 2C PO 3 G O= 1,50 kkal/molgliseraldehide fosfat dehidrogenase
NAD +
HC H 2C
OH O PO 3
+ NADH + H +
1
Pada reaksi kompleks ini gugus aldehida pada D-gliseraldehida-3-fosfat mengalami dehidrogenasi, tidak menjadi gugus karboksil bebas seperti yang dibayangkan, tetapi menjadi suatu anhidrida karboksilat dengan asam folat. Tahap 2. Pemisahan fosfat dari 3-fosfogliseroil fosfat ke ADP Enzim kinase fosfogliserat memindahkan gugus fosfat berenergi tinggi dari gugus karboksil 3-fosfogliseroil fosfat ke ADP, sehingga membentuk ATP dan 3O O
fosfogliserat. C OPO23
C
OOH OPO3 2-
HC H2 C
G = + ADP -4,50 OH kkal/mol 2OPO 3
Mg2+fosfogliserat kinase
HC H 2C
+ ATP
Tahap 3. Pengubahan 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliseratCOOHC H2 C
Reaksi ini melibatkan pergeseran reversibel gugus fosfat di dalam molekul COO-
+ ATP HC OH substrat yang dikatalisis oleh enzim fosfogliserat mutase. OHfosfogliserat mutase
Mg2+
OPO3 G2- = 1,06 kkal/mol
H 2C
OH
Tahap 4. Dehidrasi 2-fosfogliserat menjadi fosfienolpiruvatCOOHC3 2-
Reaksi ini dikatalisis oleh enzim enolase yang menyebabkan pemindahan CH2
C reversibel molekul air dari OPO + H2O 2-fosfogliserat menghasilkan fosfoenol piruvat. OPO3 2-
Mg2+/Mn2+
enolase
CH2 OH -
G = 0,44 kkal/mol
COO -
Tahap 5. Pemindahan gugus fosfat dari fosfoenolpiruvat ke ADP membentuk piruvat.1
CH 2 C COO3 2-
Tahap terakhir dari glikolisis pemindahan gugus fosfat berenergi tinggi dari COO-
+ ATP + ADP C OPO fosfoenol piruvat ke ADP, yangOdikatalisis oleh kinase piruvat.piruvatkinase
Mg2+/Mn2+
G = -7,5 kkal/mol
CH 3
Glukosa + 2Pi + 2ADP + 2NAD+
2 Piruvat + 2ATP + 2NADH + H+ + H2O
Keseluruhan reaksi glikolisis dapat dituliskan :
semua intermediet dalam jalur glikolisis merupakan senyawa terfosforilasi, dimana gugus fosfat berfungsi sebagai: 1. membuat intermediet agar mempunyai gugus polar dan bermuatan negatif sehingga tidak mudah melewati membran sel yang non-polar. 2. Sebagai gugus pengikat atau gugus pengenal dalam pembentuk kompleks ES.3. Untuk menyimpan energi, merupakan komponen penting dalam pengubahan
enzimatik energi metabolik, karena gugus fosfat pada akhirnya akan dipindahkan ke ADP menghasilkan ATP. 3.3. Siklus Asam Sitrat Semua jalur katabolisme memusat pada siklus asam sitrat yang merupakan lintas akhir yang bersifat umum yang dilalui oleh nutrien penghasil energi. Siklus asam sitrat atau siklus Kreb atau siklus TCA, siklus Asam Tri Karboksilat merupakan siklus rangkaian reaksi yang terjadi pada hampir semua organisme. Siklus ini dikatalisis oleh suatu sistem multienzim yang menerima gugus asetil dari asetil-CoA (C2) sebagai nutrien intermediet, kemudian menguraikan molekul asetil-CoA tersebut menjadi molekul-molekul CO2 dan atom-atom hidrogen. Selanjutnya atomatom hidrogen tersebut melalui suatu rangkaian protein pembawa elektron (proses fosforilasi oksidatif), diberikan kepada molekul oksigen dan mereduksi oksigen menjadi H2O. Glikolisis hanya melepaskan sejumlah kecil energi yang berasal dari glukosa. Energi yang jauh lebih besar akan dilepaskan bila glukosa dioksidasi sempurna menjadi CO2 dan H2O.1
Glikolisis (tanpa O2):G = 2 Gluko -47,0 kkal/mol Lakta sa t Oksidasi sempurna (ada O2): G 2 -47,0 6 CO=+ Glukosa + kkal/mol HO2 O2
Pada kondisi anaerob, sel mendegradasi glukosa melalui glikolisis, dari piruvat terbentuk asam laktat yang tidak dapat dipakai lebih lanjut. Sedangkan pada kondisi aerob, degradasi glukosa tidak berhenti pada tahap glikolisis, tetapi diteruskan lebih lanjut dengan mengoksidasi sempurna produk glikolisis menjadi karbon dioksida dan air, sehingga melepaskan semua energi yang masih tersedia pada glukosa. Pada alur respirasi (gambar 3.3), asetil-CoA (C2) yang merupakan hasil oksidasi glukosa, asam lemak dan hasil katabolisme asam amino (tahap II) masuk ke siklus TCA pada tahap III. Reaksi Pembentukan Asetil-CoA dari Piruvat Asam piruvat hasil akhir proses glikolisis harus dioksidasi menjadi asetil-CoA dulu agar bisa masuk ke siklus TCA, melalui reaksi yang dikatalisis oleh kompleks enzim piruvat dehidrogenase, yang merupakan suatu multi enzim kompleks yang terdiri dari 3 jenis enzim dan 5 jenis koenzim berbeda. Dalam siklus TCA, gugus asetil dari asetil-CoA (C2) didegradasi secara enzimatik menjadi dua molekul CO2 (C1) dan 4 pasang atom hidrogen (dalam bentuk terikat pada NADH), yang selanjutnya atom hidrogen ini masuk ke rantai respirasi mengalami proses fosforilasi oksidatif. Pada setiap putaran siklus TCA (gambar 3.4), satu molekul asam asetat (C2) sebagai asetil-CoA berkondensasi dengan satu molekul asam oksaloasetat (C4) membentuk senyawa trikarboksilat (C6) yaitu asam sitrat. Kemudian asam sitrat ini didegradasi melalui serangkaian reaksi enzimatik menjadi 2 molekul CO2 (C1) dan pembentukan kembali asam oksaloasetat. Jadi pada setiap putaran siklus TCA, satu molekul asam asetat masuk, satu molekul oksaloasetat digunakan dan satu molekul asam sitrat serta 2 molekul CO2 dibentuk. Karena asam sitrat merupakan senyawa pertama yang dibentuk dalam siklus ini maka disebut siklus asam sitrat, dimana siklus asam sitrat terjadi dalam organel mitokondria.2
Siklus asam sitrat bersifat amfibolik karena siklus ini selain berfungsi pada proses katabolisme, juga bekerja untuk membentuk kembali prekursor jalur anabolisme. Misalnya: Pembentukan kembali -ketoglutarat dan oksaloasetat dalam proses transaminasi asam amino. Asam sitrat dapat diambil dari siklus TCA untuk dipakai sebagai prekursor asetil-CoA. Suksinil CoA dapat dikeluarkan dari daur TCA untuk biosintesis senyawa heme. Intermediet siklus TCA juga dapat dikembalikan melalui reaksi-reaksi enzimatik khusus yang disebut reaksi anaplerotik (filling up), misalnya: Karboksilasi asam piruvat menjadi oksaloasetat yang terjadi dalam hati dan ginjal. Pembentukan malat dari piruvat oleh enzim malat dehidrogenase.
1
Gambar 3.3. Alur Respirasi Bagan alir respirasi memperlihatkan asal mula pasangan atom hidrogen yang dipindahkan oleh dehidrogenase, dengan pemindahan elektronnya (2e-) menuju rantai transport elektron, yang membawanya ke oksigen. Reduksi setiap atom oksigen memerlukan 2e- + 2H+. Energi yang dibebaskan selama transport pasangan elektron dari NADH menuju oksigen dipergunakan untuk melangsungkan sintesis
1
tiga molekul ATP dari ADP dan fosfat di dalam proses fosforilasi oksidatif. RantaiHS CoAO H 3C C-
transport elektron tersebut diperlihatkan di sini dalam bentuk yang disederhanakan.S CoA
HHCC HH2 C 22C 2O
HO
COOHCOO-COO- COOHCOO COOC2C HC COO 2H
C
COO- --
- H C HO2 COO COO CH OOC COO CH CH22H2C C CHCOO-
H 2C
HO HC COO-- COO-C SC COO 2C C COO- HCOO CoA H
O O
CoA-SH CO H 2- 2 Malat Fumarat Suksinat SuksinilIsositrat CisSitrat Oksaloaset Dehidroge Dehidrogen Hidrasi Dehidras Kondensa AsetilDekarboksi Fosforila Dekarboksilasi O FADH ATP NADH2 Aconitat at nasi asi lasi i si oksidatif CoAsi ketoglutara Level t oksidatif substratCOO-
Gambar 3.4. Siklus Asam Sitrat 3.4 Transport Elektron dan Fosforilasi Oksidatif Transport elektron merupakan proses transport elektron dari intermediet siklus TCA melalui serangkaian protein pembawa elektron dalam rantai respirasi dan2
berakhir pada molekul oksigen. Transport elektron ini melepaskan sejumlah energi dalam bentuk ATP dalam proses yang disebut fosforilasi oksidatif. Rangkaian protein pembawa elektron dalam rantai respirasi dari NADH sampai oksigen dapat dilihat pada gambar 3.5. Sifat penting dari rantai respirasi adalah H + dibentuk dan dipakai dalam reaksi transport elektron yang berurutan tertentu, misalnya: NAD FP b c a. Beberapa pembawa elektron seperti NADH dan ubiquinon membawa elektron dalam bentuk atom H, sedangkan sitokrom membawa elektron tanpa mengambil atau melepas H+.2ekcal ATP O a E- NADH c b Q -0,4 Arah 0E FMN
Arah aliran elektron dan hubungan energi pada rantai aliran elektron respirasi mitokondria. E-FMN melambangkan NADH -0,2 deihidrogenase, Q adalah ubikuinon, dan b, c1, c dan a 102 1
0
0,0 hitam)di dalam rantai transport elektron, dengan penurunan energi 20bebas +0,2 yang relatif besar pada perpindahan elektron. Terdapat tahap-tahap yang memberikan energi bebas bagi sintesis ATP. 30 +0,4 40 +0,6
melambangkan sitokrom. Perhatikan adanya tiga tahap (panah
50 +0,8
Gambar 3.5. Rantai respirasi pada mitokondria mamalia. Keterangan : FP = Flavo protein FeS = pusat besi sulfur FP1 = NADH dehidrogenase Q = Ubiquinon atau koenzim Q
Rantai pernapasan dan fosforilasi oksidatif
NADH dan FADH2 yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam glikolisis, reaksi oksidasi asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam siklus asam sitrat merupakan molekul tinggi energi karena masing-masing molekul tersebut mengandung sepasang elektron yang mempunyai2
potensial transfer tinggi. Bila elektron-elektron ini diberikan pada oksigen molekuler, sejumlah besar energi bebas akan dilepaskan dan dapat digunakan untuk menghasilkan ATP. Adanya perbedaan potensial oksidasi reduksi (E0) atau potensial transfer elektron memungkinkan elektron mengalir dari unsur yang potensial redoks lebih negatif (afinitas elektronnya lebih rendah) ke unsur yang potensial redoksnya lebih positif (afinitas elektronnya lebih tinggi). Aliran elektron ini akan melalui komplek-komplek protein yang terdapat pada membran dalam mitokondria dan menyebabkan proton terpompa keluar dari matriks mitokondria. Akibatnya terbentuk kekuatan daya gerak proton yang terdiri dari gradien pH dan potensial listrik transmembran yang kemudian mendorong proton mengalir kembali kedalam matriks melalui suatu kompleks enzym sintesa ATP. Jadi, oksidasi dan fosforilasi terangkai melalui gradien proton pada membran dalam mitokondria.
Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan ATP akibat transfer elektron dari NADH atau FADH2 kepada oksigen melalui serangkaian pengemban elektron. Proses ini adalah sumber utama pembentukan ATP pada organisme aerob. Pembentukan ATP dalam glikolisis sempurna glukosa menjadi CO2 dan H2O, dari 30 ATP yang terbentuk 26 ATP berasal dari proses fosforilasi oksidatif. Komplekkomplek enzym yang terangkai pada membran dalam mitokondria untuk pengangkutan elektron dari molekul NADH atau FADH2 ke oksigen molekuler dimana terbentuk sejumlah ATP dan molekul air dikenal dengan rantai pernapasan. Komplek enzym tersebut adalah NADH-Q reduktase, suksinat-Q reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Suksinat-Q reduktase, berbeda dengan ketiga komplek yang lain, tidak memompa proton. Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak elektron diubah menjadi daya gerak proton dan kemudian menjadi potensial fosforilasi. Fase pertama adalah peran komplek enzym sebagai pompa proton yaitu NADHQ reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Komplekkomplek transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin, kuinon, besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh ATP sintase, suatu susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran balik proton kedalam matriks mitokondria. Elektron potensial tinggi dari NADH masuk rantai pernapasan pada NADH-Q reduktase atau disebut juga dengan NADH dehidrogenase atau komplek I. Langkah awal adalah pengikatan NADH dan transfer dua elektronnya ke flavin mononukleotida (FMN), gugus prostetik komplek ini,2
menjadi bentuk tereduksi, FMNH2. Elektron kemudian ditransfer dari FMNH2 keserangkaian rumpun belerang besi (4Fe-4S), jenis kedua gugus prostetik dalam NADH-Q reduktase. Elektron dalam rumpun belerang-besi kemudian diangkut ke ko-enzym Q, dikenal juga sebagai ubiquinon. Ubiquinon mengalami reduksi menjadi radikal bebas anion semiquinon dan reduksi kedua terjadi dengan pengambilan elektron kedua membentuk ubiquinol (QH2) yang terikat enzym. Pasangan elektron pada QH2 dipindahkan ke rumpun belerang besi (2Fe-2S) kedua yang ada pada NADH-Q reduktase, dan akhirnya ke Q yang bersifat mobil.
Senyawa Penghambat Transport Elektron Beberapa inhibitor berupa senyawa organik yang menghambat transport elektron adalah rotenon: senyawa yang sangat toksik dari tumbuh-tumbuhan, yang dulunya dipakai orang Indian Amerika Selatan sebagai racun ikan, sekarang digunakan sebagai insektisida, amytal (termasuk obat barbiturat), Piericidin (suatu antibiotik yang strukturnya menyerupai ubiquinon sehingga dapat berkompetisi), Antimycin (antibiotik dari Streptomyces graceus), sedangkan inhibitornya berupa senyawa anorganik adalah HCN, H2S dan CO. Oksidasi Sempurna Glukosa Menghasilkan 38 ATP Sekarang, marilah kita menjumlahkan hasil energi kimia dalam bentuk ATP bilamana glukosa dioksidasi menjadi CO2 dan H2O pada sel hewan. Pertama-tama, glikolisis satu molekul glukosa pada keadaan aerobik menghasilkan dua molekul piruvat, dua NADH, dan dua ATP; keseluruhan proses terjadi dalam sitosol:2 piruvat + Pi + Glukosa + 22 ATP + 2 NADH + 2 H+ 2NADO 2ADP + + 2H2+
Selanjutnya, dua pasang elektron dari dua NADH sitosol yang dihasilkan oleh
gliseraldehida fosfat dehidrogenase selama glikolisis diangkut kedalam mitokondria oleh sistem ulang-alik malat aspartat, dan lalu memasuki rantai pengangkut elektron dan mengalir ke oksigen. Proses ini akan menghasilkan 2(3) = 6 ATP, karena dua NADH dioksidasi menurut persamaan.2NAD+ + 2H+ 2NADH + 6ATP + 6Pi + 8 H2 + 6ADP O+ O2
3
(Tentu saja, jika sistem ulang-alik gliserol fosfat dipergunakan, dan bukan sistem malat-aspartat, hanya dua ATP yang akan dihasilkan per NADH). Lalu, jika kita berhadapan dengan persamaan lengkap bagi dehidrogenasi dua molekul piruvat untuk menghasilkan dua asetil-CoA dan dua CO 2 di dalam mitokondria dan pemindahan selanjutnya dari pasangan dua elektronnya ke oksigen melalui rantai, setiap pasang menghasilkan tiga ATP:2 piruvat + 2 KoA + + asetil-KoA + 2 CO2 6Pi + + ADP O O2 6ATP 6 8H +2
Selanjutnya kita sampai pada persamaan bagi oksidasi dua molekul asetil-CoA
menjadi CO2 dan H2O melalui siklus asam sitrat, bersama-sama dengan fosforilasi oksidatif yang berkaitan dengan transport elektron isositrat, -ketoglutarat, dan malat menuju oksigen, masing-masing menghasilkan tiga ATP; oksidasi suksinat dan pembentukan dua ATP melalui GTP yang dihasilkan dari suksinil-KoA :2KoA-SH + + 24Pi 2 asetil-kOA 4CO2 + + 24ATP + 4O2 24ADP + 26H2O
Jika sekarang kita menjumlahkan ke empat persamaan ini, dan menghapus
bagian yang muncul pada kedua sisi persamaan, kita akan memperoleh keseluruhan persamaan glikolisis dan respirasi,6Co2 + 38ATP Glukosa + 38pi + 38ADP 2O 6O2 + 44H +
Jadi, bagi setiap molekul glukosa yang mengalami oksidasi sempurna menjadi CO 2 dan H2O di dalam hati, ginjal, dan jantung, dengan memanfaatkan fungsi ulang-alik malat-aspartat, sejumlah maksimum 38 mol ATP dihasilkan. (bilamana sistem ulangalik gliserol fosfat dipergunakan, 36 ATP dibentuk per glukosa yang dioksidasi).
1
BAB IV FOTOSINTESIS 4.1. Pendahuluan Kehidupan tidak hanya tergantung pada sumber yang berasal dari metabolisme oksidatif.C6H12 + 6CO2 O6 + 6O 6H2O 2
Reaksi kebalikan metabolisme oksidatif dilakukan oleh tumbuh-tumbuhan, algae dan beberapa mikroorganisme yang menggunakan energi matahari untuk menyediakan sejumlah besar energi bebasnya.6CO2 + C6H12 O6 6H 6O + 2O 2
Proses ini disebut fotosintesis. Jadi fotosintesis (1) menyediakan karbohidrat untuk produksi energi pada tumbuh-tumbuhan dan hewan, (2) merupakan proses utama dimana karbon dioksida kembali ke atmosfir, (3) merupakan suatu sumber utama oksigen di bumi (gambar 4.1). Hubungan 4.1. Gambar antara fotosintesis dapat dilihat pada gambar Daur 1.1 karbon di CO2 alam. dan
Penggunaan
H2 O menjadi karbohidrat melalui fotosintesis proses pada
tumbuh-tumbuhan. Pada hewan dan tumbuhan, karbohidrat dioksidasi dapat kembali
menjadi CO2 dan H2 O. Semua energi yang sebagian energi yang dipakai oleh sistem biologis berasal dari energi matahari yang ditangkap oleh proses fotosintesis. Sumber pokok dari hampir semua energi diperoleh dari hasil biologik diambil dari energi surya oleh organisme fotosintetik dan pengubahannya fotosintesis atau oksidasi diperangkap1
dalam bentuk ATP.
menjadi energi biomassa. Organisme fotosintetik dan heterosintetik hidup dalam keadaan seimbang pada biosfer kita. Tanaman fotosintetik menangkap energi surya dalam bentuk ATP dan NADPH yang dipergunakan sebagai sumber energi untuk membuat karbohidrat dan komponen sel organik lainnya dari karbon dioksida dan air. Bersamaan dengan itu organisme tersebut membebaskan oksigen kedalam atmosfir. Tabel 4.1. Contoh beberapa reaksi fotosintesis Organisme Reduktan ReaksiTanaman, alga, cyanobacteria H2O [CH + + 2O CO22O]2HH2O + O2
Bakteri sulfur hijau
H2S
[CH + + 2S CO22O]2HH2O + 2S
Bakteri sulfur ungu
[HSO3-]
[CH + + 2[HSO4-] CO22O]H2O + 2[HSO3-]
Bakteri non-sulfur fotosintetik
H2 atau reduktant lain seperti laktatCO 2 + 2
[CH + + 2 CO22O]2HH2OCH 3 HC COOOH CH3
[CH 2O]
+ H2O + 2
C COO-
O
Laktat
Piruvat
Sebaliknya heterotrof aerobik mempergunakan oksigen yang dibentuk untuk menguraikan produk organik berenergi tinggi dari fotosintesis menjadi CO 2 dan H2O untuk membentuk kembali ATP guna keperluan aktivitas sel itu sendiri. Karbon dioksida yang dibentuk oleh respirasi pada heterotrof kembali ke atmosfir untuk dipergunakan kembali oleh organisme fotosintetik. Oleh karena itu, energi surya memberikan tenaga pendorong bagi daur karbon dioksida dan oksigen atmosfir secara berkesinambungan melalui biosfer kita (gambar 1.1).
1
ATP2O ADP 2 2 Glukosa CO H Sel-sel O heterotrofik fotosintetik
Gambar 4.3. Energi surya merupakan sumber pokok dari hampir semua energi biologik. Sel fotosintetik mempergunakan energi sinar matahari untuk membuat glukosa dan produk organik sel lainnya, yang dipergunakan oleh sel heterotrofik sebagai sumber energi dan karbon. Sejumlah besar energi disimpan sebagai produk fotosintesis yang dibentuk oleh dunia tumbuhan, dengan memanfaatkan energi surya. Karena ketergantungan kita yang demikian besar kepada energi surya untuk memenuhi kebutuhan energi dan makanan, mekanisme fotosintesis menjadi masalah biokimia yang paling mendasar. Persamaan dasar fotosintesis sangatlah sederhana seperti:Cahay H2O (CH2O) a O + CO2 2
Dalam persamaan ini (CH2O) menunjukkan karbohidrat, terutama sukrosa dan pati. Mekanisme fotosintesis adalah komplek, memerlukan protein-protein dan molekul-molekul kecil yang saling mempengaruhi. Fotosintesis pada tumbuhan hijau berlangsung di kloroplas. Aparatus pengubah energi adalah bagian integral dari sistem membran tilakoid dari suatu organel. Tahap pertama fotosintesis adalah penyerapan cahaya oleh klorofil, suatu porfirin dengan ion magnesium terkoordinasi. Selanjutnya eksitasi elektron bergerak dari satu molekul klorofil ke molekul klorofil lainnya dalam suatu komplek penunaian cahaya sampai eksitasi ditangkap oleh pasangan klorofil dengan sifat khusus. Pada suatu pusat reaksi, pokoknya cahaya digunakan untuk menciptakan potensial pereduksi. Fotosintesis pada tanaman hijau melibatkan dua jenis reaksi cahaya. Fotosistem I menghasilkan daya reduksi dalam bentuk NADH. Fotosistem II1
memindahkan elektron dari air ke suatu quinon dan bersamaan dengan itu melepaskan O2. Alir elektron dalam tiap-tiap fotosintesis dan diantara fotosistem akan membentuk gradien proton transmembran yang akan merangsang ATP, seperti pada fosforilasi oksidatif. Fotosintesis memang mirip sekali dengan fosforilasi oksidatif namun perbedaan pokok antara kedua proses transduksi energi ini adalah sumber elektron potensial tinggi. Pada fosforilasi oksidatif, energi berasal dari oksidasi bahan bakar; fotosintesis, energi dihasilkan oleh fotoeksitasi klorofil. NADPH dan ATP terbentuk yang dihasilkan dari cahaya kemudian mereduksi CO2 dan mengubahnya menjadi 3-fosfogliserat pada serangkaian reaksi gelap yang disebut Calvin cycle yang terjadi di stroma kloroplas. Heksosa dibentuk dari 3fosfogliserat pada jalur glukoneogenesis. 4.2. Proses Dasar Fotosintesis Fotosintesis tidak hanya menghasilkan heksosa sebagai karbohidrat utama, maka reaksinya lebih umum dinyatakan sebagai berikut:Cahay CO2 + ( CH2O ) a O + H2 2
Karena pembakaran karbohidrat membentuk CO2 merupakan proses oksidatif, maka seharusnya perubahan CO2 menjadi karbohidrat berkaitan dengan reduksi C dengan reduktor pada umumnya H2O. Tetapi proses fotosintesis pada bakteri menggunakan reduktor lain, maka reaksi fotosintesis yang lebih umum dinyatakan sebagai berikut:Redukt Produk Cahay CO2 +) + ( CH2Oyang dioksida or a
H2O + 2A
2H2A
Contoh lihat pada tabel 4.1. Bila diperhatikan reaksi-reaksi pada tabel 4.1. terlihat bahwa sumber pelepasan oksigen pada fotosintesis tumbuh-tumbuhan, algae dan siano-bakteri adalah air bukan karbon dioksida. Ini dapat dibuktikan oleh C.B. Van Niel pada tahun 1930 yang menggunakan air dengan oksigen yang dilabel (O 18), sedangkan oksigen pada karbon dioksida tidak dilabel maka diperoleh hasil sebagai berikut:CO2 + ( CH2O ) + 2H2 + H2OO18 O218
Bila melihat reaksi diatas, dapat dijelaskan bagaimana (1) energi sinar matahari dapat dipakai langsung untuk mendorong reaksi, (2) air dapat mereduksi karbon dioksida. Karena proses fotosintesis terdiri dari 2 subproses yaitu:2
1. Reaksi terang yaitu reaksi dimana energi sinar matahari dipakai untuk
mengoksidasi air. Pada reaksi terang NADP+ diubah menjadi NADPH dan oksigen, dan sebagian energi sinar matahari juga dipakai untuk fosforilasi ADP menjadi ATP dalam proses yang disebut fotofosforilasi.2. Reaksi gelap yaitu dimana NADPH dan ATP yang dibentuk pada reaksi terang,
dipakai untuk mereduksi karbon dioksida dan air menjadi karbohidrat (gambar 4.4). Gambar fotosintesis terang. Reaksi 4.4. Proses terbagi terang
menjadi reaksi gelap dan memerlukan cahaya tampak sebagai sumber energi dan menghasilkan NADPH dan ATP untuk mendorong reaksi gelap yang Lokasi fotosintesis: Proses fotosintesis berlangsung dalam kloroplas. Kloroplas mengfiksasi CO2 menjadi seperti mitokondria memiliki membran luar yang permeabel dan membran-membran karbohidrat. dalam yang semipermeabel. Di dalam membran-dalam kloroplas terdapat sitroma dan terbenam di dalam stoma ada thylakoid, thylakoid ini pada umumnya menempel satu sama lainnya membentuk satuan-satuan seperti coin yang disebut grana.
1
4.3 Peristiwa Berlangsungnya Fotosintesis Fotosintesis terjadi di kloroplas, organel fotosintesis, panjangnya 5 mikrometer. Seperti halnya mitokondria, kloroplas mempunyai membran luar dan membran dalam dengan ruang antar membran diantaranya (gambar 4.5). Membran dalam mengelilingi suatu stroma yang mengandung enzim-enzim yang larut dan struktur membran yang disebut tilakoid, berupa kantong yang rata. Tumpukan kantongkantong ini disebut granum. Grana dihubungkan oleh bagian dari membran tilakoid yang disebut stroma lamellae. Membran tilakoid memisahkan ruang tilakoid dari ruang stroma. Jadi, kloroplas mempunyai tiga membran (membran luar, dalam dan tilakoid) dan tiga ruang (ruang antar membran, stroma dan tilakoid). Pada kloroplas yang sedang berkembang, tilakoid berasal dari invaginasi membran dalam, dengan demikian tilakoid analog dengan krista pada mitokondria.
Gambar 4.5 Diagram Kloroplas Membran-membran tilakoid mengandung perlengkapan untuk mengubah bentuk-bentuk energi-tranduksi: protein penuai cahaya, pusat reaksi, rantai transport elektron dan ATP sintase. Jumlah kandungan lipid dan proteinnya hampir sama. Susunan lipidnya sangat khusus sekitar 40% dari lipid total berupa galaktolipid dan 40% adalah sulfolipid sedangkan fosfolipid hanya 10%. Membran tilakoid, seperti membran dalam mitokondria adalah impermeabel bagi sebagian besar molekul dan ion. Membran luar kloroplas, seperti pada mitokondria sangat permeabel bagi molekul-molekul kecil dan ion-ion. Stroma mengandung enzim-enzim yang larut yang menggunakan NADPH dan ATP, yang dibentuk di tilakoid, untuk mengubah1
CO2 menjadi gula. Kloroplas mengandung DNAnya sendiri dan peralatan untuk replikasi dan ekspresinya. Akan tetapi, kloroplas (seperti mitokondria) tidaklah bersifat otonom: kloroplas juga mengandung berbagai protein yang disandi oleh DNA inti. 4.4. Penemuan Dasar Persamaan Fotosintesis Sebagian besar reaksi fotosintesis sudah dapat ditulis pada akhir abad kedelapan belas. Pembentukan oksigen dalam fotosintesis ditemukan pada tahun 1780 oleh Joseph Priestley, seorang ahli kimia Inggris dan pendeta yang tidak hanya tunduk pada norma-norma yang berlaku. Dia menemukan bahwa tanaman dapat mengembalikan udara yang telah terpakai oleh nyala lilin. Dengan menempatkan setangkai pohon mint dalam bejana gelas yang ditelungkupkan di tempat air dan beberapa hari kemudian didapatkan bahwa udara di dalam bejana tidak memadamkan nyala lilin dan tidak mengganggu tikus yang ditempatkan di dalamnya (gambar 4.6).
Gambar 4.6. Eksperimen klasik Priestley tentang fotosintesis Penemuan berikutnya oleh Jan Ingenhousz, seorang Belanda yang menjadi dokter istana maharani Australia. Ingenhousz adalah mendengarkan suatu diskusi mengenai percobaan Priestley tentang pengembalian udara oleh tanaman. Dengan melakukan beberapa percobaan, enam tahun kemudian dia menemukan peranan cahaya pada fotosintesis. Percobaan serupa dilakukan oleh Jean Senebier di Geneva, seorang pastur Swiss, penemuannya adalah memperlihatkan bahwa CO2 dari udara dipakai pada2
fotosintesis. Peranan air pada fotosintesis didemonstrasikan oleh Theodore de Saussure juga orang Genewa. Dia memperlihatkan bahwa jumlah berat zat-zat organik yang dihasilkan tumbuhan dan oksigen yang dikeluarkan jauh lebih besar dari berat CO2 yang dikonsumsi. Dari hukum Lavoiser tentang kekekalan massa, De Saussure berkesimpulan bahwa ada senyawa lain yang juga terpakai. Yang ada pada sistemnya hanya CO2, air dan cahaya. Karenanya, de Saussure berkesimpulan bahwa reaktan lainnya adalah air. Setengah abad kemudian, Julius Robert Mayer, ahli bedah Jerman, menemukan hukum kekekalan energi pada 1942. Mayer mengemukakan bahwa tanaman mengubah energi matahari menjadi energi kimia bebas. Tumbuhtumbuhan menggunakan satu bentuk tenaga, cahaya; dan menghasilkan tenaga lainnya, perbedaan kimia. Jumlah energi yang disimpan oleh fotosintesis berlimpah. Lebih dari 10 7 kkal energi bebas disimpan oleh fotosintesis di bumi dalam setahun, yang setara dengan asimilasi lebih dari 1010 ton karbon menjadi karbohidrat dan zat organik. 4.5. Pigmen Fotosintesis Klorofil adalah pigmen utama penyerap cahaya sebagai faktor utama berlangsungnya fotosintesis. Pigmen cahaya di dalam membran tilakoid yang paling penting adalah klorofil hijau, suatu molekul komplek mg2+ yang menyerupai protoporfirin hemoglobin. Klorofil a, terdapat di dalam kloroplas semua sel tumbuhan hijau, terdiri dari empat cincin pirol tersubstitusi, satu diantaranya (cincin IV) tereduksi (gambar 4.7). Klorofil a juga mempunyai cincin kelima, yang bukan merupakan pirol. Sifat lima cincin porfirin turunan yang khas ini disebut Feoporfirin (feo., tanaman). Klorofil a juga memiliki rantai sisi isoprenoid panjang, yang terdiri dari Fitol alkohol yang teresterifikasi dengan gugus karboksil substituen pada cincin IV. Keempat atom nitrogen sentral klorofil a dikoordinasikan dengan Mg2+. Sel fotosintetik tumbuhan tingkat tinggi selalu mengandung dua tipe klorofil. Yang satu selalu merupakan klorofil a, sedang yang lainnya pada beberapa spesies adalah klorofil b yang memiliki suatu gugus aldehid sebagai pengganti gugus metil yang terikat pada cincin II (gambar 4.7). Klorofil a dan b murni dapat diisolasi dari ekstrak daun dengan menggunakan prosedur kromatografi. Walaupun keduanya berwarna hijau, spektra penyerapannya sedikit berbeda. Kebanyakan tumbuhan tingkat tinggi mengandung kurang lebih dua kali lebih banyak klorofil a dibandingkan klorofil b.2
CH 2
(b) Molekul klorofil karotenoid Membran Ruang Stroma R (a) H Bagian yang Rantai sisi glikolipid Intratilakoid diberi C fitil C H C C C bayangan hidrofobik C H I C II C C N pada N C yang cincin H C Mg feoporfirin C H H C Cmenempat N N C C IV C dan III C memiliki kan C CH H C C ikatan V C mengarahk tunggal H C H C dan HC an molekul ikatan CH O C O ganda, secara klorofil di C O O bergantian dalam O CH membran yangCH HC memberikan tilakoid C CH warna klorofil H C CH dan H C kemampuan H C CH H C menyerap CH cahaya dan H C H C memindahkan CH H C eksitonCH C3 2 3 2 2 2 3 3 2 2 2 3 2 2 2 3 2
CH 3
3
CH2 H2 C H H3 C C CH3
Gambar 4.7. (a). Klorofil a dan b. Cincin V adalah cincin ekstra, tidak dijumpai pada protoporfirin. R = -CH3 pada klorofila; R = CHO pada klorofil b. (b) susunan klorofil penyerap cahaya dan pigmen karotenoid didalam membran tilakoid. Molekul ini diarahkan dan dikelompokkan menjadi bagian-bagian atau fotosistem-fotosistem. Gambar 4.7 menunjukkan bagaimana struktur klorofil a beradaptasi dengan aktivitas biologisnya. Sistem lima cincin dengan warna gelap, yang membentuk cincin lebih besar mengelilingi Mg, membantu molekul tersebut dengan daya penyerap cahaya; Mg mengaktifkan pembentukan agregat klorofil, yang memudahkan penangkapan cahaya; dan rantai sisi hidrofobik panjang tidak hanya menempatkan tetapi juga mengarahkan molekul klorofil pada lipida membran ganda. Elain klorofil, membran tilakoid mengandung pigmen lain penyerap cahaya, yang secara bersama-sama disebut pigmen pelengkap. Pigmen pelengkap ini meliputi bermacam-macam karotenoid, yang mungkin berwarna kuning, merah, atu ungu. Yang paling penting adalah karoten-1
(gambar 4.8), senyawa isoprenoid
merah yang menggunakan prekursor vitamin A pada hewan, dan karotenoid kuning xantofil. Pigmen karotenoid menyerap cahaya pada panjang gelombang yang berbeda dengan yang diserap oleh klorofil dan karena merupakan penerima cahaya yang saling melengkapi. Jumlah relatif klorofil dan berbagai karotenoid bervariasi secara khas pada spesies tanaman yang satu dengan yang lainnya. Memang, variasi proporsi pigmen ini membawa perbedaan yang khas pada warna sel fotosintetik dari hijau-biru gelap, seperti pada pucuk cemara, warna kehijau-hijauan seperti daun maple, sampai merah, coklat atau bahkan ungu pada berbagai spesies alga multiselular dan daun-daun tanaman hias. Penangkapan energi matahari oleh klorofil, pertama adalah penyerapan cahaya oleh molekul fotoreseptor. Fotoreseptor utama di dalam kloroplas pada tumbuhan yang hijau adalah klorofil a, suatu tetrapirol tersubstitusi. Keempat atom nitrogen pada pirol dikoordinasikan dengan satu atom magnesium. Jadi, klorofil adalah suatu porfirin magnesium, sedangkan hem adalah porfirin besi. Ciri-ciri khusus lainnya dari klorofil adalah adanya fitol, suatu alkohol 20 karbon yang sangat hidrofobik dan yang membentuk ester dengan rantai samping asam. Klorofil b berbeda dari klorofil a karena adanya suatu gugus formil ditempat gugus metil pada salah satu cincin pirol. Klorofil adalah fotoreseptor yang efektif karena memiliki banyak ikatan tunggal dan ikatan rangkap secara selang seling. Senyawa demikian disebut polien. Polien ini mempunyai pita absorpsi yang kuat pada spektrum cahaya tampak, dimana penyinaran matahari yang mencapai bumi juga maksimal. 4.6. Tahap-tahap Fotosintesis Fotosintesis pada tumbuhan hijau terjadi dalam dua tahap, reaksi terang, yang terjadi hanya jika tumbuhan diberi cahaya matahari dan reaksi gelap, yang dapat terjadi dengan atau tanpa adanya matahari. REAKSI TERANG Absorpsi cahaya, menurut teori kuantum mekanik, keadaan radiasi cahaya (atau radiasi elektromagnetik lain), mempunyai 2 aspek yaitu sebagai gelombang dan sebagai pertikel. Untuk mengetahui bagaimana energi dapat diperoleh dari cahaya, maka kita harus melihat aspek pertikel radiasi, kita harus menganggap satu berkas cahaya sebagai berkas partikel cahaya atau foton-foton. Setiap foton mempunyai satuan yang disebut kuantum. Energi satu kuantum (yaitu energi per foton), menurut Plank, energi per foton E = h.v, dimana h adalah konstanta Plank (6,626 x 10-34 J detik). Jadi laser neon pada contoh dapat membebaskan energi2
cahaya dalam paket atau kuanta 3,14 x 10-19 J. Tetapi ahli biokimia jarang berhubungan dengan foton tunggal, karena kita lebih tertarik dengan bagaimana radiasi dapat membantu proses kimia/biokimia yang umumnya menyatakan energi dalam satu mole 6,02 x 1023 = 189 kJ. Satu mole foton disebut saru einstein. Pigmen penyerap cahaya, untuk menangkap energi cahaya yang tersedia, organisme fotosintetik menyediakan sekumpulan pigmen yang dapat mengabsorpsi cahaya tampak dan cahaya infra-merah dekat secara efektif. Pigmen ini disebut kromofor (gambar 4.9). Struktur pengumpul cahaya, klorofil dan beberapa pigmen accessory digabung dalam membran thylakoid kloroplas. Membran thylakoid ini hanya mengandung sedikit fosfolipid tetapi banyak glukolipid, suatu komposisi yang berbeda dengan membran umumnya. Membran thylakoid juga mengandung banyak protein. Pigmen fotosintetik, termasuk klorofil a dan b tidak terikat secara kovalen tetapi berinteraksi dengan protein dan lipid membran. Kumpulan pigmen-pigmen dalam membran thylakoid dengan proteinnya disusun dalam fotosistem mewakili satu unit struktur dengan tugas mengabsorpsi satu cahaya foton dan merecovery sebagian energi cahaya foton dalam bentuk energi kimiawi ATP. Setelah fotoeksitasi, ada 2 cara transfer energi: 1. Energi eksitasi dapat diteruskan dari satu molekul ke molekul lain yang berdekatan dalam proses yang disebut transfer resonansi (gambar 4.10.a). 2. Elektron tereksitasi diteruskan ke molekul berdekatan dengan keadaan tereksitasi sedikit lebih rendah dalam proses yang disebut transfer elektron (gambar 4.10.b)CH 3
Gambar 4.8. Karoten- , suatu pigmen pelengkapCH 3 H3C
pada hijau daun, banyak karotenoid lain yangCH3
bertindak sebagai pigmen pelengkap pada berbagai spesies. Perhatikan bahwa karoten- , seperti klorofil,H3 C CH3
mengandung yang
banyak
ikatan
ganda ini
konjugasi,H3 C CH 3 H3C
memungkinkan
molekul
menyerap cahaya dan memancarkan eksiton.H3C
2
CH 2
(c) Klorofil a dan (a) -karoten b (b) fikosianinH3C N Mg H3 C H H CH3 H O O CH3 CH 3 O H N N N
CHO dalam klorofil b CH3 dalam klorofil a
CH3
CH3
O O
3 sisi rantai fitol
H3C CH3 H 3C CH3 CH3
H3C CH3 CH3 CH3
CH3
Protein S H3C CH 3 CH H 3C
COO- COOCH2 CH2 CH3 H 3C CH3 CH2
CH2 H2C
O
N H
C H
N H
C H
N
C H
N H
O
Gambar 4.9. Pigmen fotosintetik. Klorofil a dan b merupakan pigmen tumbuhan terbanyak -karoten dan fikosianin: pigmen accessory.
2
Elektron Molekul II-Gambar 4.10. dua model transfer energi menyusul fotoeksitasi. Ground Proton Excited e state
+ -
Gambar sebelah kiri menunjukkan suatu molekul yang tereksitasi ke keadaan energi lebih tinggi karena mengabsorpsi radiasi foton. Sedangkan gambar kanan melukiskan bagaimana energi ditransfer ke molekul berdekatan. (a). Pada transfer resonansi, molekul I mentransfer energi eksitasinya ke molekul II, sehingga energi molekul II dinaikkan ke keadaan energi lebih tinggi, waktu molekul I jatuh kembali ke keadaan dasar. (b) pada transfer elektron, elektron tereksitasi kel molekul II dengan keadaan energi eksitasi sedikit lebih rendah menkationkan molekul I dan menganionkan molekul II.
REAKSI GELAP : DAUR CALVIN Reaksi gelap terjadi di dalam kloroplas. Fungsi reaksi gelap adalah untuk fiksasi karbon dioksida atmosfer menjadi karbohidrat, dengan menggunakan energi dan reducing power yang dibentuk pada reaksi terang. Reaksi gelap dapat berlangsung tanpa cahaya. Keberadaan cahaya dapat membantu mempercepta1
reaksi gelap. Fiksasi karbon dioksida dapat dicapai dengan penambahan satu molekul CO2 pada molekul aseptor setiap waktu dan meneruskan molekul melalui suatu rangkaian reaksi siklik (gambar 4.11). Seluruh rangkaian reaksi siklik ini disebut Daur Calvin, diambil dari nama Melvin Calvin, seorang pakar biokimia Amerika yang dalam bidang ini memperoleh hadiah nobel pada tahun 1961. Pada daur Calvin dihasilkan karbohidrat dan pembentukan kembali molekul aseptor. Daur Calvin terdiri dari dua tahap. Pada tahap I karbon dioksida diperangkap sebagai karboksilat dan direduksi sampai taraf aldehid-keton yang akhirnya menghasilkan karbohidrat. Pada tahap II terjadi pembentukan kembali molekul aseptor ribulosa1,5-difosfat. (metabolisme karbohidrat). Reaksi Keseluruhan dan Efisiensi Fotosintesis. ATP dan NADPH yang diperlukan untuk reaksi gelap dilepaskan ke dalam stroma oleh reaksi terang fotosintesis. Setiap elektron yang melewati PS I dan PS II memerlukan dua foton, dan untuk mereduksi satu NADP+ diperlukan dua elektron, sehingga untuk memproduksi satu NADPH diperlukan empat foton. Ini sama dengan 8 foton per O2. Karena reaksi gelap memerlukan 12 NADPH, maka 48 foton harud diabsorpsi. Bila kita umpamakan proses ini juga akan memompa proton sewaktu melewati membran thylakoid dan menghasilkan 18 ATP, maka kita dapat menuliskan reaksi terang sebagai berikut:48 6O2foton12NADPH + 6H 2O ++ 12 NADP + 18 ATP + 6H 18 Pi+
+ 18ATP
Reaksi gelap dapat ditulis:6CO2 + C6H12 O6 + 18ATP + 18Pi + 18ADP + 12NADPH 12NADP+ + 6H+
Penjumlahan reaksi terang dan gelap tersebut diatas:48 12 6CO2 O6 + C6Hfoton 6H 2 6O2O +
Pada cahaya dengan panjang gelombang 650 nm, 48 foto sama dengan 48 einstein = 8000 kL. Pembentukan satu heksosa dari karbon dioksida dan air diperlukan input energi sebesar 8000 kJ. Input energi per foton tergantung pada cahaya yang digunakan. Karena energi mole foton untuk panjang gelombang 650 nm adalah 3870 kJ, maka efisiensi fotosintesis: Efisinsi = (2870 kJ/8000 kJ) x 100% = 35%2
2
ADP NADP NADPH ATPO P ase Rubisko Cahaya Reaksi F1 5 NADP CO H NADPH CH (gula) Glukosa Gliseraldehid G3P G3P 3 P2 1 bifosfat Ribulosadan 3-fosfogliserat 1,3-bifosfogliserat Fase 2 Fiksasi P 2ADP +Reduksi 6Oi2O 3::Terang ATP Reaksi 3-fosfat Senyawa (RUBP) organik Regenerasi (gula) Gelap karbon lain Akseptor CO2 (RumP)+
Keluaran Masukan Siklus Calvin
Gambar 4.11. Siklus Calvin.
Diagram ini menelusuri atom karbon (bola abu-abu) yang melalui siklus ini. Ketiga fase siklus ini sesuai dengan fase yang dibahas di dalam teks. Untuk setiap tiga molekul CO2 yang memasuki siklus ini, selisih keluarannya ialah satu molekul gliseraldehida 3-fosfat (G3P), gula berkarbon tiga. Untuk setiap G3P yang disintesis, siklus ini menghabiskan sembilan molekul ATP dan enam molekul NADPH. Reaksi terang mempertahankan siklus Calvin ini dengan meregenerasi ATP dan NADPH.
1
BAB V METABOLISME PROTEINProtein dalam sel hidup terus menerus diperbaharui melalui proses pertukaran protein yaitu suatu proses berkesinambungan yang terdiri dari penguraian protein yang sudah ada menjadi asam amino bebas dan1
resintesis selanjutnya dari asam-asam amino bebas menjadi protein. Dalam tubuh sekitar 1-2 % protein mengalami peruraian setiap hari. Sekitar 75-80 % dari asam amino yang dibebaskan akan digunakan kembali untuk sintesis protein yang baru. Nitrogen sisanya akan dikatabolisasi menjadi urea (pada mamalia) dan kerangka karbon bagi senyawa-senyawa amfibolik. Untuk mempertahankan kesehatan, manusia memerlukan 30- 60 g protein setiap hari atau ekivalen dalam bentuk asam amino bebas. Secara umum metabolisme protein dapat dilihat pada Gambar 2.1. Asam-asam amino yang berlebih tidak akan disimpan, tetapi diuraikan dengan cepat. Di dalam sel, protein akan diuraikan menjadi asam-asam amino oleh protease dan peptidase. Protease intrasel akan memutus ikatan peptida internal protein sehingga terbentuk senyawa peptida. Selanjutnya oleh peptidase, peptida tersebut akan diuraikan menjadi asam-asam amino bebas. Endopeptidase akan memutus ikatan peptida internal sehingga terbentuk peptida-peptida yang lebih pendek, selanjutnya ammopeptidase dan karboksipeptidase akan membebaskan asam-asam amino masing-masing dalam gugus terminal-N dan -C pada peptidapeptida tersebut. Penguraian protein seperti yang disebutkan di atas adalah untuk protein ekstrasel dan intrasel yang mana penguraiannya tidak memerlukan ATP (Gb. 2.2). Untuk protein yang berusia pendek dan yang abnormal penguraiannya terjadi pada sitosol dan memerlukan ATP atau ubikuitin. Asam amino yang terbentuk dari katabolisme protein ini akan dimetabolisasi menjadi ammonia dan kerangka karbon. Selanjutnya kerangka karbon akan ikut dalam siklus asam sitrat (TCA) dan glukoneogenesis. Sedangkan ammonia akan mengalami sintesis
membentuk urea atau membentuk asam amino baru.
2
Gambar 2 1 Metabolisme Protein Secara Umum
1
5.1.METABOLISME ASAM AMINO
Ringkasan Biosintesa Asam AminoBeberapa organisme dapat mensintesa sendiri semua ke-20 jenis asam amino penyusun protein, tetapi organisme lain tidak mampu mensintesa semuanya. Asam amino non essensial adalah asam amino yang dapat disintesa sendiri tersebut, sedangkan asam amino essensial harus diperoleh dari makanan. tersebut, diturunkan. dapat Ke-20 jenis asam amino menjadi enam penyusun protein famili biosintesis dikelompokkan
berdasarkan pada intermediate metabolik dari mana kerangka karbonnya
Degradasi Asam AminoAsam amino didegradasi melalui pelepasan gugus -amino dan konversi kerangka karbon yang dihasilkannya menjadi satu atau lebih intermediate metabolik. Asam amino yang kerangka karbonnya dapat digunakan untuk sintesa glukosa bersih disebut asam amino glukogenik. Sedangkan asam amino yang dapat digunakan untuk sintesa keton bodi disebut asam amino ketogenik. Beberapa asam amino dapat diturunkan menjadi lebih dari satu intermediate terlebih dahulu dan selanjutnya dapat digunakan untuk sintesa glukosa maupun keton bodi, sehingga asam amino ini bersifat sekaligus glukogenik dan ketogenik.
TransaminasiGugus -amino dilepaskan dari asam amino melalui proses yang disebut transaminasi. Akseptor untuk reaksi ini umumnya adalah asam--keto yang disebut -ketoglutarat yang selanjutnya membentuk asam glutamat dan asam -keto yang berhubungan. Koenzim yang terlibat untuk semua enzim transaminase adalah piridoksal fosfat yang diturunkan dari vitamin B6 dan dikonversi sementara menjadi piridoksamin fosfat.
Deaminasi Oksidatif Terhadap GlutamatAsam Glutamat yang dihasilkan melalui proses transaminasi selanjutnya dideaminasi secara oksidatif oleh enzim glutamat dehidrogenase untuk menghasilkan amonia.
Asam Amino OksidaseSejumlah kecil asam amino didegradasi oleh enzim L- dan D- asam amino oksidase yang menggunakan berturut-turut FMN (Flavin Mononukleotida) dan FAD (Flavin Adenin Dinukleotida) sebagai koenzimnya.
1
Ekskresi AmmoniaKelebihan nitrogen dieksresikan sebagai ammonia. Organisme Ammonotelik mengeksresikan amonia secara langsung, organisme urikotelik mengeksresikannya sebagai asam urat, dan organisme ureotelik mengeksresikannya sebagai urea.
Siklus UreaDalam siklus urea, pertama kali ammonia bergabung dengan CO2 membentuk karbamoil fosfat. Selanjutnya karbamoil fosfat ini bergabung dengan ornitin untuk membentuk sitrulin. Sitrulin kemudian berkondensasi dengan aspartat, yang merupakan sumber atom N yang kedua pada urea, untuk membentuk argininosuksinat. Senyawa ini selanjutnya pecah menjadi arginin dan fumarat, dan arginin yang terbentuk pecah menjadi urea dan terbentuk ornitin kembali. Kedua reaksi yang pertama berlangsung dalam mitokondria sel hati, tiga reaksi lainnya terjadi pada sitosol.
PENJELASAN RINCI
KATABOLISME ASAM AMINO
Hanya sedikit organisme yang dapat mengubah nitrogen bebas (N2) menjadi senyawa biologis yang berguna seperti NH3, oleh karenanya organisme umumnya menggunakan nitrogen dari asam amino. Pada umumnya asam amino dimetabolisasi di hepar (Gambar 2.2). Ammonia yang dihasilkan didaur ulang dan digunakan untuk bermacam-macam proses biosintesis, kelebihannya akan dibuang sebagai urea. Kelebihan ammonia yang dihasilkan oleh jaringan ekstrahepatik akan diangkut ke hepar (dalam bentuk gugus amino) untuk diubah menjadi senyawa yang bisa diekskresi. Di dalam katabolisme ini asam amino glutamat dan glutamin berperan penting, Gugus amino dari asam amino akan dialihkan ke -keto glutarat membentuk glutamat (terjadi di sitosol). Selanjutnya glutamat akan diangkut ke mitokondria dan gugus amino dilepaskan berupa NH4. Kelebihan ammonia jaringan lain akan diubah menjadi glutamin lalu diangkut ke mitokondria hepar. Kelebihan gugus amino di jaringan otot dialihkan ke piruvat, karenanya piruvat berubah menjadi alanin yang selanjutnya akan dibawa ke mitokondria hepatosit untuk dilepas gugus NH2 nya. Manusia merupakan mahluk ureotelik artinya dapat mengubah nitrogen asam amino menjadi urea yang tidak toksik dan mudah larut dalam air. Biosintesis urea (Gb.2.4) dibagi menjadi 4 tahap: (1), Transminasi, (2), Deaminasi oksidatif, 3) Pengangkutan amonia dan (4) Reaksi siklus urea. Asam-asam amino yang telah kehilangan gugus3
amino, kerangka karbonnya akan mengikuti siklus glukoneogenesis. Asam-asam amino yang demikian ini disebut sebagai asam amino glukogenik (ala, ser, cys, gly, thre, glu, arg, pro, his, val, meth dan asp)
2
Gambar 2.2 : Katabolisme asam amino. Jalur yang diambil asam amonium dan asam -keto berbeda
Gambar 2.3 : Katabolisme gugusan amino pada hati vertebrata
Gambar 24 : Biosintesa nitrogen dalam katabolisme asam amino.
1
Transaminasi Transaminasi adalah pemindahan gugus asam -amino pada glutamat, proses ini merupakan reaksi pertama dari proses katabolisme. Reaksi ini diawali oleh enzim transaminase. Enzim ini mempunyai gugus prostetik piridoksal phospat (bentuk aktif B6). Umumnya piridoksal fosfat berikatan kovalen dengan situs aktif enzim melalui ikatan imin (basa schift) yaitu pada gugus amina E dari residu lisin transaminase. Reaksireaksi yang dikatalisis transaminase mempunyai konstanta kesetimbangan 1,0 karenanya reaksinya adalah bolak-balik. Gugus prostetik piridoksal fosfat berfungsi sebagai pengangkut sementara (intermediate carrier) bagi gugus amino pada situs aktif transaminase. Senyawa ini mengalami transformasi antara bentuk aldehid (piridoksal fosfat) yang dapat menerima gugus amino dengan bentuk transaminasinya, yaitu piridoksamin fosfat yang dapat memberikan gugus aminonya kepada suatu asam keto-. Piridoksal fosfat terikat pada transaminase pada situs aktifnya melalui ikatan kovalen dalam bentuk imina (basa schiff) dengan gugus amino E dari residu lisin. Pada reaksi transaminasi ini gugus amino- dari asam amino akan dialihkan ke asam keto- glutarat. Hasilnya adalah asam keto- glutarat akan mendapat gugus amino menjadi L-glutamat, sedang asam amino yang kehilangan gugus aminonya menjadi suatu asam keto- yang bersesuaian. Keadaan yang sama juga terjadi pada transaminasi gugus amino dari alanin ke -keto glutarat, reaksi ini menghasilkan L-glutamat dan pruvat. Jadi setiap enzim transaminase bersifat spesifik untuk satu pasangan asam -amino dan asam -keto. Reaksi transaminasi itu terbukti terjadi hampir pada semua asam amino kecuali lisin, treonin, prolin dan hidroksi prolin. Tujuan utama dari reaksi transaminase itu adalah untuk
mengumpulkan semua nitrogen dari asam amino dalam bentuk satusatunya senyawa yaitu glutamat. Hal ini sangat penting karena L-glutamat3
merupakan satu-satunya asam amino dalam jaringan mamalia yang mengalami deaminasi oksidatif dengan kecepatan cukup tinggi. Jadi pembentukan ammonia dari gugu
Recommended
