METABOLISME ASAM AMINO

TUGAS MAKALAH BIOKIMIA

           METABOLISME ASAM AMINO

DISUSUN OLEH:

Novalila Azni                     09312241004

Anita Rohmah SF 09312241016

Raisya Nuraini                   09312241017

Titin Untari                        09312241018

Mim Avira Inazatun          09312241024

Wahyu Rohmawati            09312241031

Rani Setyaningrum           09312241037

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA

2012

METABOLISME ASAM AMINO

A.    Degradasi Asam Amino

Asam amino yang berlebihan dari yang diperlukan untuk sintesis protein dan biomolekul lain tidak dapat disimpan dalam tubuh maupun diekskresi ke luar tubuh, tidak seperti asam lemak dan glukosa. Kelebihan asam amino condong digunakan untuk bahan bakar. Gugus α-amino dibebaskan dan rangka karbon yang dihasilkan diubah menjadi zat antara metabolisme. Sebagian besar gugus amino dari, kelebihan asam amino diubah menjadi urea, sedangkan rangka atom karbonnya  di ubah menjadi asetil Ko-A, asetoasetil-Ko A, piruvat atau salah satu zat antara pada daur asam sitrat. Jadi, asam lemak, zat keton, dan glukosa dapat dibentuk dari asam amino. Asam amino tidak bisa disimpan karena didegradasi untuk daur asam trikarboksilat dan menghasilkan energi.

Pada hewan tingkat tinggi, protein yang terdapat sebagai bagian dari bahan makanannya, dihidrolisis terlebih dahulu sebelum dimanfaatkan lebih lanjut. Peristiwa itu berlangsung dalam saluran pencernaan seperti lambung dan dalam usus kecil. Peruraian protein yang dinamakan proteolisis itu dikatalisis oleh enzim-enzim tertentu.                       

   Dalam hewan tingkat tinggi asam amino hasil degradasi protein masuk ke dalam pusat kegiatan metabolic sebagaimana digambarkan berikut ini :

            Protein diet                 Protein jaringan

            Asam amino                                                           Metabolisme rantai C

                            Absorbsi                                 deaminasi dll   dan ekskresi N

                

                                                  

                                                        

                                                    Sintesis N

            

 Dari diagram diatas dapat diketahui bahwa asam amino yang masuk ke dalam pusat kegiatan metabolik kemudian dapat mengalami berbagai perubahan. Hasil akhir dari perubahan pada hewan tingkat tinggi adalah urea, kreatin, asam urat, dan lain-lain.

 Proses oksidasi adalah salah satu dari perubahan yang terjadi pada asam amino terutama setaelah gugus aminonya dihilangkan terlebih dahulu. Jalan yang ditempuh tergantung dari jenis asam amino. Reaksi yang menghilangkan gugus amino sebagian besar berlangsung melalui dua jalur yaitu transaminasi dan deaminasi.

Transaminasi

Transaminasi ialah proses katabolisme asam amino yang melibatkan pemindahan gugus amino dari satu asam amino kepada asam amino lain.

+

Reaksi transaminasi dengan enzim aminotransferase

Gugus α-amino dari ke-20 asam L-amino yang biasa dijumpai pada protein, pada akhirnya dipindahkan pada tahap tertentu dalam degradasi oksidatif molekul tersebut. Pembebahasan gugus α-amino dari kebanyakan asam L-amino dikatalisa oleh enzim transaminase dan aminotransferase. Pada transaminase, gugus α-amino dipindahkan secara enzimatik ke atom karbon α pada α-ketoglutarat, sehingga dihasilkan asam α-keto, sebagai analog dengan asam amino yang bersangkutan.

Enzim aminotransferase mengkatalisis pemindahan suatu gugus α-amino dari suatu asam amino- α kepada keto. Enzim-enzim ini juga disebut transaminase, umumnya menyalurkan gugus α-amino dari berbagai asam amino kepada α-ketoglutarat untuk diubah menjadi

aspartat          +      a-ketoglutarat                                        oksalasetat + glutamat

Transaminasi hanyalah salah satu dari berbagai ragam transformasi asam amino yang dikatalisis oleh enzim-enzim piridoksal pospat. Reaksi lain pada karbon α asam amino adalah dekarboksilasi, deaminasi, rasemisasi, dan pembelahan aldol.

Tujuan keseluruhan reaksi transaminase adalah mengumpulkan gugus amino dari berbagai asam amino dalam bentuk hanya satu asam amino, yakni L-glutamat. Jadi, katabolisme gugus amino menyatu menjadi produk tunggal. Kebanyakan tarnsaminase bersifat spesifik bagi α-ketoglutarat sebagai molekul penerima gugus amino di dalam reaksi ini. Tetapi, enzim tersebut tidak terlalu spesifik bagi substrat COOnya yang lain, yaitu asam L-amino yang memberikan gugus aminonya. Beberapa transaminase yang paling penting, yang dinamakan sesuai dengan molekul pemberinya aminonya, sebagai berikut:

            L-Aspartat + α-ketoglutarat                      oksalasetat + L- glutamat

            L-Alanin + α-ketoglutarat                         piruvat + L-glutamat

            L-Leusin + α-ketoglutarat                         α-ketoisokaproat + L- glutamat

            L-Tirosin + α-ketoglutarat                         p-hidroksifenilpiruvat + L-glutamat

α-ketoglutarat merupakan senyawa umum penerima gugus amino dari kebanyakan asam amino yang lain. L- glutamate berperan untuk menyampaikan gugus amino kepada lintas biosintetik tertentu atau menuju ke urutan akhir reaksi ini. Berdasarkan reaksi diatas dapat disimpulkan bahwa gugus amino yang ada pada asam-asam tersebut dikumpulkan ke dalam satu asam amino yaitu asam glutamate. Semua transaminase memiliki gugus prostetik yang terikat kuat dan mekanisme reaksinya bersifat umum. Gugus prostetik piridoksal-fosfat, merupakan turunan piridoksin atau vitamin . Piridoksal fosfat berfungsi sebagai senyawa antara pembawa gugus amino pada sisi aktif transaminase.

Gugus karbonil dari piridoksal fosfat yang terikat oleh enzim bergabung dengan gugus α-amino dari asam amino yang datang, membentuk senyawa antara yang berikatan, kovalen, yaitu sejenis senyawa yang disebut basa Schiff.  Suatu perpindahan ikatan ganda C=N terjadi setelah itu, dan kerangka karbon asam amino terhidrolisis, meninggalkan gugus amino yang terikat kovalen pada gugus prostetik dalam bentuk piridoksamin fosfat. Molekul ini sekarang membentuk basa Schiff dengan α-ketoglutarat yang datang, yang segera menerima perpindahan gugus asam amino, pada hakekatnya melalui kebalikan reaksi yang membentuknya.

Contoh reaksi transaminasi alanin menghasilkan piruvat dan glutamat yang dikatalisis oleh alanin aminotransferase dan membutuhkan NAD⁺ atau NADP⁺ :

Piruvat yang terbentuk merupakan senyawa antara dalam Siklus Asam sitrat, sedangan glutamate akan mengalami deaminasi oksidatif menghasilkan NH₄⁺ dan α-ketoglutarat, α-ketoglutarat juga merupakan senyawa antara dalam Siklus Asam Sitrat. NH₄⁺  pada sebagian besar vertebrata darat diubah menjadi urea untuk dikeluarkan dari dalam tubuh melalui Siklus Urea.

Deaminasi

Deaminasi adalah mengeluarkan gugus amino () dari suatu senyawa. Gugus α-amino dari banyak asam amino dipindahkan kepada α-keto glutarat untuk membuat asam glutamat yang kemudian mengalami deaminasi oksidatif membentuk ion . 

           

Ion ammonium dibentuk dari glutamat dengan deaminasi oksidatif. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim glutamat dehidroginase, yang tidak biasa karena dapat menggunakan baik  maupun .

Aktivitas enzim glutamat dehidroginase diatur secara alosetrik. Enzim pada vertebrata ini terdiri atas enam sub unit yang identik. Guanosin trifosfat (GTP) dan adenosine trifosfat (ATP) adalah inhibitor alosetrik, sedangkan guanosin difosfat (GDP) dan adenosin difosfat (ADP)        adalah activator alosetrik. Jadi, penurunan muatan energi akan mempercepat oksidasi asam amino.

Reaksi total yang dikatalisis oleh enzim aminotransferase dan glutamate dehidroginase adalah :

Asam α-amino +  + O          asam α-keto+  + NADH +

                           (atau )                                             (atau NADPH)

Pada sebagian besar vertebrata darat,  diubah menjadi urea yang kemudian diekskresi. Cara pemecahanan asam amino adalah dengan membentuk zat antara metabolic utama yang dapat diubah menjadi glukosa atau dapat dioksidasi pada daur asam nitrat. Pada kenyataannya rangka karbon 20 asam amino pokok yang membentuk protein disalurkan menjadi hanya 7 molekul yaitu, piruvat, asetil-KoA, asetoasetil- KoA, a-ketoglutarat, suksinil KoA, fumarat dan okseloasetat.

Asam amino yang dapat dipecah menjadi asetil KoA atau asetoasetil KoA disebut ketogenik karena asam tersebut pada pemecahannya menghasilkan zat keton. Sebaliknya asam amino yang diubah menjadi piruvat, a-ketoglutarat, suksinil-KoA, fumarat, atau okseloasetat disebut glukogenik. Sintesa glukosa dari asam amino mungkin dilakukan karena zat antara daur asam sitrat dan piruvat dapat diubah manjadi fosfeonolpiruvat dan kemudian menjadi glukosa.

Dari 20 asam amino pokok yang terdapat dalam protein, leusin dan lisin yang seluruhnya ketogenik. Isoleusin, fenilalanin, triptofan, dan tirosin adalah ketogenik dan glukogenik. Sebagian rangka karbon membentuk asetil-KoA atau asetoasetil-KoA, sedangkan sebagian lainnya membentuk senyawa-senyawa yang potensial untuk sintesis glukosa. Ke 14 asam amino yang lain digolongkan sebagai asam amino glukogenik. Klasifikasi ini tidak diterima secara universal karena menggunakan patokan kuantitatif yang berbeda.

Siklus Krebs

1.     JALUR a-KETOGLUTARAT

Jalur ini memuat pengubahan arginin, prolin, histidin dan glutamin menjadi asam glutamat yang selanjutnya senyawa akhir dideaminasi menghasilkan a-ketoglutarat. Asam-asam amino tersebut termasuk dalam golongan senyawa glikogenat.

Arginin oleh enzim arginase dipecah menjadi ornitin dan urea. Dengan jalan transmiasi ornitin yang terbentuk diubah menjadi glutamat semialdehida yang selanjutnya mengalami dehidrogenasi menjadi asam glutamat. Enzim pertama adalah ornitin transaminase  dan yang berikutnya ialah dehidrogenase yang dibantu oleh NAD⁺.

Prolin oleh prolin oksidase diubah menjadi prolinkarboksilat yang karena tidak mantap  langsung berubah menjadi glutamat semialdehida dan kemudian menjadi asam glutamat melalui reaksi dehidrogenasi.

Enzim histidase (histidin-amoniak liase), urokanat hidratase dan imidazolon propionase bersama-sama membuka cincin imidazol pada histidin menjadi N-formimino glutamat. Senyawa ini kemudian melepaskan gugus formimino dalam suatu reaksi tramsfer yang dikatalisa oleh glutamat-formimino transferase dan berubah menjadi asam glutamat.

Glutamin dapat membebaskan gugus NH₃, pada reaksi hidrolisis yang dikatalisa oleh glutaminase, menjadi asam glutamat. Senyawa tersebut juga bisa diubah menjadi asam glutamat karena kegiatan enzim glutamat sintase.

Reaksi pengubahan asam amino yang disebutkan di atas menjadi asam a-ketoglutarat sebagai berikut.

Arginin                                          Glutamin

                        Glutamat-g-                                        Glutamat         a-ketoglutarat

                        semialdehida             

Prolin                                             Histidin

Gambar Pengubahan arginin dan ornitin

Gambar Pengubahan Histidin

2.     JALUR PIRUVAT

Kelompok  asam amino yang dapat diubah menjadi asam piruvat adalah alanin, glisin dan serin, sistin dan sistein. Bagan perubahannya adalah sebagai berikut.

 

Glisin dapat diubah menjadi serin melalui reaksi transfer. Enzim yang mengkatalisareaksi tersebut adalah serin hidroksimetil transferase yang dibantu oleh tetrahidrofolat(FH₄).

Gambar. Pengubahan glisin dan serin

   Serin yang terbentuk pada reaksi transfer diatas diubah menjadi asam piruvat oleh serin dehidratase yang dibantu oleh gugus prosintetis piridoksal-P.

Jalur pemecahan sistin menjadi asam piruvat merupakan sebuah lingkaran. Dari gambar dibawah ini dapat diketahui bahwa sistin dapat diubah menjadi asam piruvat melalui tiga sub jalur. Yang pertama sub-jalur sistin-sistein-merkaptopiruvat; yang kedua ialah sistin-sitein – sistein sulfinat dan yang ketiga iadalah sistin – sistein  langsung asam piruvat.

Gambar. degradasi sistin menjadi asam piruvat

Enzim yang mengkatalase senyawa yang terdapat pada sub jalur pertama masing- masing adalah sistin reduktase yang merubah sistin menjadi sistein. Pengubahan sistein menjadi merkapto-piruvat merupakan reaksi transfer yang dikatalisa oleh sistein transfaminase. Enzim 3-merkaptopiruvat sulfurtransferase memindahkan gugus S ke HCN sehingga sisa yang dinamakan asam piruvat.

Pada sub jalur yang kedua dijumpai enzim-enzim  sistein deoksigenase dan aspartat transaminase.

Alanin dapat diubah menjadi asam piruvat melalui reaksi transaminasi yaitu :

Alanin + a-ketoglutarat                 Piruvat + glutamate

Enzim alanin transaminase ini membutuhkan bantuan piridoksial-fosfat yang terikat erat pada bagian apoenzimnya.

Asam piruvat yang dihasilkan oleh jalur piruvat ini diubah ke asetil-koa oleh kompleks piruvat dehidrogenase. Asetil-koa ini dapat menghasilkan enersi melalui lingkaran asam trikarboksilat.

  

3.     JALUR ASETO-ASETIL-KoA

Fenilalanin, triptofan, tirosin, lisin dan leusin dapat diubah menjadi asetil KoA melalui asetoasetil KoA. Diagram konversi asam amino di atas dapat diikuti di bawah ini :

Fenilalanin berbeda dengan triptofan hanya pada kandungan gugs OH. Penempelan gugus pada fenilalanin membentuk triptofan yang dikatalisis oleh fenilalanin 4-mono-oksigenase (fenilalanin hidroksilase sebuah enzim oksigenase fungsi campuran) yang dibantu oleh koenzim NADPH dan oksigen. Pembukaan cincin benzena yang ada pada fenilalanin atau trip tofan dilakukan bersama-sama oleh enzim transainase dan dioksigenase yang dapat dilihat pada urutan reksi ini.

            Pada jalur pemecahan fenilalanin atau triptofan dijumpai enzim yang bernama oksigenase yaitu fenilalanin 4-monooksigenase, 4-OH fenilpiruvat dioksigenase dan homogentisat 1,2-dioksigenase.  Enzim 4-monooksigenase adalah salah satu contoh dari yang mempunyai fungsi campuran yaitu menempelkan 1 atom oksigen yang berasal dari O2 pada cincin benzena (fenilalanin) dan mengkaitkan atom oksigen lainnya pada hidrogen sehingga terbentuklah air. Hidrogen yang mereduksi secara tidak langsung berasal dari NADPH melalui dihidrobioproterin.

NADPH + H⁺ + dihidrobioproterin à NADP⁺ + tetrahidrobioproterin

L-Fenilalanin + tetrahidrobioproterin à dihidroproterin + L-tirosin

Gambar pengubahan Fenilalanin Menjadi Asetil KoA

            Apabila fenilalanin 4-monooksigenase tidak terdapat pada jasad hidup (manusia) maka pengubahan fenilalanin berlangsung melalui reaksi trans aminasi dengan α-ketoglutarat dan menghasilkan fenil piruvat. Senyawa terakhir ini mengumpul dalam darah dan kemudian disekresikan ke dalam urine. Jika yang menderita itu anak-anak maka kelebihan fenilpiruvat akan mengganggu perkembangan otak yang berakibat kemunduran mental. Penyakit yang bersifat genetis ini dikenal sebagai fenil-kenturia(PKU).

            Leusin, asam amino yang terdapat dalam kelompok pada jalur aetil KoA diubah menjadi aseto-asetat melalui tahapan reaksi transaminasi, dehidrogenasi, karboksilasi, hidratasi dan pembentukan ikatan ganda.

            Pengubahan lisin menjadi asetil-KoA menempuh jalur yang cukup panjang. Senyawa itu dapat pula diubah melalui sakaropin setelah berkondensasi lebih dulu dengan asam  α-ketoglutarat dan kemudian senyawa yang terbentuk dihidrogenasi menjadi L α-aminodipat semialdehida.

Pengubahan Lisin menjadi Sakaropin

Enzim yang mengkatalisis reaksi di atas dan selanjutnya menjadi L- α-aminoadipat semialdehida adalah sebuah dehidrogenase. Sakharopin selanjutnya diubah menjadi L- α-aminoadipat semialdehida dan L-glutamat dengan enzim yang sama dibantu oleh NAD⁺.

Degradasi L- α-aminoadipat dapat dilihat di gambar di bawah ini:

Gambar pengubahan Lisin menjadi Asetil KoA

Reaksi pertama pengubahan triptofan adalah oksidasi yang dikatalisis oleh triptofan pirolase atau disebut triptofan 2,3 dioksigenase yang dibantu oleh oksigen molekular. Enzim ini mengandung Cu dan hem. Oksidasi ini mengakibatkan terbukanya cincin pirol. N-formilkinurenin yang dihasilkan dalam oksidasi di atas dipisahkan gugus formilnya oleh enzim formilase atau formamidase. Tahapan reaksi berikutnya oksidasi dengan bantuan NADPH dan O2 dan kemudian hidrolisis. Reaksi ini menghasilkan 3-OH antranilat dan alanin. Senyawa yang terakhir kemudian dapat diubah menjadi asetil-KoA. Senyawa hasil antara degradasi triptofan banyak yang dapat digunakan sebagai senyawa dasar biosintesis hormon. Salah satu adalah hormon tanaman yang disebutkan asam indolasetat.

4.     JALUR SUKSINAT

Asam amino metionin, isoleusin dan valin menempuh jalur yang sama pada proses degradasinya menjadi asam suksinat.

           

Metionin yang masuk ke dalam jalur, pertama kali dipisahkan gugus metilnya. Caranya ialah dengan mengubah metionin menjadi S-Adenosil metionin dengan bantuan ATP dan enzim metionin adenosil transferase. Senyawa yang terbentuk ini kemudian bertindak sebagai donor metil pada reaksi transmetilasi.

   CH₃      S         CH₂CH₂CH(NH₂)          COOH             S          Adenosilmetion

                       

      metion                         ATP                    P     P

   S       Adenosilmetionin            S        Adenosilmetionin

                       

Akseptor         akseptor-CH₃

           

Enzim yang mengkatalis reaksi terakhir ini adalah homosistein metiltransferase. Reaksi selanjutnya dapat dilihat di bawah ini

                                    Gambar. Degradasi metionin

Dengan reaksi transminasi valin diubah menjadi senyawa asam α-ketoisovalerat.  Senyawa ini kemudian didekarboksilasi dengan bantuan enzim kompleks dehidrogenase dan NAD⁺ yang selanjutnya berubah menjadi bentuk aktif karena KoASH. Enzim α-ketoisovalerat dehidrogenase mempunyai fungsi dekarboksilasi dan oksidasi yang menghasilkan isobutiril-KoA (konversi ini diperkirakan sama dengan reaksi oksidasi asam piruvat atau α-ketoglutarat), yang akhirnya diubah menjadi propinil-KoA. Setelah reaksi karboksilasi senyawa ini menjadi metilmalonil-KoA dan selanjutnya menjadi suksinil-KoA.

Gambar. pengubahan valin

            Konversi isoleusin menjadi suksinil-KoA berlangsung dengan cara yang hampir sama dengan perubahan valin. Bilamana dilihat dari bangun dan rumus molekulnya perbedaan kedua senyawa itu terletak pada kandungan gugus metil. Isoleusin mengandung gugus metil lebih sebuah daripada valin. Sampai pada tahap yang keempat reaksinya sama. Dub-jalur valin menghasilkan β-hidroksi isobutiril-KoA sedangkan pada sub-jalur isoleusin terbentuk α-metil β-hidroksi isobutiril-KoA. Senyawa yang terakhir ini kemudian didehidrogenasi, dan selanjutnya menghasilkan propionil-KoA setelah terjadi transfer gugus asil.

Enzim yang mengkatalis 2 reaksi diatas bertururt-tururt adalah dehidrogenase dan asil-transferase.

B.    Pembentukan ATP

Glikolisis

Glikolisis adalah urutan reaksi-reaksi yang mengkonfesi glukosa menjadi piruvat bersamaan dengan produksi sejumlah ATP yang relative kecil. Pada organism aerob glikolisis adalah pendahuluan daur asam sitrat dan rantai transport electron yang bersama-sama membebaskan sebagian besar energy yang tersimpan dalam glukosa.

Gambar Glikolisis

Daur asam sitrat (Siklus Krebs)

Suatu senyawa yang terdiri dari empat atom karbon (oksaloasetat) berkondensasi dengan suatu senyawa atom dua atom karbon (unit asetil) membentuk asam trikarboksilat yang terdiri dari enam atom karbon (sitrat). Isomer sitrat kemudian mengalami dekarboksilasioksidatif menjadi senyawa dengan lima atom karbon (α-ketoglutarat). Senyawa ini kemudian mengalami dekarboksilasi oksidatif lagi menjadi senyawa empat atom karbon (suksinat). Suksinat selanjutnya akan diubah membentuk oksaloasetat kembali. Dua atom karbon masuk ke dalam daur sebagai unit asetil dan dua atom karbon keluar dari daur dalam bentuk dua molekul CO₂. Gugus asetil lebih tereduksi dibandingkan CO₂, sehingga dipastikan terjadi reaksi oksidasi-reduksi dalam daur asam sitrat. Kenyataannya, ada empat reaksi oksidasi-reduksi. Tiga ion hidrida (6 elektron) dipindahkan pada tiga molekul NAD⁺, sedangkan sepasang atom hidrogen (2 elektron) dipindahkan kepada molekul flavin adenine dinukleotida (FAD). Pembawa electron ini akan menghasilkan sempilan molekul adenosine trifosfat (ATP) bila dioksidasi oleh o₂ dalam rangka pernafasan. Disamping itu, terbentuk satu senyawa fosfat energy tinggi setiap satu putaran daur asam sitrat.

            Dua atom karbon masuk kedalam daur dalam bentuk kondensasi unit asetil (dari asetil KoA) dengan oksaloasetat. Dua atom karbon meninggalkan daur dalam bentuk CO₂pada dekarboksilasi berturut-turut yang dikatalis oleh isositrat dehidrogenase dan α-ketoglutarat dehidrogenase. Dua atom karbon yang meninggalkan daur berbeda dengan dua atom karbon yang masuk daur.

            Empat pasang atom hidrogen meningalkan daur pada empat reaksi oksidasi. Dua molekul NAD⁺ direduksi pada dekarboksilasi oksidatif isositrat menjadi α-ketoglutarat, satu molekul FAD direduksi pada oksidasi suksinat dan satu molekul NAD⁺ direduksi pada oksidasi malat. Terbentuk senyawa fosfat energy tinggi (dalam bentuk GTP) dari ikatan tioester energy tinggi pada suksinil KoA. Digunakan dua molekul air pada sintesis sitrat melalui hidrolisis sitril KoA, yang lain pada hidrasi fumarat.

            NADH dan FADH₂ yang terbentuk di dalam daur asam sitrat akan dioksidasi melalui rantai pernafasan yang akan dibahas dalam bab berikutnya. Transfer electron dari pengemban-pengemban ini kepada O₂ akseptor electron terakhir menyebabkan terpompannya proton melalui membrane dalam mitokondria. Daya penggerak proton ini kemudian akan membangkitklan tenaga untuk pembentukan ATP: stoikiometrinya kira-kira 2,5 ATP per NADH dan 1,5 ATP per FADH₂.

Transfer Elektron

Aliran electron dari  NADH ke O₂ melalui prosis eksergonik.

NADH +  O₂ + H⁺           H₂O + NAD⁺

Energy bebas yang dihasilkan digunakan untuk mensintesis ATP melalui proses endergonik

ADP + Pi + H⁺            ATP + H₂O

Pada fosforilasi oksidatif sintesis ATP terangkai dengan aliran electron dari NADH atau FADH₂ ke O₂ melalui gradient proton melintasi membrane dalam mitokondria. Aliran electron melalui 3 kompleks transmembran dengan orientasi membrane berbeda. Mengakibatkan terpompanya proton keluar matriks mitokondria dan terbentuknya potensial membrane. ATP disintesis bila proton mengalir kembali ke matriks melalui saluran di dalam kompleks pembentukan ATP yang disebut ATP sintase. Electron dari NADH ditransfer ke gugus prostetik FMN dari NADH-Q reduktase yang pertama dari tiga kompleks. Reduktase ini juga mengandung pusat-pusat Fe-S. Electron muncul dalam QH_2, bentuk reduksi dari ubikinon (Q). Pengemban hidrofobik yang sangat mobil ini mentransfer elektronnya ke sitokrom reduktase, suatu kompleks yang mengandung sitokrom b dan c₁ dan satu pusat Fe-S. Kompleks kedua ini mereduksi sitokrom c, protein membrane perifer yang larut air. Sitokrom c, seperti Q, merupakan pengemban electron yang mobil yang kemudian mentransfernya ke sitokrom oksidase. Kompleks ketiga ini mengandung sitokrom a dan a₃ dan 2 ion tembaga. Satu hem besi dan satu ion tembaga di dalam oksidase ini mentransfer electron ke O₂, akseptor terakhir untuk membentuk H₂O.

Aliran electron melalui tiap-tiap kompleks ini menyebabkan terpompanya proton dari sisi matriks ke sisi sitosol membrane dalam mitokondria. Terbentuk daya gerak proton yang terdiri dari gradient pH (sisi sitosol asam) dan potensial membrane (sisi sitosol positif). Aliran balik proton ke sisi matriks melalui ATP sintase menyebabkan sintesis ATP. Kompleks enzim ini terdiri dari unit F₀ hidrofobik yang membawa proton melalui membrane dan unit F₁ hidrofilik yang mengkatalis sintesis ATP berurutan pada 3 situs. Aliran proton melalui ATP sintase melpaskan ATP yang terikat erat.

Aliran 2 elektron melalui NADH-Q reduktase, sitokrom reduktase, dan sitokrom oksidase membangkitkan suatu gradient yang cukup untuk sintesis masing-masing 1, 0,5 dan 1  molekul ATP. Dengan demikian, terbentuk 2,5 ATP per NADH yang dioksidasi dalam matriks mitokondria. Pada tiap kali oksidasi FADH₂ hanya terbentuk 1,5 ATP karena electron masuk ke rantai pernafasan pada QH₂, setelah situs pompa proton pertama. Juga hanya terbentuk 1,5 ATP melalui oksidasi NADH sitosol karena elektronnya masuk rantai pernafasan pada situs kedua, karena kerja system angkut gliserofosfat. Masuknya ADP kedalam matriks mitokondia terangkai dengan keluarnya ATP oleh ATP-ADP translokase, protein pengangkut yang digerakkan oleh potensial membrane. Kurang lebih terbentuk 30 ATP bila satu molekul glukosa dioksidasi sempurna menjadi CO₂ dan H₂O.

Transport electron biasanya terangkai erat dengan fosforilsi. NADH dan FADH₂ hanya dioksidasi bila ADP pada saat yang sama mengalami fosforilasi menjadi ATP. Perangkaian ini disebut control respirasi, dan dapat dirusak oleh senyawa-senyawa “uncopler” seperti DNP, yang meniadakan gradient proton dengan membawa proton melintasi membrane dalam mitokondria.

C.    BIOSINTESIS ASAM AMINO ESENSIAL

1.     Biosintesis Asam Amino Esensial

Lintas bagi sintesis asam amino esensial pada nutrisi tikus albino dan manusia telah disimpulkan dari penelitian biokimiawi dan genetic mikroorganisme yang mampu membuat senyawa ini. Kita tidak akan mengamati lintas ini, tetapi kita dapat membuat beberapa kesumpulan umum mengenai lintas ini. Lintas yang mengarah kepada sintesis asam amino esensial biasanya lebih panjang (5 sampai 15 tahap) dan lebih kompleks dibandingkan dengan lintas yang menuju asam amino nonesensial, yang kebanyakan dibentuk melalui beberapa asam amino esensial, karena tidak memiliki satu atau dua enzim pada lintas sintesis tersebut. Lintas asam amino esensial yang paling kompleks adalah lintas menuju fenilalanin, triptofan, dan histidin, yang memiliki cincin benzene atau heterosiklik. Sintesis cincin ini, terutama kedua cincin pusat triptofan, memerlukan sejumlah tahap reaksi enzimatis yang kompleks. (Lehninger. :321).

Jasad hidup tingkat tinggi tidak dapat mensintesa asam amino esensial. Mekanisme reaksi pembentukannya disusun dari biosintesa asam tersebut dalam bakteri dan dalam tanaman. Yang tergolong dalam asam amino esensial adalah valin, leusin, isoleusin, fenilalanin, metionin, treonin, ornitin, arginin, histidin (Martoharsono. 1982:129) Lima asam amino esensial bagi hewan disintesis oleh tanaman dan mikroorganisme dari asam amino nonesensial: treonin, metionin, dan  lisin dibentuk dari aspartat, arginin dan histidin dibentuk dari glutamate. Isoleusin dibentuk oleh bakteri dari asam amino esensial treonin. (Lehninger. : 321).

a.      Sintesa valin, isoleusin dan leusin

Ketiga asam amino yang tergolong dalam nir-polar hidrofonik ini disintesa melalui jalur yang hampir serupa. Isoleusin dibentuk dari treonin. Selanjutnya senyawa tersebut mengalami dehidratasi dan berubah menjadi α-ketobutirat. Reaksi ini dikatalisa oleh treonin dehidratase. Tahap reaksi berikutnya sehingga menjadi isoleusin berlangsung seperti pada perubahan asam piruvat (asam α-keto juga) menjadi valin.

Reaksi pertama biosintesa valin dan treonin dikatalisa oleh asetolaktat sintesa. Kemudian terjadilah pemindahan gugus CH₃ atau C₂H₅ yang dilaksanakan oleh enzim asetolaktat mutase dan dilanjutkan dengan reduksi sehingga terbentuk asam dihidroksi isovalerat atau β-metilvaleratnya. Tahap berikutnya ialah dehidratasi oleh asam dihidroksi dehidratase yang menghasilkan asam α-keto dan setelah itu terjadilah reaksi transaminasi menjadi valin atau isoleusin.

Leusin disintesa dari α-keto-isovalerat yang berkondensasi dengan asetil-KoA menjadi asam α-isopropilmalat yang dikatalisa oleh α-isopropilmalat sintase.

 

Sintesis valin, leusin dan  isoleusin

Perubahan dari α menjadi β-isopropilmalat dikatalisa oleh α-isopropil-malat dehidratase dan kemudian β-isopropilmalat dehidrogenase mengubah senyawa yang terakhir ini menjadi α-ketoisokaproat dan yang selanjutnya enzim leusin trasaminase mengubah senyawa bentuk keto menjadi aminoleusin.

b.     Pembentukan fenilalanin dan triptofan

Dua asam ini termasuk dalam asam amino aromatik, mengandung cincin benzena, yang disintesa dari rantai karbon alifatik. Prekursornya adalah asam fosfoenol piruvat dan eritrosa 4-P

        

     

Sintesis Triptofan

Hasil kondensasi antara fosfoenol piruvat dan eritrosa 4-P dikatalisa oleh aldolase. Hasilnya yaitu asam 3-deoksi-α-arabinoheptulosonat 7-P yang kemudian membent­uk senyawa yang siklik sambil menghilangkan gugus fosfatnya. Senyawa siklik yang dinamakan 5-dehidroshikimat. Selanjutnya senyawa terakhir ini direduksi oleh shikimat dehidrogenase yang dibantu ileh NADPH menghasilkan asam shikimat. Setelah bergabung dengan fosfoenol piruvat maka asam shikimat berubah menjadi asam 5-enolpiruvil shikimat. Reaksi ini dikatalisa oleh sebuah sintetase. Asam khorismat yang terbentuk merupakan senyawa dasar bagi biosintesa triptofan, tirosin dan fenilalanin.

Sintesis Fenilalanin

c.      Biosintesa histidin

Jalur yang dilalui pada pembentukan asam amino esensial ini sangat kompleks. Berkat hasil penelitian B. Ames dan lain-lainnya telah dapat diungkapkan biosintesa histidin. Pada umumnya mereka menggunakan mutan Salmonella typhimurium dan E. coli untuk mengetahui tahapan reaksi dan senyawa antara yang terbentuk. Reaksi sintesa histidin diawali dengan pembentukan N¹-(5’-fosforibosil)-ATP dari 5-fosforibosil 1-pirofosfat (PRPP) dan ATP.

Sintesis Histidin

Dari Tahapan reaksi sebagaimana disajikan di atas dapat diketahui bahwa molekul histidin berasal dari ATP, amida dari glutamine dan gugus robosil dari gosforibosil-pirofosfat (PRPP).

d.     Biosintesa lisin

Ada dua jalur pembentukan lisin yang berlangsung dalam jasad hidup yaitu pertama terjadi pada bakteri dan tanaman tingkat tinggi dan kedua berlangsung dalam kebanyakan jamur. Jalur yang pertama melalui senyawa asam diaminopimelat dan yang kedua via asam α-aminoadipat. Jalur diaminopimelat dimulai dari asam aspartat yang diaktifkan oleh ATP.

Sintesis Lisin

Jalur α-aminoadipat yang berlangsung dalam jamur adalah sebagai berikut,

Biosintesis lisin pada jamur

e.     Biosintesa treonin dan metionin

Dua asam amino esensial ini mempunyai precursor yang sama yaitu homoserin, sebagai berikut:

                                                            

Sintesis Metionin dan Treonin

Homoserin yang merupakan senyawa dasar biosintesa berasal dari asam aspartat. Perubahan asam aspartat menjadi homoserin tidak berlangsung alama mamalia.

Gugus β-karboksil yang ada pada asam aspartat diaktifkan dengan ATP dan kemudian direduksi sehingga terbentuk aspartat semialdehida dan selanjutnya menjadi homoserin.

f.      Biosintesa ornitin dan arginin

Pada lingkaran urea dapat diketahui bahwa argini dapat dihasilkan dari ornitin dan sebaliknya argini dapat diubah menjadi ornitin.

Dalam bakteri dan tanaman ornitin dibentuk dari asam glutamate sebagai berikut:

Biosintesis Ornitin dan Arginin

Pada tahap terakhir ini, perubahan N-asetil-ornitin menjadi ornitin tergantung dari jenis jasad hidup. Pada E. coli maka N-asetilornitin dihidrolisis menjadi ornitin dan asan asetat bebas. Sedangkan pada jenis renik lain dan tanaman gugus asetil yang ada apada N-asetilornitin diserahkan pada asam glutamate sehingga terbentuk ornitin dan N-asetilglutamat.

Ornitin yang dihasilkan ini bisa diubah menjadi argini sebagai berikut:

            Ornitin + karbamoil-P à sitrulin + P_an

            Sitrulin + aspartat + ATP à arginosuksinat + AMP + P-P

            Arginosuksinat à arginin + fumarat

Reaksi pertama dikatalisa oleh ornitin-karbamoil transferase yang terdapat dalam mitochondrial matriks. Sitrulin yang dihasilkan ini bisa keluar mitokhondria dan menuju ke sitosol. Reaksi kedua dikatalisa oleh arginosuksinat sintetase, selanjutnya arginosuksinat yang terbentuk mengalami reaksi eliminasi yang disebabkan oleh kegiatan enzim arginosuksinat liase. Dalam sebagian besar bakteri arginin merupakan hasil akhir, oleh karena tidak adanya enzim arginase yang mengubahnya menjadi urea dan ornitin.

D.    BIOSINTESIS ASAM AMINO NON-ESENSIAL

Asam amino yang digolongkan ke dalam asam amino non-esensial adalah alanin, prolin, glisin, serin, sistein, tirosin, asparagin, glutamin, asam aspartat, asam glutamat.

a.      Sintesis alanin dan aspartat

Ketiga asam amino dikelompokan menjadi satu oleh karena biosintesisnya ampir tidak berbeda. Baik alanin maupun asam aspartat dibentuk melalui reaksi transminasi,

Glutamat + piruvat ↔ alanin + α-ketoglutarat

Glutamat + oksalasetat ↔ aspartat + α- ketoglutarat

Dalam beberapa tanaman alanin dan aspartat disintesis melalui aminasi reduktif dengan amoniak. Reaksi di atas dikatalisis oleh transaminase.

Asparagin dapat disintesis dari asam aspartat yang dikatalisis oleh asparagin sintetase,

NH₃ + aspartat + ATP ↔ asparagin + ADP + P

Pada beberapa jasad sintesis asparagin dapat berlangsung melalui reaksi transfer gugus amida yang ada pada glutamin yang dikatalisis oleh asparagin sintetase

ATP + glutamin + aspartat↔ asparagin + glutamat + AMP + P – P

b.     Biosintesis asam glutamat, glutamin dan prolin

Asam glutamat terutama disintesis dari –ketoglutarat melalui reaksi aminasi,

NH3 + α-ketoglutarat + NAD(P)H  +  H⁺↔ L – glutamat + NAD (P)⁺ + H₂O

Glutamat dehidrogenase yang mengkatalisis reaksi di atas adalah enzim regulatorik.

Glutamin disintesis dari asm glutamat yang dikatalisis oleh glutamin sintesis,

NH₃ + glutamat + ATP ↔  glutamin + ADP + P_an

Amoniak menempel pada gugus karboksil asam glutamat yang telah menjadi aktif karena gugus fosfat dari ATP,

ϒ-glutamilfosfat

Prolin, berasal dari asam glutamat yang diubah dulu menjadi aldehidanya dan emudian membentuk cincin,

Perubahan glutamat menjadi asam glutamat semialdehida dikatalisis oleh glutamat kinase dan dehidrogenase, yang dihambat secara umpan balik oleh prolin. ∆¹Pirolin 5-karboksilat, yang terbentuk dari siklisasi semialdehida, direduksi oleh NADPH menjadi prolin oleh prolin 5-reduktase

c.      Serin dan glisin

Dua senyawa ini termaksud dalam golongan asam amino polar. Serin disintesis dari asam 3-fosfogliserat. Setelah dioksidasi, transaminasi dan pemisahan fosfat berubah menjadi serin.

Enzim yang mengkatalisis reaksi oksidasi adalah fosfogliserat dehidrogenase yang dibantu oleh NAD⁺. Reaksi transaminasi melibatkan glutamat sebagai donor gugus amino sehingga terbentuk 3-Fosfoserin. Reaksi terakhir ialah pemisah gugus fosfat senyawa terakhir oleh fosfoserin fosfatase sehingga terbentuk serin. Glisin atau alanin dapat pula bertindak sebagai gonor gugus amino.

Glisin dihasilkan dari karbondioksida dan amoniak yang dikatalisis oleh glisin sintase. Reaksi ini merupakan jalur utama yang terjadi dalam hati vertebrata.

CO₂ + NH₃ + N₅N₁₀- metilenatetrahidrofolat + NADH + H⁺↔glisin + tetrahidrofolat + NAD⁺

Cara lain untuk menghasilkan glisin ialah,

L-Serin + tetrahidrofolat↔ glisin + N₅N₁₀-metilena-tetrahidrofolat

Reaksi di atas dikatalisis oleh serin hidroksimetil-transferase yang mengandung gugus prostetis piridoksal-fosfat.

Tirosin, dihasilkan dari asam amino esensial fenilalanin, melalui reaksi hidroksilasi yang dikatalisis oleh  fenilalanin 4- monooksigenase . oksigenase fungsi campuran ini membutuhkan NADPH sebagai koreduktan dan dihidrobiopterin,

Fenilalanin + NADPH + H⁺+ O₂↔tirosin + NADP⁺ + H₊O

Sistein, disintesis dari metion, sebuah asam amino esensial dan serin. Proses ini dinamakan trans-sulfurasi, oleh karena atom S itu dapat dipindahan maka metionin itu diubah dulu menjadi homosistein

Enzim yang mengatalisis reaksi transfer gugus adenosil-transferase. Senyawa yang terbentu dapat bertindak sebagai donor metil dengan bantuan enzim metil-transferase. Pindahnya gugus ini menyebabkan senyawa donor berubah menjadi S-adenosil-metionin yang setelah dihidrolisis menjadi homosistein dan adenosin bebas.

Reaksi hidrolisis S-adenosil-homosistein menjadi adenosin bebas dan homosistein dikatalisis oleh adenosil-homosisteinase. L-Sistation terjadi dari kondensasi homosistein dan serin. Dari reaksi tersebut bisa disimak bahwa gugus OH yang ada pada serin hilang menjadi bagian dari air. Senyawa terakhir ini kemudian berubah menjadi sistein dengan bantuan enzim sistationin-liase, yang dapat dihambat oleh hasil akhirnya (sistein).

Daftar Pustaka

Lehninger, A. L. 1987. Dasar-Dasar Biokimia. Jilid I dan II. Surabaya: Erlangga.

Strayer, L. 1995. Biochemistry. New York: W. H. freeman and Company.

Martohartono, S. 1976. Biokimia. Jilid I. Gajah Mada University Press. Yogyakarta.

Tweet