Bab 17. Siklus Asam Sitrat - Katabolisme Asetil-KoA

rl::ir:ti,ii::l :!'iiiir'rli::rr.:: rlrtl,,rr,l:lirl;1Dovid A. Bender, PhD & Peter A. Moyes, PhD,PERAN BIOMEDIS direoksidasi di rantai respiratorik yang dikaitkan dengan pembentukan AIP (fosforilasi oksidatif, Gambar 17 -2; lihatSikius asam sitrat (siklus Krebs, siklus asam trikarboksilat) juga Bab 13). Proses ini bersifat aerob yang memerlukanadalah serangkaian reaksi di mitokondria yang mengoksidasi oksigen sebagai oksidan terakhir dari koenzim-koenzimgugus asetil pada asetil-KoA dan mereduksi koenzim yang tereduksi. Enzim-enzim pada siklus asam sitrat terletakyang ter-reoksidasi melaiui rantai transpor elektron yang di matrifts mitokondria, baik bebas maupun terikat padaberhubungan dengan pembentukan ATP. membran dalam mitokondria serta membran krista, tempat Sikius asam sitrat adalah jalur bersama terakhir untuk enzim-enzim rantai respiratorik berada.oksidasi karbohidrat, lipid, dan protein karena glukosa, REAKSI SIKTUS ASAM SITRATasam lemak, dan sebagian besar asam amino dimetabolisme MEMBEBASKAN EKUIVALENmenjadi asetil-KoA atau zat-zat antara siklus ini. Siklus ini PEREDUKSI & CO2juga berperan sentral dalam glukoneogenesis, lipogenesis.dan interkonversi asam-asam amino' Banyak proses ini Reaksi awal antara asetil-KoA dan oksaloasetat untuk membentuk sitrat dikatalisis oleh sitrat sintase y^ngberlangsung di sebagian besar jaringan, tetapi hati adalah membentuk ikatan karbon-ke-karbon antara karbon metilsatu-satunya jaringan tempat semuanya berlangsung dengan pada asetil-KoA dan karbon karbonil pada oksaloasetattingkat yang signifikan. Jadi, akibat yang timbul dapat parahjika, contohnya, sejumlah besar sel hati rusak, seperti pada (Gambar 17-3). Ikatan tioester pada sitril-KoA yanghepatitis akut atau diganti oleh jaringan ikat (seperti padasirosis). Beberapa defek genetik pada enzim-enzim siklus terbentuk mengalami hidrolisis dan membebaskan sitrat danasam sitrat yang pernah dilaporkan menyebabkan kerusakansarafberat karena sangat terganggunya pembentukan ATP di KoASH-suatu reaksi eksotermik. Sitrat mengalami isomerisasi menjadi isositrat oleh enzimsistem saraf pusat. akonitase (akonitat hidratase); reaksi ini terjadi dalam duaSIKTUS ASAM SITRATMENGHASITKAN SUBSTRAT tahap: dehidrasi menjadi rzl-akonitat dan rehidrasi menjadiUNTUK RANTAI RESPIRATORIK isositrat. Meskipun sitrat adalah suatu molekul simetris, namun akonitase bereaksi dengan sitrat secara asimetrisSiklus diawali dengan reaksi antara gugus asetil pada asetil- sehingga dua atom karbon yang lenyap daiam reaksi- reaksi berikutnya pada siklus bukanlah atom karbon yangKoA dan asam dikarboksilat empat-karbon oksaloasetat ditambahkan dari asetil-KoA. Perilaku asimetris ini terjadiyang membentuk asam trikarboksilat enam-karbon, yaitu karena channelling-pemindahan produk sitrat sintasesitrat. Pada reaksi-reaksi berikutnya, terjadi pembebasan dua secara langsung ke bagian aktif akonitase' tanpa memasukimolekul CO, dan pembentukan ulang oksaloasetat (Gambar larutan bebas. Hal ini menghasilkan integrasi aktivitas siklus 17-l). Hanya sejumlah kecil oksaloasetat yang dibutuhkan asam sitrat dan penyediaan sitrat di sitosol sebagai sumberuntuk mengoksidasi asetil-KoA dalam jumlah besar; senyawa asetil-KoA untuk sintesis asam lemak. Racun fluoroasetatini dapat dianggap memiiiki peran katalitik. bersifat toksik karena fluoroasetil-KoA berkondensasi dengan oksaloasetat untuk membentuk fluorositrat. yang Siklus asam sitrat adalah bagian integral dari prosespenyediaan energi dalam jumlah besar yang dibebaskan menghambat akonitase sehingga terjadi penimbunan sitrat'selama oksidasi bahan bakar terjadi. Selama oksidasi asetil- Isositrat mengalami dehidrogenasi yang dikatalisis olehKoA, koenzim-koenzim mengalami reduksi dan kemudian isositrat dehidrogenase untuk membentuk, oksalosuksinat pada awalnya, yang tetaP terikat pada enzim dan mengalami 152

BAB I Z: SIKLUS ASAM SITRAI KATABOLISME ASETIL-KoA / ts3 Asetil-KoA (cJ Oksaloasetat uuz CO, Malat w*'\"$h:(''6'f H'?o Gambar 17-1, Siklus asam sitrat yang menggambarkan peran H.O -l'\"' rn katal itik oksaloasetat. \ lsositratdekarboksiiasi menjadi cr-ketoglutarat. Dekarboksilasi ini \ \ ,'n<-$comemerlukan ion Mg-- arau Mn**. Terdapat tiga isoenzimisositrat dehidrogenase. Salah satunya yang menggunakan FumaratNAD-, hanya terdapat di mitokondria. Dua lainnya (c.) | / a-Ketoglutaratmenggunakan NADP- dan ditemukan di mitokondria ''iffi-i''i*^;.un.,n\", fIflir.,--z\"xulznL-r--(.t't66--.dan sitosol. Oksidasi isositrat terkait-rantai respiratorik H-.Oberiangsung hampir sempurna melalui enzim yang st Idependen-NAD-. c{o f *ru@ sffi]rIr lFosronlasi o-Ketoglutarat mengalami dekarbolisilasi oksidatifdalam suatu realsi yang dikatalisis oleh suatu kompleks loksidatifmulti-enzim yang mirip dengan kompleks multienzim yangberperan dalam dekarboksilasi oksidatif piruvat (Gambar 18- I5). Kompleks o-ketoglutarat dehidrogenase memerlukan Cyt ckofaktor yang sama dengan kofaktor yang diperlukan kompleks ffipiruvat dehidrogenase-tiamin difosfat, lipoat, NADt,FAD, dan (s{-5s162 menyebabkan terbentuknya sulainil WIKoA. Kesetimbangan realai ini jauh lebih menguntungkan *.fficv*a\" i+ \"w@ -.ffiYzO,. JJpembentukan suksinil-KoA sehingga secara fisiologis realsiini harus dianggap berjalan satu arah. Seperti halnya oi<sidasi {p (hipoks;a. anoksia) $nantairespifaloflk HrOpiruvat (Bab 18), arsenir menghambat reaksi ini yang Fp Flavoproteinmenyebabkan akumulasi substrat yaitu cr-ketoglutarat. Cyt Sitokrom Suksinil-KoA diubah menjadi suksinat oleh enzimsuksinat tiokinase (suftsinil-KoA sintetase). Reaksi ini ,v@ Fosfat berene.gi tinggiadalah satu-satunya contoh fosforilasi tingkat substratdalam siklus asam sitrar. Jaringan rempat terjadinya Gambar 17-2. Siklus asam sitrat: jalur katabolik utama untukglukoneogenesis (hati dan ginjal) mengandung dua isoenzim asetil-KoA pada organisme aerob. Asetil-KoA, produk katabolisme karbohidrat, protein, dan lipid, dibawa ke siklus asam sitrat dansuksinat tiokinase, saru spesifik untuk GDP dan yang dioksidasi menjadi CO, disertai pembebasan ekuivalen pereduksilain untuk ADP GTP yang terbentuk digunakan untuk (2H). Oksidasi 2H selanjutnya di rantai respiratorik menyebabkan fosforilasi ADP menjadi ATP. Untuk satu putaran siklus, dihasilkandekarboksilasi oksaloasetat menjadi fosfoenolpiruvar dalam .1 1 ATP melalui fosforilasi oksidatif dan 1 ATP dihasilkan di tingkatglukoneogenesis, dan menghasilkan hubungan regulatorik substrat dari perubahan suksinil-KoA menjadi suksinat.antaraaktivitas siklus asam sirrar dan penghentian oksaloasetatuntuk glukoneogenesis. Jaringan non-glukoneogenik hanya Jika metabolisme badan keton terjadi di jaringanmemiliki isoenzim yang menggunakan ADP. ekstrahepatik, terdapat suatu reaksi alternatif yang dikatalisis oleh sulisinil-KoA-asetoasetat-KoA transferase (tioforase) yang melibatkan pemindahan KoA dari suksinil-KoA ke asetoasetat, dan membentuk asetoasetil-KoA (Bab 22).

/154 BAGIAN ll : BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID ffi] c* coo- H\"O HO - C-COO- cI H,*coo- nffi\" Oksaloaseiat HO- CH *COO NAD' l* bH\"- COO Sitrat r-Malat ffi.Efi[ffi],/ 1l Fe:' *f/\ n,v^ Fluoroasetai *o d*,-AH- c-coo- cI -coo-*llooc -'c* H llFumarat cH - Coo- 6is-akonitat trtffil+ *O *_r\| ;7 FADH. lnxoffi''-sEl\ r*l\ rao Ir/t:l^nrt I* a\" lioo-in.-6oo I l* * coo cH -coo-bri\" i $uksinat HO- CH-coo- \ ATP INAD-h lsositratCoA - SH =--l fH'NADH + Y- lsosrE l-] / J BgiisnosEt'r,qsE I IlIIItorll=cecrH-r-, --ccoiooooo--ljI lOksalosuksinat _l CoA - SHGamhar /7-3. Siklus asam sitrat (Krebs). Oksidasi NADH dan FADH, dalam rantai respiratorik menyebabkan terbentuknyaATp melalui fosforilasi oksidatif. Untuk nrengikuti per.jalanan asetil-KoA melintasi siklus, dua atom karbon pada radikalasetit diperlihatkan berlabel pada karbon kuibot sii (*l dan pada karbon metil (.). Meskipun dua atom karbon lenyapsebagai bO, dalam satu putaran siklus, namun atom-atom ini tidak berasal dari asetil-KoA yang baru memasuki siklus, tetapiberaial dari'bagian molekul sitrat yang berasal dari oksaloasetat. Namun, setelah satu putaran siklus selesai, oksaloasetatyang terbentukiembali kini berlabel iehingga pada putaran kedua siklus CO, menjadi berlabel. Karena suksinat adalah,uui, ,\"ny\"*u simetris, pada tahap ini terjJJ'pengacakan' label sehingga keempat atom karbon oksaloasetat tampaknyaterlabel setelah satu putaran slklus. Selama glukoneogenesis, sebagian label di oksaloasetat terserap ke dalam glukosa danglikogen (Cambar 20-1 ). Tampak tempat{empat inhibisi (e) oleh fluoroasetat, malonat, dan arsenit.

/BAB l7: SIKLUS ASAM SITRAT: KATABOLISME ASETIL-KoA 155 Metabolisme suksinat yang menyebabkan terbentuknya residu asam karboksilat \"aktif\", misainya asetil-KoA danoksaloasetat, memiliki rangkaian reaksi kimia yang suksinil-KoA.sama. seperti yang terjadi pada oksidasi-B asam lemak: SIKTUS ASAM SITRAT BERPERANdehidrogenasi untuk membentuk ikatan rangkap karbon-ke- PENTING DATAM METABOTISMEkarbon, penambahan air untuk membentuk gugus hidroksil,dan dehidrogenasi lebih ianjut untuk menghasilkan gugus Siklus asam sitrat tidak saja merupakan jalur untuk oksidasiokso pada oksaloasetat. unit dengan dua-karbon, tetapi juga merupakan jalur Reaksi dehidrogenasi pertama yang membentuk fumarat utama untuk pertukaran berbagai metabolit yang berasaldikatalisis oleh suksinat dehidrogenase yang terikat pada dari transaminasi dan deaminasi asam amino, serrapermukaan dalam membran dalam mitokondria. Enzim menghasilkan substrat untuk sintesis asam amino melalui transaminasi, serta untuk glukoneogenesis dan sintesisini mengandung FAD dan protein besi-sulfur (Fe:S), dan asam lemak. Karena fungsinya dalam proses oksidatif dan sintesis, siklus ini bersifat amfibolik (Gambar 17-4).secara langsung mereduksi ubikuinon dalam rantai rranspor Siklus Asom Sitrqt lkut Sertq dolqmelektron. Fumarase (fumarat hidratase) mengatalisis Glukoneogenesis/ Trqnsqminosi, donpenambahan air pada ikatan rangkap fumarat sehingga Deqminosimenghasilkan malat. Malat diubah menjadi oksaloasetat olehmalat dehidrogenase, suatu reaksi yang memerlukan NAD-. Semua zat antara pada siklus berpotensi glukogenik karena dapat menghasilkan oksaloasetat, dan karenanya mampuMeskipun keseimbangan reaksi ini jauh menguntungkan menghasilkan glukosa (di hati dan ginjal, organ yang melak-malat, namun aliran netto reaksi tersebut adalah ke sanakan glukoneogenesis; lihat Bab 20). Enzim kunci yang mengatalisis pemindahan netto keluar siklus untuk menujuoksaloasetat karena oksaloasetat terus dikeluarkan (untuk glukoneogenesis adalah fosfoenolpiruvat karboksikinasemembentuk sitrat, sebagai substrat glukoneogenesis, arau yang mengatalisis dekarboksilasi oksaloasetat menjadi fos-mengalami transaminasi menjadi aspartat) serta reoksidasi foenolpiruvat dengan GTP yang bekerja sebagai donor fosfatNADH terjadi secara kontinu. (lihat Gambar 20-1).SATU PUTARAN SIKLUS ASAM SITRAT Pemindahan netto ke dalam siklus terjadi melaluiMENGHASITKAN DUA BELAS ATP beberapa reaksi. Di antara berbagai reaksi anaplerotikAkibat oksidasi yang dikatalisis oleh berbagai dehidrogenase tersebut, yang terpenting adalah pembentukan oksaloasetatpada siklus asam sitrat, dihasilkan tiga molekul NADH melalui karboksilasi piruvat yang dikataiisis oleh piruvatdan satu FADH, untuk setiap molekul asetil-KoA yang karbolsilase. Reaksi ini penting dalam mempertahankandikatabolisme per satu kali putaran siklus. Ekuivalen konsentrasi oksaloasetat yang memadai untuk reaksi kondensasi dengan asetil-KoA. Jika terjadi penimbunanpereduksi ini dipindahkan ke rantai respiratorik (lihat asetil-KoA, zatini akan berfungsi sebagai aktivator alosterik piruvat karboksilase dan inhibitor piruvat dehidrogenase,Gambar 13-3), tempat reoksidasi masing-masing NADH sehingga pasokan oksa.loasetat terjamin. Laktat, suatu substrat penting untuk glukoneogenesis, memasuki siklusmenghasilkan pembentukan -3 AT\ dan FADHT, -2 NfP.Selain itu, terbentuk 1 AIP (atau GTP) melalui fosforilasi melalui oksidasi menjadi piruvat dan kemudian mengalami karboksilasi menj adi oksaloasetat.tingkat-substrat yangdikatalisis oleh suksinat tiokinase. Reaksi-realai aminotransferase (transaminase) mem-VIIA'IAIN BERPERAN PENTING bentuk piruvat dari alanin, oksaloasetat dari aspartat, dan a-DAIAN,I SIKTUS ASAM SITRAT ketoglutarat dari glutamat. Karena reaksi-reaksi ini bersifatEmpat vitamin B merupakan faktor esensial dalam siklusasam sitrat sehingga juga penting dalam metabolisme reversibel, siklus asam sitrat juga berfungsi sebagai sumberpenghasil energi: (1) ribofavin, dalam bentuk favin rangka karbon untuk membentuk asam-asam amino ini.adenin dinukleotida (FAD), suatu kofaktor untuk suksinatdehidrogenase; (2) niasin, dalam bentuk nikotinamid Asam-asam amino lain berperan dalam glukoneogenesisadenin dinukleotida (NAD), akseptor elektron untuk karena rangka karbonnya menghasilkan zat-zat siklus asam sitrat. Alanin, sistein, glisin, hidroksip^rnotlaint,aisositrat dehidrogenase, cr-ketoglutarat dehidrogenase, dan serin, treonin, dan triptofan menghasilkan piruvat; arginin,malat dehidrogenase; (3) tiamin (vitamin B,), sebagaitiamin difosfat, koenzim untuk dekarboksilasi dalam reaksio-ketoglutarat dehidrogenase; dan (4) as4m pantotenat,sebagai bagian dari koenzim A, kofaktor yang melekat pada

/156 BAGIAN ll : BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID -) uft\"t sHiedrorkisniprolin I r Grreroisniinn ,I [@ffil \*lI Triptofan wlffi/Alanin {.-.-------.... Piruvat #Asetil-KoA Glukosa <- <-Fosfoenotpiruvat Gksatoaseiat | - Tirosin ------->rr^r( 1#\Fenilalanin - t o\"oln\", \ l---,L\",,*\"olsoleusin \")^' Jt\,/>LvMetionin \ L\"\" Valin Propional tcso-\" Ketoglutarat Histidin I lffi@-*gel Prolin f Glutamin Gruramat Arginin Gambar 17-4.KeterlibaIan siklus asam sitratdalam transaminasi dan glukoneogenesis. Tanda panah tebal menunjukkan .jalur utama glukoneogenesis.histidin, glutamin, dan prolin menghasilkan c-ketoglutarat; berlangsung di sitosol; membran mitokondria bersifatisoleusin, metionin, dan valin menghasilkan suksinil-KoA;tirosin dan fenilalanin menghasilkan fumarat (lihat Gambar impermeabel terhadap asetil-KoA. Asetil-KoA disediakan di sitosol dari sitrat yang disintesis di mitokondria, dipindahkan17 -4). ke sitosoi, dan dipecah dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh Pada hewan pemamah biak dengan bahan bakar AlP-sitrat liase. Sitrat hanya tersedia untuk pengangkutan keluar mitokondria ketika akonitase mengalami saturasimetabolik utama berupa asam lemak rantai pendek yangdibentuk oleh fermentasi bakteri, perubahan propionat, oleh substratnya, dan sitrat tidak.dapat disalurkan langsungproduk glukogenik utama fermentasi rumen, menjadi dari sitrat sintase ke akonitase. Hal ini menjamin agar sitrarsuksinil-KoA melalui jalur metilmalonil-KoA (Gambar 20- digunakan untuk sintesis asam lemak hanya jika jumlahnya2) sangat penting. adekuat untuk menjamin kontinuitas aktivitas siklus.Siklus Asqm Sitrot lkul Sertq dolom Sintesis Regulosi Siklus Asom Sitrqt BergontungAsqm lemqk Terutomq podq Pqsokon Kofoktor TeroksidosiAsetil-KoA yang dibentuk dari piruvat oleh kerja piruvatdehidrogenase adalah substrat utama untuk sintesis asam Di sebagian besar jaringan' dengan siklus asam sitrat yanglemak rantai-panjang pada hewan bukan pemamah biak berperan utama dalam metabolisme penghasil energi, aktivitas siklus asam sitrat diatur oleh kontrol respiratorik(Gambar 17-5). (Pada hewan pemamah biak, asetil-KoA berasal langsung dari asetat). Piruvat dehidrogenase melalui rantai respiratorik dan fosforilasi olaidatif (Bab 13). Oleh sebab itu, aktivitas bergantung langsung pada pasokanadalah suatu enzim mitokondria, dan sintesis asam lemak

/BAB lZ: SIKLUS ASAM SITRAI KATABOLISME ASETIL-KoA 157 {:Piruvat €tukosa fiX* oksaloasetat agaknya mengontrol laju pembentukan sitrat. Belum diketahui mekanisme mana dari berbagai mekanismeAsetil-KoA IE tersebut yang penting bagi tubuh. Asetil-KoA RINGKASAN H Siklus asam sitrat adalah jalur akhir untuk oksidasi M karbohidrat, lipid, dan protein. Metabolit akhir CO bersama kedga zar tersebut, yaitu asetil-KoA, bereaksi MEMBRAN dengan oksaloasetat untuk membentuk sitrat. Melalui MTTOKONDRTA-------*--' serangkaian realai dehidrogenasi dan dekarboksilasi, terjadi penguraian sitrat, reduksi koenzim, pembebasanGambar 17-5. Peran serta siklus asam sitrat dalam sintesis 2COr, dan pembentukan kembali oksaloasetat.lemak dari glukosa. iuga Iihat Cambar 23-5. Koenzimyang tereduksi dioksidasi oleh rantai respiratorikNAD., yang selanjutnya, karena keterkaitan erat anrara yang dikaitkan dengan pembentukan AIP Oleh sebab itu, siklus ini adalah jalur utama pembentukan AIP danoksidasi dan fosforilasi, bergantung pada ketersediaan ADP terletak di matriks mitokondria di dekat enzim-enzimdan pada akhirnya, bergantung pada kecepatan pemakaianATP dalam reaksi kimia dan kerja fisik. Selain itu, masing- rantai respiratorik dan fosforilasi otr<sidatif.masing enzim dalam siklus tersebut juga diatur. Tempatpengaturan yang paling mungkin adalah reaksi tak-setimbang Siklus asam sitrat bersifat amfibolik karena selainyang dikatalisis oleh piruvar dehidrogenase, sitrat sinrase, oksidasi siklus ini penting dalam penyediaan rangkaisositrat dehidrogenase, dan a-ketoglutarat dehidrogenase.Berbagai dehidrogenase diaktifkan oleh Ca2. yang meningkat karbon untuk glukoneogenesis, sintesis asam lemak, dan interkonversi asam-asam amino.konsentrasinya selama kontraksi otot dan sekresi, saatterjadi peningkatan kebutuhan energi. Di jaringan seperti REFERENSIotak, yang sangat bergantung pada karbohidrat untukmemperoleh asetil-KoA, kontrol siklus asam sitrat dapat Baldwin JE, Krebs HA. The evolution of metabolic cycles. Nature 1981;291:381.terjadi di piruvat dehidrogenase. Beberapa enzim beresponsterhadap status energi seperti diperlihatkan oieh rasio Bowtell JL, Bruce M. Glutamine: an anaplerotic precursor.[ATP]/[ADP] dan INADH]/INADI. Oleh sebab itu, terjadiinhibisi alosterik sitrat sintase oleh AIP dan asii-KoA lemak Nutrition 2002;18:222.rantai-panjang. Aktivasi alosterik isositrat dehidrogenase DeMeirleir L: Defects of pyruvate metabolism and the Krebs cycle.dependen-NAD mitokondria oleh ADP dilawan oleh Journal of Childhood Neurology 2002;Suppl 3:3526.AIP dan NADH. Kompleks cr-ketoglutarat dehidrogenase Gibala MJ, Young ME. Anaplerosis of the citric acid cycle: rolediatur dengan cara yang sama seperti piruvat dehidrogenase in energy metabolism of heart and skeletal muscle. Acta(Gambar 18-6). Suksinat dehidrogenase dihambat olehoksaloasetat, dan ketersediaan oksaloasetat, seperri dikontrol Physiologica Scandinavica 2000;168:657.oleh malat dehidrogenase, bergantung pada rasio INADH]/ Kay J, Veitzman PDJ (editors): Krebi Citric Acid Cl,cle - Half aINADI Karena K untuk oksaloasetat pada sitrat sintase Century and Still Turning. Biochemical Sociery London,setara dengan konsentrasi intramitokondria, konsentrasi r9B7. Kornberg H. Krebs and his triniry of cycles. Nature Review of Molecular Cell Biology 20 00;1:225 . Owen OE, Kalhan SC. The key role of anaplerosis and cataplerosis for citric acid rycle function. Journal of Biological Chemistry 2002;277:30409. Rustin B Bourgeron T. Inborn errors of the Krebs cycle: A group of unusual mitochondrial diseases in humans. Biochimica et Biophysica Act a 1997 ;l 361 :1 85. Sumegi B, Sherry AD. Is there tight channelling in the tricarboxylic acid rycle metabolon? Biochemical Sociery Tlansactions 1991 19:1002.