KATABOLISME LEMAK
Jika sumber energi dari karbohidrat telah mencukupi, maka asam lemak mengalami esterifikasi yaitu membentuk ester dengan gliserol menjadi trigliserida sebagai cadangan energi jangka panjang. Katabolisme lemak dimulai dengan pemecahan lemak menjadi gliserol dan asam lemak. Gliserol yang merupakan senyawa dengan 3 atom C dapat dirubah menjadi gliseral dehid 3-fosfat. Selanjutnya gliseral dehid 3-fosfat mengikuti jalur glikolisis sehingga terbentuk piruvat. Sedangkan asam lemak dapat dipecah menjadi molekul-molekul dengan 2 atom C. Molekul dengan 2 atom C ini kemudian diubah menjadi asetil koenzim A dapat dihitung satu. Sehingga jika sewaktu-waktu tak tersedia sumber energi dari karbohidrat barulah asam lemak dioksidasi. Proses oksidasi asam lemak dinamakan oksidasi beta dan menghasilkan asetil KoA. Selanjutnya sebagaimana asetil KoA dari hasil metabolisme karbohidrat dan protein, asetil KoA dari jalur inipun akan masuk ke dalam siklus asam sitrat sehingga dihasilkan energi (Nugroho, 2009). Lebih lanjut Nugroho menguraikan proses metabolisme asam lemak sebagai berikut.
1. Katabolisme Gliserol
Gliserol sebagai hasil hidrolisis lipid (trigliserida) dapat menjadi sumber energi. Gliserol ini selanjutnya masuk ke dalam jalur metabolisme karbohidrat yaitu glikolisis. Pada tahap awal, gliserol mendapatkan 1 gugus fosfat dari ATP membentuk gliserol 3-fosfat. Selanjutnya senyawa ini masuk ke dalam rantai respirasi membentuk dihidroksi aseton fosfat, suatu produk antara dalam jalur glikolisis.
Enzim gliserokinase mengkatalisis reaksi :
Gliserol → Gliserol 3-fosfat
Dalam reaksi ini diperlukan ATP dan menghasilkan ADP. Enzim ini terutama terdapat dalam hati dan ginjal. Enzim gliserol 3-fosfat dehidrogenase mengkatalisis reaksi :
Gliserol 3-fosfat → Dihidroksi aseton fosfat ( DHAP )
B. Asam Lemak (β Oksidasi)
Untuk memperoleh energi, asam lemak dapat dioksidasi dalam proses yang dinamakan oksidasi beta. Sebelum dikatabolisir dalam oksidasi beta, asam lemak harus diaktifkan terlebih dahulu menjadi asil-KoA. Dengan adanya ATP dan Koenzim A, asam lemak diaktifkan dengan dikatalisir oleh enzim asil-KoA sintetase (Tiokinase).
Gamabr 1. Aktivasi asam lemak menjadi asil KoA
Asam lemak bebas pada umumnya berupa asam-asam lemak rantai panjang. Asam lemak rantai panjang ini akan dapat masuk ke dalam mitokondria dengan bantuan senyawa karnitin, dengan rumus (CH3)3N+-CH2-CH(OH)-CH2-COO-.
| Membran mitokondria interna |
| Karnitin palmitoil transferase II |
| Karnitin Asil karnitin translokase |
| KoA |
| Karnitin |
| Asil karnitin |
| Asil-KoA |
| Asil karnitin |
| Beta oksidasi |
| Membran mitokondria eksterna |
| ATP + KoA |
| AMP + PPi |
| |
| Asil-KoA |
| Asil-KoA sintetase (Tiokinase) |
| Karnitin palmitoil transferase I |
| Asil-KoA |
| KoA |
| Karnitin |
| Asil karnitin |
Gambar 2. Mekanisme transportasi asam lemak trans membran mitokondria melalui mekanisme pengangkutan karnitin
Langkah-langkah masuknya asil KoA ke dalam mitokondria dijelaskan sebagai berikut:
1. Asam lemak bebas (FFA ) diaktifkan menjadi asil-KoA dengan dikatalisir oleh enzim tiokinase.
2. Setelah menjadi bentuk aktif, asil-KoA dikonversikan oleh enzim karnitin palmitoil transferase I yang terdapat pada membran eksterna mitokondria menjadi asil karnitin. Setelah menjadi asil karnitin, barulah senyawa tersebut bisa menembus membran interna mitokondria.
3. Pada membran interna mitokondria terdapat enzim karnitin asil karnitin translokase yang bertindak sebagai pengangkut asil karnitin ke dalam dan karnitin keluar.
4. Asil karnitin yang masuk ke dalam mitokondria selanjutnya bereaksi dengan KoA dengan dikatalisir oleh enzim karnitin palmitoiltransferase II yang ada di membran interna mitokondria menjadi Asil Koa dan karnitin dibebaskan.
5. Asil KoA yang sudah berada dalam mitokondria ini selanjutnya masuk dalam proses oksidasi beta.
Dalam oksidasi beta, asam lemak masuk ke dalam rangkaian siklus dengan 5 tahapan proses dan pada setiap proses, diangkat 2 atom C dengan hasil akhir berupa asetil KoA. Selanjutnya asetil KoA masuk ke dalam siklus asam sitrat. Dalam proses oksidasi ini, karbon β asam lemak dioksidasi menjadi keton.
Gamabr 3. Oksidasi karbon β menjadi keton
Keterangan: Frekuensi oksidasi β adalah (½ jumlah atom C)-1
Jumlah asetil KoA yang dihasilkan adalah (½ jumlah atom C)
Gambar 4. Oksidasi asam lemak dengan 16 atom C. Perhatikan bahwa setiap proses pemutusan 2 atom C adalah proses oksidasi β dan setiap 2 atom C yang diputuskan adalah asetil KoA.
Gambar 5. Aktivasi asam lemak, oksidasi beta dan siklus asam sitrat
Telah dijelaskan bahwa asam lemak dapat dioksidasi jika diaktifkan terlebih dahulu menjadi asil-KoA. Proses aktivasi ini membutuhkan energi sebesar 2P. (-2P)
Setelah berada di dalam mitokondria, asil-KoA akan mengalami tahap-tahap perubahan sebagai berikut:
1. Asil-KoA diubah menjadi delta2-trans-enoil-KoA. Pada tahap ini terjadi rantai respirasi dengan menghasilkan energi 2P (+2P)
2. delta2-trans-enoil-KoA diubah menjadi L(+)-3-hidroksi-asil-KoA
3. L(+)-3-hidroksi-asil-KoA diubah menjadi 3-Ketoasil-KoA. Pada tahap ini terjadi rantai respirasi dengan menghasilkan energi 3P (+3P)
4. Selanjutnya terbentuklah asetil KoA yang mengandung 2 atom C dan asil-KoA yang telah kehilangan 2 atom C.
Dalam satu oksidasi beta dihasilkan energi 2P dan 3P sehingga total energi satu kali oksidasi beta adalah 5P. Karena pada umumnya asam lemak memiliki banyak atom C, maka asil-KoA yang masih ada akan mengalami oksidasi beta kembali dan kehilangan lagi 2 atom C karena membentuk asetil KoA. Demikian seterusnya hingga hasil yang terakhir adalah 2 asetil-KoA. Asetil-KoA yang dihasilkan oleh oksidasi beta ini selanjutnya akan masuk siklus asam sitrat.
C. Reaksi β Oksidasi
1. Reaksi pertama : Dehidrogenase pertama
Reaksi ini merupakan peristiwa oksidasi atau dehidrogenase yang pertama terhadap asam lemak aktif. Enzim yang mengkatalisa adalah asil - KoA dehidrogenase. Setelah ester asil lemak Ko-A masuk ke dalam matriks, molekul itu mengalami dehideogenasi enzimatik pada atom karbon α dan β (atom carbón 2 dan 3) untuk membentuk ikatan ganda pada rantai karbon, dan karenanya menghasilkan statu trans-Δ2-enoil – S – KoA sebagai produk, dalam tahap yang dikatalisa oleh dehidrogenase asil – KoA, yaitu enzim (ditunjukkan oleh E) yang mengandung FAD sebagai gugus prostetik :
E – FAD E – FADH2
Pada reaksi ini, atom hidrogen yang dilepaskan dari asil lemak – KoA dipindahkan ke FAD, yang merupakan gugus prostetik yang terikat kuat pada dehidrogenasi asil – KoA. Bentuk tereduksi dehidrogenase ini lalu memberikan elektronnya kepada molekul pebawa electron, yang disebut flavoprotein pemindahan electron (ETFP), yang selanjutnya memindahkan pasangan elekrton ke ubikuinon pada rantai respirasi mitokondria. Selama transport pasangan electron ini selanjutnya ke oksigen oleh rantai respirasi, dua ATP dihasilkan oleh fosforilasi oksidatif.
2. Reaksi kedua : Hidrasi
Trans –menoil KoA yang terbentuk pada reaksi dehidrogenase di atas pada reaksi berikutnya diubah ke dalam 3 – hidroksi – asil – KoA oleh enzim enoil – KoA hidrase.
Enzim ini menunjukkan spesifitas yang relatif oleh karena dapat pula menghidrasi menghidrasi senyawa turunannya baik yang jenuh, tak jenuh, bentuk trans maupun bentuk sis. Hasil hidrasinya pada asil KoA dengan ikatan ganda trans maka hasilnya adalah bentuk L.
Gambar Dehidrogenasi I dan Hidrasi
- Reaksi ketiga : Dehidrogenasi kedua
Berbeda dengan dehidrogenasi yang pertama yang dibantu oleh gugus prostetis FAD maka dehidrogenasi yang kedua itu dibantu oleh NAD Pada tahap ini, L-3-hidroksiasil –KoA didehidrogenasi untuk membentuk 3-ketoasil-KoA oleh kerja 3-hidroksiasil-KoA dehidrogenase. Reaksinya adalah:
Enzim ini benar-benar spesifik (100%) bagi stereoisomer L. NADH yang terbentuk didalam reaksi ini lalu memberikan ekuivalen pereduksinya ke NADH dehidrogenase pada rantai respirasi (gambar 18-17). Seperti pada semua subtract lain dari dehidrogenase yang berkaitan dengan NAD pada mitokondira, tiga molekul ATP dihasilkan dari ADP per pasangan electrón yang mengalir dari NADH ke oksigen melalui rantai transport electron.
- Reaksi keempat : Tiolisis
Reaksi berikut ini adalah sebuah lisis yang disebabkan senyawa tiol. Senyawa terakhirnya adalah K0ASH Tahap ke empat dan terakhir dari siklus oksidasi asam lemak dikatalisis oleh asetil-KoA asetiltransferase (lebih dikenal sebagai tiolase), yang melangsungkan reaksi 3-ketoasil-KoA dengan molekul dari KoA-SH bebes untuk membebaskan 2 karbon karboksilterminal dari asam lemak asalnya, sebagai asetil-KoA, dan produk sisanya, yaitu aster KoA dari asam lemak semula yang diperkecil dengan dua atom karbon
Gambar Dehidrogenasi kedua dan tiolisis
Dari tahapan reaksi oksidasi asam lemak diatas dapat diketahui bahwa setiap kali asam lemak aktif itu menjalani siklus pemecahan dihasilkan molekul asetil K0A dan 2 pasang atom hidrogen.
Berikut adalah reaksi asam lemak yang akan menjadi miristoil – K0 A berlangsung sebagai berikut :
Setelah pemisahan satu unit asetil-KoA dari palmitoil-KoA, kita berhadapan dengan ester KoA asam lemak yang diperpendek, yaitu asam miristat 14-karbon. Miristoil KoA ini sekarang dapat masuk ke dalam siklus oksidasi asam lemak dan mengalami rangkaian empat rekasi selanjutnya, yang sama dengan rangkaian pertama, menghasilkan molekul asetil-KoA kedua dan lauril-KoA, yaitu ester KoA dari asam lemak homolog 12-karbon, asam laurat. Bersama-sama, ketujuh lintasan yang melalui siklus oksidasi asam lemak diperlukan untuk mengoksidasi satu molekul palmitoil-KoA untuk menghasilkan delapan molekul asetil-KoA.
Asetil-KoA yang dihasilkan oleh oksidasi beta ini selanjutnya akan masuk siklus asam sitrat.
D. Asetil-KoA dioksidasi melalui siklus Asam Sitrat
Gambar daur asam sitrat
Asetil-KoA yang dihasilkan dari oksidasi asam lemak tidak berbeda dengan asetil-KoA yang terbentuk dari piruvat. Gugus asetilnya, pada akhirnya akan dioksidasi menjadi CO2 dan H2O oleh lintas yang sama, yakni siklus asam sitrat. persamaan berikut adalah persamaan yang menggambarkan neraca keseimbangan babak kedua di dalam oksidasi asam lemak, yaitu oksidasi kedelapan molekul asetil-KoA yang dibentuk dari palmitoil-KoA dengan fosforilasi yang terjadi bersamaan dengan itu :
E. Kalkulasi energi yang dihasilkan (dalam bentuk ATP)
Setiap molekul FADH2 yang terbentuk selama oksidasi asam lemak memberikan sepasang electron ke ubikuinon pada rantai respirasi; dan, ada dua molekul ATP yang dihasilkan dari ADP dan fosfat selama terjadinya transport pasangan electron ke oksigen dan fosforilasi oksidatif yang berkaitan dengan itu. Serupa dengan hal tersebut, setiap molekul NADH yang terbentuk memindahkan sepasang elektron ke NADH dehidrogenase mitokondria. Transport selanjutnya dari setiap pasang electron menuju oksigen mengakibatkan pembentukan tiga molekul ATP dari ADP dan fosat. Jadi, lima molekul ATP dibentuk per molekul aasetil-KoA yang dipindahkan pada setiap lintas yang melalui rangkaian ini, yang terjadi pada jaringan hewan, seperti hati atau jantung.
Apabila 2 pasang hidrogen yang terbentuk itu dioksidasi melalui rantai transport elektron – oksigen maka akan dihasilkan energi yang selanjutnya dapat disimpan dalam ATP. Reaksi jumlahnya apabila fosforilasi oksidatif itu diikutsertakan adalah :
Apabila asam lemak tersebut sempurna dipecah menjadi fraksi C – 2 maka senyawa tersebut harus menjalani tujuh siklus, dan reaksi jumlahnya adalah :
Jadi pada pemecahan palmitoil – K0A melalui lingkaran, jalur β – oksidasi maka energi yang dihasilkan disimpan ke dalam 35 ATP. Kedelapan asetil K0A yang terbentuk di atas dapat masuk ke dalam jalur lingkaran asam trikarboksilat dan dioksidasi menjadi CO2 dan H2O dengan reaksi :
Dengan demikian maka dapatlah reaksi jumlah oksidasi palmitoil – K 0A melalui β oksidasi dan lingkaran asam trikarboksilat beserta fosforilasi oksidatifnya :
Jika pada reaksi aktivasi asam palmitat menjadi palmitiol – K0A dibutuhkan eqivalen 2 ATP maka hasil bersih ATP menjadi 129. Oleh karena itu dapatlah dihitung energi yang dapat disimpan dalam bentuk ATP apabila asam palmitat dioksidasi sempurna menjadi karbondioksida dan air yaitu 129 7.300 kal = 942 kkal. Dengan dasar bahwa asam palmitat bila dioksidasi di luar sel menghasilkan 2.340 kkal per mol maka efisiensi penyimpanan energi sel hidup dalam mengoksidasi 1 mol asam palmitat ialah :
| | Tahap yang berkaitan dengan NAD | Tahap yang berkaitan dengan FAD | ATP |
| Asil-KoA dehidrogenase | | 7 | 14 |
| 3-Hidroksiasil-KoA dehidrogenase | 7 | | 21 |
| Isositrat dehidrogenase | 8 | | 24 |
| Α-ketoglutarar dehidrogenase | 8 | | 24 |
| Suksinil-KoA* sintetase | | | 8 |
| Suksinat dehidrogenase | | 8 | 16 |
| Malat dehidrogenase | 8 | | 24 |
| Total ATP yang terbentuk | | | 131 |
* Anggaplah bahwa GTP yang terbentuk bereaksi dengan ADP menghasilkan ATP
F. Oksidasi Asam Lemak Tidak Jenuh Memerlukan 2 Tahap Enzimatik Tambahan
Asam lemak yang tidak jenuh banyak dijumpai dalam alam. Tiga diantaranya termasuk dalam golongan asam lemak esensial yaitu asam linoleat, asam linolenat dan asam arakhidonat. Pemecahan asam lemak-asam lemak tersebut pada dasarnya tidak berbeda dari degradasi asam lemak jenuh yang telah diterangkan sebelumnya. Tetapi karena adanya ikatan ganda, yang pada umumnya adalah sis, maka perlu ada cara khusus untuk menanganinya.
Dari tahapan reaksi oksidasi asam lemak jenuh dapat diketahui bahwa senyawa hasil antara pemecahan asam lemak ada satu yang berikatan ganda. Bentuk ikatan tersebut adalah trans. Oleh karena itu perlu adanya enzim khusus yang dapat mengubah bentuk ikatan dari sis menjadi trans.
Melalui kerja 2 enzim pembantu, siklus oksidasi asam lemak yang dijelaskan di atas dapat juga mengoksidasi asam lemak tidak jenuh yang biasa dimanfaatkan oleh sel sebagai bahan bakar. Kerja 2 enzim ini, yang satu suatu isomerase, dan yang lain sebagai epimerase dapat digambarkan oleh 2 contoh berikut.
Pertama, pada proses oksidasi asam oleat, suatu asam lemak tidak jenuh terdiri dari 18 karbon yang banyak dijumpai. Ikatan gandanya terjadi pada ikatan atom C nomor 9 dan 10 dan berbentuk sis. Oleil-KoA ini termasuk ke dalam jalur β-oksidasi dan secara bertahap dipisahkan asetil-KoAnya. Asam oleat pertama-tama diubah menjadi oleil KoA yang diangkut melalui membran mitokondria sebagai oleil-karnitin dan diubah menjadi oleil-KoA di dalam matriks. Molekul oleil KoA memasuki 3 putaran melalui siklus oksidasi asam lemak, menghasilkan 3 molekul asetil KoA dan ester KoA asam lemak tidak jenuh 12-karbon, dengan ikatan ganda sisnya di antara karbon nomor 3 dan 4.
| | |
Produk ini tidak dapat dikatalis oleh enzim selanjutnya pada siklus asam lemak normal, yaitu hidratase enoil-KoA, yang bekerja hanya terhadap ikatan ganda trans. Namun demikian, dengan kerja satu di antara dua enzim pembantu, yaitu isomerase enoil-KoA, sis Δ3-enoil-KoA diisomerasi menjadi trans-Δ2-enoil-KoA yang merupakan substrat normal bagi enoil KoA hidratase, yang lalu mengubahnya menjadi L-3-hidroksiasil-KoA yang bersangkutan. Produk ini sekarang dikatalis oleh enzim-enzim lainnya pada siklus asam lemak, menghasilkan asetil KoA dan asam lemak jenuh 10 karbon sebagai ester KoA nya. Senyawa yang terakhir ini mengalami 4 putaran lagi mengalami siklus normal asam lemak, menghasikan 9 asetil KoA lainnya, dari satu molekul asam oleat 18 karbon.
Enzim pembantu lainnya, epimerase diperlukan untuk oksidasi banyak asam lemak tidak jenuh. Sebagai contoh, asam linoleat dengan 18 karbon yang memiliki 2 ikatan ganda sis, satu di antara karbon 9 dan 10 dan yang lain di antara karbon nomor 12 dan 13. Linoleil-KoA mengalami 3 putaran melalui urutan oksidasi asam lemak baku yang telah kita kenal, menghasilkan 3 molekul asetil-KoA dan ester KoA asam lemak tidak jenuh 12 karbon dengan ikatan ganda sis di antara karbon 3 dan 4 seperti dalam oleil KoA, dan ikatan ganda sis lainnya di antara karbon nomor 6 dan 7. Ikatan ganda sis pada Δ3 lalu diisomerisasi oleh enoil-KoA isomerase menjadi trans Δ2-enoil-KoA, yang mengalami reaksi selanjutnya dari urutan normal oksidatif, menghasilkan molekul asetil KoA. 1 putaran selanjutnya menghasilkan asil lemak KoA tidak jenuh dengan 8 karbon, selain molekul asetil-KoA. Asil lemak tersebut mengandung ikatan ganda sis Δ2. Molekul dapat dikatalisa oleh hidratase enoil-KoA, tapi produknya dalam hal ini adalah D stereoisomer dari 3-hidroksiasil-KoA,dan bukannya streoisomer L, yang biasanya terbentuk pada oksidasi asam lemak jenuh. Pada saat ini, enzim pembantu yang kedua, yaitu epimerase 3-hidroksiasil KoA menjalankan peranannya. Enzim ini melangsungkan epimerase D menjadi L-3-hidroksiasil-KoA yang sekarang dapat melangsungkan reaksi normal menjadi asetil KoA dan 6 karbon molekul asil KoA yang jenuh. Molekul ini lalu dioksidasi sepeti proses yang telah kita kenal, menghasilkan tambahan 3 asetil KoA. Hasil keseluruhannya adalah bahwa asam linoleat di ubah menjadi 9 asetil KoA dengan bantuan 2 enzim pembantu.
G. Oksidasi asam lemak beratom karbon ganjil
Asam lemak dengan atom karbon ganjil jarang ditemui di alam. Cara oksidasi asam lemak beratom karbon ganjil adalah sama dengan oksidasi asam lemak beratom karbon genap, kecuali pada daur akhir degradasi akan terbentuk propionil KoA dan asetil KoA, bukan dua molekul asetil KoA. Unit tiga karbon aktif pada jalur propionil KoA memasuki daur asam sitrat setelah diubah menjadi suksinil KoA.
Gambar perubahan propionil KoA menjadi suksinil KoA
Propionil KoA mengalami karboksilasi menggunakan ATP dan menghasilkan metal-malonil KoA isomer D. Malonil KoA mengalami rasemasi menjadi isomer L, suatu substrat untuk enzim mutase yang mengubahnya menjadi suksinil KoA.
Suksinil KoA dibentuk dari L metalmalonil KoA melalui penataan kembali intramolekul. Gugus –CO-S-KoA bergeser dari C-2 ke C-3 menggantikan atom H. Isomerasi yang sangat tidak biasa ini dikatalisis oleh enzim metilmalonil KoA mutase, satu dari dua enzim mamalia yang diketahui mengandung derivate vitamin B12 sebagai koenzimnya. Jalur dari propionil KoA ke suksinil KoA juga berperan sebagai tempat masuk untuk beberapa karbon dari metionin, isoleusin, dan valin.
DAFTAR PUSTAKA
Stryer L, 1996, Biokimia, Edisi IV, Penerjemah: Sadikin dkk (Tim Penerjemah Bagian Biokimia FKUI), Jakarta: EGC
Wirahadikusumah, Muhammad. 1985. Biokimia Metabolisme Energi, Karbohidrat, dan Lipid. Bandung: ITB
Lehningher, Albert L. 1982. Dasar-dasar Biokimia Jilid 1. Jakarta : Erlangga
Murray, Robert K., Daryl K. Graner, Victor W. Rodwell. Biokimia Harper Edisi 27. 2006. Jakarta : EGC
0 Response to "KATABOLISME LEMAK"
Post a Comment