Metabolisme Intermediet_Secure

Jawaban D Homeostasis glikogen terkontrol dengan mengatur laju sintesis dan pemecahan glikogen. Pelepasan glukosa dari glikogen yang disimpan adalah peran glikogen fosforilase (umumnya disebut fosforilase). Tingkat pembebasan glukosa dari glikogen oleh fosforilase dikendalikan terutama dengan fosforilasi dan defosforilasi jangka pendek acara. Ketika fosforilase terfosforilasi oleh glikogen sintase-fosforilase kinase (umumnya disebut fosforilase kinase) ini lebih aktif dalam melepaskan glukosa. Fosforilasi ini terjadi di hepatosit saat rangsangan oleh glukagon mengarah ke peningkatan aktivitas PKA yang pada gilirannya memfosforilasi, dan mengaktifkan fosforilase kinase. Fosforilase aktif membebaskan glukosa 1-fosfat dari glikogen yang diubah menjadi glukosa 6-fosfat. Glukosa 6-fosfat teroksidasi di jalur glikolitik atau fosfat dihilangkan oleh glukosa 6- fosfatase dan glukosa bebas mengalir ke dalam darah. Kapan kadar glukosa-6-fosfat meningkat di hepatosit, karena mengurangi pemanfaatan, bertindak sebagai penghambat alosterik bentuk fosforilasi, dan aktif dari fosforilase. Bab 9_ Metabolisme Glikogen 95

BAB 10 PENTOSA PHOSPHATE PATHWAY (JALUR PENTOSA FOSFAT) TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari jalur pentosa fosfat diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan sebagai berikut. 1. Keterkaitan jalur dan reaksi jalur pentosa fosfat yang menghasilkan dan melindungi dari oksigen radikal. 2. Interaksi jalur ini dengan jalur metabolisme lain. Jalur pentosa fosfat adalah jalur alternatif untuk metabolisme glukosa. Jalur ini tidak mengarah pada pembentukan ATP. tetapi memiliki dua fungsi utama (Gambar 10.1) yaitu: 1. Pembentukan NADPH untuk sintesis asam lemak dan steroid serta mempertahankan glutation yang berkurang untuk aktivitas antioksidan; dan 2. Sintesis ribosa untuk pembentukan nukleotida dan asam nukleat. Glukosa, fruktosa, dan galaktosa adalah heksadesa utama yang diserap dari saluran pencernaan, yang berasal dari diet pati, sukrosa, dan laktosa. Fruktosa dan galaktosa dapat diubah menjadi glukosa, terutama di hati. Jalur pentosa fosfat juga disebut Hexose Monophosphate (HMP) atau jalur fosfoglukonat diperlukan untuk penyediaan gula pentosa dan NADPH. Adanya NADPH penting untuk pertahanan antioksidan tubuh, jalur pentosa fosfat berkembang dengan baik dalam sel yang terpapar pada tekanan parsial oksigen yang tinggi, seperti eritrosit dan kornea mata. Ini menyumbang sekitar 60% dari total konsumsi oksigen di kornea. Seperti glikolisis, tempat terjadinya jalur pentosa fosfat adalah sitosol. Tidak seperti glikolisis, oksidasi dicapai dengan dehidrogenasi 97

menggunakan NADP+, bukan NAD+ sebagai akseptor hidrogen. Urutan reaksi jalur dapat dibagi menjadi dua fase, yaitu fase oksidatif irrerversibel dan fase nonoksidatif reversibel. Gambar 10.1 Jalur Pentosa Fosfat (Denish, 2011). REAKSI JALUR PENTOSA FOSFAT Fase oksidatif Reaksi oksidatif tahap I menyebabkan konversi glukosa 6-fosfat menjadi ribulosa 5-fosfat (Gambar 10.2). Dua molekul NADPH juga dihasilkan selama urutan reaksi ini yang terdiri atas tiga reaksi oksidatif irreversibel (Gambar 10.2). 1. Dehidrogenasi glukosa 6-fosfat Glukosa 6-fosfat secara permanen diubah menjadi 6-fosfoglukonolakton oleh enzim glukosa 6-fosfat dehidrogenase (G6PD). NADP+ sebagai koenzim spesifik untuk reaksi ini. NADP+ berperan sebagai akseptor dari ekuivalen reduks, yaitu sepasang hidrida, yang dikeluarkan dari molekul glukosa 6-fosfat dan dikonversi menjadi NADPH. Langkah ini adalah langkah pengaturan jalur. NADPH bertindak sebagai modulator negatif dan menyebabkan inhibisi kompetitif (G6PD). 98 METABOLISME Intermediat

Gambar 10.2 Fase Oksidatif Jalur Pentosa Fosfat (Denish, 2011). 2. Hidrolisis 6-fosfoglukonolakton. Senyawa 6-fosfoglukonolakton, diubah menjadi 6-fosfoglukonat dengan penambahan molekul air. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim glukonolaktonase dan tidak dapat diubah, seperti langkah sebelumnya. a. Pembentukan ribulosa 5-fosfat Dekarboksilasi oksidatif 6-fosfoglukonat, dikatalisis oleh6- fosfoglukonat dehidrogenase, kemudian menghasilkan gula ketosa, ribulosa 5-fosfat, ditambah molekul NADPH. Sifat nonekuilibrium dari reaksi tahap I memungkinkan sel untuk mempertahankan rasio sitoplasma NADPH: NADP+ =100. Menariknya, rasio NADH: NAD+ di sitoplasma hampir kebalikannya, yaitu kurang dari 0,01. Untuk alasan ini, sel menggunakan NADPH daripada NADH setiap kali agen pereduksi yang kuat diperlukan. Ribulosa 5-fosfat, produk akhir dari tahap I, dapat dikonversi ke fosfat pentosa lainnya: xilulosa 5-fosfat dan ribosa 5-fosfat. Enzim untuk reaksi ini (Gambar 10.3) adalah: Bab 10_ Pentosa Phosphate Pathway (Jalur Pentosa Fosfat) 99

1. Epimerase, yang mengubah ribulosa 5-fosfat menjadi xilulosa 5-fosfat; dan 2. Keto isomerase, yang mengkatalisis konversi ribulosa 5-fosfat menjadi ribosa 5-fosfat. Gambar 10.3 Reaksi katalisis ribulosa 5-fosfat menjadi xilulosa 5-fosfat dan ribosa- 5-fosfat (Denish, 2011). Fase Non-oksidatif Pentosa fosfat yang dihasilkan pada tahap I, ribosa 5-fosfat, xilulosa 5-fosfat, dan ribulosa 5-fosfat, diubah menjadi intermediat glikolitik pada tahap II jalur HMP (Gambar 10.3). Tahap ini terdiri atas serangkaian interkonversi reversibel nonoksidatif, seperti yang disebutkan sebelumnya. Enzim tahap ini adalah transketolase dan transaldolase, yang mengkatalisis tiga reaksi berikut. 1. Reaksi 1 Reaksi ini dikatalisis oleh transketolase, yang mentransfer dua unit karbon dari gula ketosa ke gula aldosa. Ketika unit dua-karbon ditransfer dari xilulosa 5-fosfat (ketosa 5-C) menjadi ribosa 5-fosfat (aldose 5-C), pembentukan gula tujuh karbon (sedoheptulosa 7-fosfat) dan hasil tiga karbon-gula (gliseraldehida 3-fosfat). C5 + C5  C7 + C3 Tiamin pirofosfat, koenzim untuk transketolase, berfungsi sebagai pembawa sementara dari dua unit karbon dalam reaksi ini. 100 METABOLISME Intermediat

Gambar 10.4 Fase Non Oksidatif Jalur Pentosa Pentosa (Dinesh, 2011). 2. Reaksi 2 Reaksi ini dikatalisis oleh transaldolase,yang mentransfer tiga unit karbon dari sedoheptulosa 7-fosfat menjadi gliseraldehida 3-fosfat. Reaksi ini menghasilkan pembentukan eritrosa 4-fosfat dan fruktosa 6-fosfat. C7 + C3  C4 + C6 3. Reaksi 3 Reaksi ini dikatalisis lagi oleh transketolase. Tetrosa fosfat (eritrosa 4- fosfat) yang dihasilkan pada langkah sebelumnya, menerima unit 2- karbon dari molekul pentosa fosfat (xilulosa 5-fosfat) baru untuk membentuk fruktosa 6-fosfat dan gliseraldehida 3-fosfat. C4 + C5  C6 + C3 Hasil dari reaksi ini adalah pembentukan dua fosfat heksosa (fruktosa 6-fosfat) dan fosfat triosa (gliseraldehida 3-fosfat) yang secara langsung memasuki urutan glikolitik. Bab 10_ Pentosa Phosphate Pathway (Jalur Pentosa Fosfat) 101

Dengan demikian, interkonversi nonoksidatif (dari tahap II) memungkinkan konversi pentosa (dihasilkan dalam tahap I) menjadi glikolisis intermediat. Hal ini merupakan hubungan antara pentosa dan gula yang dapat dimetabolisme lainnya, dan mengintegrasikan jalur HMP dengan glikolisis. Ringkasan reaksi jalur pentosa fosfat, dapat ditulis sebagai berikut. 3 glukosa 6-fosfat + 6 NADP → 2 fruktosa 6-fosfat + gliseraldehida 3- fosfat + 6 NADPH + 6H+ + 3 CO . 2 REGULASI JALUR PENTOSA FOSFAT Enzim pengatur jalur pentosa fosfat adalah glukosa 6-fosfat dehidrogenase (G6PD) dan 6-fosfoglukonat dehidrogenase. Sintesis kedua enzim diinduksi oleh insulin. Dengan demikian, dalam keadaan makan, konsentrasi intraselular mereka meningkat,yang mengarah ke peningkatan oksidasi glukosa melalui jalur ini. Sebaliknya, dalam kelaparan dan diabetes melitus, jalur ini ditekan. Aktivitas glukosa 6-fosfat dehidrogenase secara kompetitif dihambat oleh NADH, seperti yang disebutkan sebelumnya. Ini adalah rasio NADPH: NADP+ yang menentukan tingkat keseluruhan jalur. Dalam keadaan normal, rasio NADPH/NADP+ sufficiently high (hingga 100) yang membuat aktivitas G6PD terhambat. Namun, ketika permintaan NADPH meningkat, pemanfaatannya juga meningkat sehingga jatuhnya konsentrasi NADPH intraselular, ini menghilangkan penghambatan pada aktivitas enzim. Akibatnya, reaksi ini dipercepat dan menghasilkan peningkatan produksi NADPH yang diperlukan. FUNGSI JALUR PENTOSA FOSFAT Jalur pentosa fosfat adalah jalur multifungsi, unik dalam pembuatan dua produk penting, yaitu pentosa dan NADPH. 1. Pentosa: Pentosa terpenting adalah ribosa 5-fosfat yang diperlukan untuk sejumlah fungsi biosintetik dan lainnya. 2. NADPH memiliki potensi redoks yang sama dengan NADH, tetapi fungsi kedua koenzimnya berbeda. Padahal NAD+ mengumpulkan 102 METABOLISME Intermediat

hidrogen dari substrat katabolik untuk transfer ke rantai pernapasan NADPH diperlukan untuk biosintesis reduktif dan beberapa fungsi lainnya sebagai berikut. a. Biosintesis reduktif Sintesis asam lemak dan kolesterol dari asetil KoA membutuhkan kekuatan reduktif NADPH. b. Peran antioksidan NADPH diperlukan untuk pemeliharaan lingkungan yang mengurangi di dalam sel. Hal ini diperlukan untuk menghindari kerusakan pada asam lemak tak jenuh, protein, dan DNA oleh peroksida atau zat pengoksidasi lainnya yang terus-menerus terpapar oleh sel. NADPH memainkan peran kunci dalam pertahanan antioksidan dengan mengubah glutation teroksidasi menjadi glutation tereduksi yang bersifat protektif, yaitu reduksi glutation (GSH) mendetoksifikasi hidrogen peroksida, dan enzim glutation peroksidase mengkatalisis reaksi ini. Namun, GSH teroksidasi selama reaksi dan harus diregenerasi untuk melanjutkan detoksifikasi. NADPH berpartisipasi dalam reaksi yang bertanggung jawab untuk regenerasi reduksi glutation dari yang teroksidasi dan glutation, reduktase mengkatalisis reaksi ini. c. Fagositosis Sel-sel yang berperan dalam fagositosis ini adalah kumpulan partikel sel padat, seperti granulosit, monosit, dan makrofag. Sel- sel ini berpartisipasi dalam sistem kekebalan tubuh kita dengan memakan dan menghancurkan mikroorganisme menular. NADPH diperlukan untuk produksi radikal anion superoksida oleh makrofag yang memiliki aktivitas bakterisida. d. Metabolisme xenobiotik Xenobiotik lipofilik dimetabolisme menjadi produk yang larut dalam air dengan hidroksilasi dalam sistem sitokrom P450 mikrosomal. Proses ini membutuhkan NADPH. e. Fungsi khusus pada eritrosit NADPH sangat penting untuk mencegah kerusakan oksidatif pada selaput dan protein intraselular dalam eritrosit karena sel Bab 10_ Pentosa Phosphate Pathway (Jalur Pentosa Fosfat) 103

tidak dapat menggantikannya dengan sintesis baru selama masa hidup 120 hari. NADPH mempertahankan pertahanan antioksidan dengan mengubah glutation teroksidasi ke dalam bentuk pelindung tereduksi. Hal ini mengembalikan tingkat glutation yang berkurang, yang teroksidasi saat detoksifikasi peroksida dan oksidator lainnya. Dengan demikian, kebutuhan NADPH relatif lebih tinggi di eritrosit. RANGKUMAN 1. Reaksi PPP terjadi di sitosol dan mengoksidasi glukosa sambil memproduksi NADPH dan CO2, tetapi tidak menghasilkan energi ATP. 2. Reaksi oksidatif PPP tidak dapat diubah, sedangkan reaksi nonoksidatif dapat dibalik. 3. Jaringan utama yang memanfaatkan reaksi PPP memiliki kebutuhan NADPH yang tinggi jalur biosintesis reduktif atau kebutuhan tinggi akan ribosa 5-fosfat untuk nukleat sintesis asam. 4. Eritrosit sangat membutuhkan reaksi oksidatif yang dihasilkan PPP NADPH untuk digunakan dalam regenerasi glutation, teroksidasi (GSH), melalui glutation, reaksi peroksidase, agar dapat digunakan untuk memperbaiki oksidasi secara terus-menerus lipid membran. 5. Pembangkitan NADPH melalui PPP sangat penting untuk fungsi sel fagositik. Mutasi di G6PDH dapat menyebabkan penyakit granulomatosa kronis, yang gejala-gejalanya mencerminkan kurangnya pembunuhan fagositik patogen. 6. Mutasi yang diwariskan pada G6PDH dapat menyebabkan anemia hemolitik pada penderita yang menderita terkena kondisi pengoksidasi tinggi dalam darah atau setelah menelan obat-obatan tertentu. Namun, kekurangan G6PDH juga melindungi individu yang terkena dampak dari efek berbahaya parasit malaria. 104 METABOLISME Intermediat

LATIHAN SOAL 1. Jelaskan fungsi dari jalur pentosa fosfat ! Jawaban Ada 2 fungsi utama PPP adalah (1) Pembentukan NADPH untuk reaksi biosintesis reduktif di dalamnya sel, dan (2) Menyediakan sel dengan ribosa 5-fosfat (R5P) untuk sintesis nukleotida dan asam nukleat. 2. Xilulosa 5-fosfat dapat dibentuk dari ribulosa 5-fosfat melalui aksi enzim yang mana dari berikut ini? A. G6PDH B. Epimerase fosfopentosa C. Fosfopentosa isomerase D. Transaldolase E. Tansketolase Jawaban B: Konversi ribulosa 5-fosfat menjadi xilulosa 5-fosfat adalah reaksi epimerisasi. Reaksi ini dikatalisis oleh fosfopentosa epimerase lebih sering disebut ribulosa 5-fosfat epimerase. Bab 10_ Pentosa Phosphate Pathway (Jalur Pentosa Fosfat) 105

BAB 11 METABOLISME ASAM LEMAK TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari metabolisme rantai transpor elektron dan fosforilasi oksidatif diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan sebagai berikut. 1. Jalur sintesis asam lemak dan khususnya peran asetil-KoA karboksilase dan sintase asam lemak enzim multifungsi. 2. Regulasi dari sintesis asam lemak. 3. Konsep perpanjangan dan desaturasi rantai asam lemak. Asam lemak adalah sumber utama energi pada manusia. Asam lemak digunakan sebagai bahan bakar oleh sebagian besar jaringan, kecuali sel darah merah dan putih, jaringan saraf, retina serta medula adrenal. Asam lemak disimpan sebagai triasilgliserol (TG) di jaringan adiposa. Ketika kebutuhan energi meningkat, asam lemak dimobilisasi dari depo TG dan dilepas dalam sirkulasi. Kemudian diangkut ke berbagai bagian tubuh setelah diikat dengan albumin, Setiap molekul albumin dapat mengikat 6 hingga 8 molekul asam lemak. Selanjutnya, albumin yang mengikat asam lemak ini diambil oleh jaringan perifer di mana dioksidasi untuk melepaskan energi. Jalur oksidatif utama adalah β-oksidasi dan jalur lain (seperti α-oksidasi dan ω-oksidasi) memainkan peran tambahan. Sintesis de-novo asam lemak, yaitu lipogenesis terjadi dari asetil KoA dengan bantuan sintesis kompleks asam lemak. OKSIDASI -ASAM LEMAK Oksidasi β adalah jalur utama untuk katabolisme asam lemak. Skema “oksidasi” di mana asam lemak terdegradasi oleh hilangnya dua unit 107

karbon berturut-turut. Pertama-tama dijelaskan oleh ilmuwan Jerman Fray Knoop pada tahun 1904. Ini terdiri atas siklus berulang dari serangkaian reaksi. Setiap siklus, unit dua-karbon, yaitu molekul asetil KoA dikeluarkan dari terminal karboksil dari asam lemak. Jadi, oksidasi lengkap dari asam lemak 16-karbon (misalnya asam palmitat) membutuhkan tujuh siklus tersebut dan menghasilkan delapan molekul asetil KoA. Tahapan Jalur Reaksi Jalur reaksi oksidasi β asam lemak dibagi dalam tiga tahap sebagai berikut. 1. Aktivasi asam lemak dalam sitosol Sebagai langkah awal katabolisme, asam lemak diaktifkan melalui pembentukan hubungan tioester antara molekul asam lemak dan koenzim A. Produk ini adalah asil Ko A dan oleh karena itu nama enzim yang mengkatalisis reaksi ini adalah asil KoA sintetase juga disebut tiokinase. Reaksi ini membutuhkan banyak energi dan dalam proses ATP diubah menjadi AMP. Asam lemak + ATP + KoA → lemak asil KoA + AMP + Ppi Reaksi pertama tersebut menghasilkan pirofosfat oleh pemecahan ATP yang mendukung pembentukan asam lemak asil, karena pirofosfat yang terbentuk dihidrolisis oleh enzim pirofosfatase: PPi 2 → Pi. Energi bebas (6,9 kkal/mol) menyertai pembelahan pirofosfat, yang memastikan ireversibilitas keseluruhan reaksi. Dengan demikian, aktivasi asam lemak menjadi lemak asil KoA dengan ikatan tioester yang kaya energi memerlukan pengeluaran dua ikatan fosfat berenergi tinggi. Reaksi aktivasi sebenarnya terjadi dalam tiga langkah, yaitu: a. Kelompok karboksil pertama kali diaktifkan ke enzim, intermediat tinggi, dan asil-adenilat intermediat (lemak asil-AMP ); b. Kelompok asil kemudian bereaksi dengan koenzim-A untuk memberi lemak asil KoA, dan c. Pirofosfat sekarang dihidrolisis untuk memastikan ireversibilitas keseluruhan reaksi. 108 METABOLISME Intermediat

2. Pengangkutan asam lemak teraktivasi ke mitokondria Pembentukan lemak asil KoA terjadi di sitosol. Degradasi lebih lanjut terjadi pada matriks mitokondria. Hal ini menimbulkan masalah karena membran mitokondria bagian dalam (IMM) tidak dapat dilewati oleh lemak asil KoA. Untuk mengatasi masalah ini, diperlukan partisipasi pembawa, yaitu karnitin. Karnitin adalah beta-hidroksil- gamma trimetil amonium butirat, disintesis dari lisin, dan metionin dalam hati dan ginjal. Gambar 11.1 Struktur Karnitin (Dinesh, 2011) a. Proses transportasi disebut sebagai pesawat ulang-alik karnitin yang, terdiri atas tiga langkah, sebagai berikut. 1) Langkah 1: Asil kelompok lemak asil KoA ditransfer ke karnitin, menghasilkan pembentukan lemak asil karnitin. Reaksi dikatalisis oleh enzim regulator dari jalur asil KoA karnitin transferase (E1) yang terletak di permukaan luar membran mitokondria bagian dalam. 2) Langkah 2: Lemak asil karnitin ditranslokasi melintasi membran mitokondria bagian dalam ke matriks mitokondria. Masuknya asil- karnitin terkait dengan keluarnya karnitin. Keduanya dimediasi oleh translocase yang disebut karnitin/acylcarnitine translocase (E2). 3) Langkah 3: Setelah berada di dalam matriks mitokondria, lemak asil karnitin diubah kembali menjadi lemak asil,KoA oleh enzim asil KoA karnitin transferase II (E3). Enzim ini terletak di permukaan bagian dalam IMM. Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 109

Gambar 11.2 Transpor asam lemak dari sitosol ke mitokondria (Dinesh, 2011). b. Karnitin merupakan komponen penting dari pengangkutan lemak asil KoA. Defisiensinya menyebabkan penurunan masuknya asam lemak ke dalam matriks mitokondria. Hal ini menyebabkan gangguan pemanfaatan asam lemak, khususnya pada otot. Shuttle carnitine terutama untuk transportasi asam lemak rantai panjang (16 ± 4 karbon) sebagai berikut. 1) Asam lemak rantai pendek dan menengah dapat melintasi membran mitokondria dengan difusi pasif, dan diaktifkan untuk derivatif KoA mereka dalam mitokondria. 2) Asam lemak rantai yang sangat panjang disingkat menjadi asam lemak rantai panjang dalam peroksisom dan kemudian diangkut dengan karburator ke dalam mitokondria. 3. Proses oksidasi standar dalam matriks mitokondria. Nasib utama dari lemak asil KoA di mitokondria adalah β-oksidasi Proses oksidasi standar terdiri atas serangkaian siklus yang identik. Setiap siklus memendekkan asam lemak oleh dua karbon dan menghasilkan residu asetil dalam bentuk asetil KoA. Siklus berulang- ulang oksidasi menghasilkan beberapa molekul asetil KoA yang memasuki siklus TCA dan selanjutnya terdegradasi menjadi karbon dioksida dan air. Urutan reaksi disebut β-oksidasi karena β-karbon 110 METABOLISME Intermediat

(C-3) yang teroksidasi. Dalam setiap siklus oksidasi, lemak asil KoA ditindaklanjuti secara berurutan oleh empat enzim, yaitu, FAD-linked dehidrogenase, hydratase, NAD -linked dehidrogenase, dan tiolase. Reaksi-reaksi ini (Gambar 11.46) diproses sebagai berikut. a. Dehidrogenasi pertama: Sepasang atom hidrogen dilepaskan di seluruh α dan β karbon dari asil lemak KoA dengan aksi asil lemak KoA dehidrogenase yang menghasilkan pembentukan trans-Δ2- enoil KoA. Empat dehidrogenase yang berbeda masing-masing spesifik untuk kisaran panjang rantai asam lemak yang diberikan. Keempatnya adalah flavin flavoprotein dan mengandung molekul yang terikat erat dari flavin adenine dinucleotide (FAD). b. Hidrasi: Penambahan molekul air mengubah trans-Δ2-enoil KoA menjadi L-3-OH asil KoA. Reaksi dikatalisis oleh enoil KoA hidrate, bahkan ada dua hidratase, yaitu yang satu lebih memilih asam lemak rantai pendek dan rantai panjang kedua. Keduanya sangat spesifik dan hanya bertindak pada isomer trans, yaitu trans-Δ2- enoil KoA). c. Dehidrogenasi Kedua: L-3-OH-asil KoA kemudian kehilangan sepasang atom hidrogen ke NAD+. Reaksi dikatalisis oleh enzim L-3-OH-asil KoA dehidrogenase. Dua atom hidrogen dikeluarkan dari C-3 sehingga gugus hidroksil pada posisi tersebut diubah menjadi gugus keto. Produk reaksi sesuai disebut 3-kritosil KoA. Dengan demikian, dengan aksi berurutan dari tiga enzim, sebuah gugus keto diperkenalkan pada posisi C-3 dari molekul lemak asil KoA (bandingkan struktur lemak asil CoA dengan 3-ketoasil KoA. d. Tiolisis: Akhirnya, pembelahan (tiolitik) terjadi pada atom-karbon dari 3-ketoasil KoA, membebaskan molekul asetil KoA. Enzim yang mengkatalisis langkah ini adalah tiolase. e. Mengulang urutan reaksi Dalam urutan reaksi yang dibahas di atas, satu NADH dan satu FADH2 diproduksi. Pada akhir satu siklus. Asil lemak KoA dipersingkat oleh dua karbon. Asil lemak asil yang diperpendek kemudian mengalami siklus kedua untuk membebaskan asetil KoA lainnya. Siklus ini dilanjutkan sampai seluruh rantai asil Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 111

terdegradasi menjadi molekul asetil KoA. Dalam kasus asam palmitat, ada tujuh siklus seperti itu dan reaksi keseluruhan dapat diwakili oleh persamaan berikut. Palmitoil KoA + 7FAD + 7NAD+ + 7H2O + 7KoASH → 8 Asetil KoA + 7FADH2 + 7NADH + 7 H+ Gambar 11.3 Reaksi -oksidasi. (Dinesh, 2011) f. Hasil akhir β-oksidasi Untuk setiap putaran degradasi, satu FADH2, satu NADH2 dan satu molekul asetil KoA diproduksi. Energi dihasilkan oleh oksidasi β: 2ATP diproduksi dengan oksidasi FADH2; 3 ATP oleh NADH dan 12 ATP oleh degradasi asetil KoA (melalui siklus TCA). Oleh karena itu, saat asam palmitat teroksidasi sepenuhnya total ATP 131. 112 METABOLISME Intermediat

8 asetil KoA → 96 ATP + 7 FADH → 14 ATP + 7 NADH → 21 ATP 2 = 131 ATP 2 ATP yaitu, dua ikatan fosfodiester, digunakan selama aktivasi awal asam lemak. Oleh karena itu, keuntungan bersih ATP adalah 131-2, yaitu 129 ATP. Pengaturan -oksidasi Pengaturan tersebut terjadi melalui dua hal berikut, yaitu pasokan asam lemak dan serapan asam lemak mitokondria. 1. Pasokan asam lemak β-oksidasi diatur oleh pasokan asam lemak. Dalam batas yang agak luas, penggunaan asam lemak oleh jaringan sebanding dengan tingkat asam lemak bebas. Oleh karena itu, oksidasi asam lemak untuk sebagian besar diatur pada tingkat metabolisme jaringan adiposa. Selama puasa dan diabetes yang tidak terkontrol, misalnya sejumlah besar asam lemak bebas dilepaskan dari jaringan adiposa dan dioksidasi menjadi asetil KoA. 2. Serapan asam lemak mitokondria Langkah pengaturan tambahan adalah penyerapan asam lemak ke dalam mitokondria. Enzim asil KoA karnitin transferase I yang mengatur masuknya asam lemak ke dalam matriks mitokondria secara alosterik dihambat oleh malonil-KoA. Hal ini penting karena malonil- KoA adalah substrat untuk sintesis asam lemak dan konsentrasi sitoplasmanya tinggi setiap kali sintesis asam lemak dirangsang. Akan sia-sia untuk memiliki sintesis asam lemak yang terjadi pada saat yang sama, seperti degradasi asam lemak dan karenanya, substrat untuk sintesis asam lemak menghambat degradasi asam lemak (dalam hal ini dengan mencegah gugus asil ditransfer ke matriks mitokondria). SINTESIS ASAM LEMAK (DE-NOVO) Biosintesis asam lemak adalah proses di mana tubuh mengubah asetil-KoA dan malonil-KoA menjadi asam lemak. Asam lemak diperoleh dari diet dan sintesis de-novo (baru). Sebagian besar asam lemak memiliki kelipatan Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 113

dua atom karbon maka akan disintesis dari penambahan berturut-turut dari dua unit karbon, yang merupakan asetil KoA. NADPH diperlukan untuk reaksi reduktif dari jalur yang terjadi di sitosol sel. Elongasi rantai asam lemak berhenti pada pembentukan palmitat (16-C). Pemanjangan lebih lanjut (dan desaturasi) dilakukan oleh sistem enzim lain. Pada manusia, hati dan kelenjar susu adalah organ utama untuk sintesis endogen asam lemak, sedangkan jaringan adiposa, otak, dan ginjal terlibat pada tingkat yang lebih rendah. Hati mengubah karbohidrat makanan berlebih menjadi asam lemak dan triasilgliserol. Tahap Jalur Reaksi Jalur biosintetik terjadi dalam 3 tahap, yaitu: 1. Pengangkutan unit 2-karbon (asetil KoA) ke sitosol. 2. Konversi asetil KoA menjadi malonil KoA, dan 3. Reaksi kompleks asam lemak sintase. Berikut penjelasan tahap-tahap tersebut. 1. Pengangkutan, unit 2-karbon (asetil KoA) ke sitosol Sintesis asam lemak terjadi di kompartemen sitosol sel. Namun, asetil KoA prekursor dihasilkan dalam matriks mitokondria sebagai produk akhir dari berbagai proses katabolik. Ini harus mencapai sitosol dengan melintasi membran mitokondria. Akan tetapi, membran mitokondria bagian dalam (IMM) kedap terhadap sebagian besar molekul dan ion, termasuk asetil KoA. Pengangkutan asetil KoA melintasi membran mitokondria bagian dalam mengharuskan unit karbon pertama kali diubah menjadi sitrat yang mampu bergerak melintasi IMM. Di sitosol, sitrat dibelah untuk meregenerasi asetil CoA. Sitrat + KoASH + ATP Oksalo asetat + asetil KoA + ADP + Pi Dengan demikian, aksi terkoordinasi dari dua enzim sitrat, sintase dan sitrat liase maka asetil KoA secara efektif diangkut dari matriks mitokondria ke sitosol. Sementara itu, untuk sintesis asam lemak, oksaloasetat dikirim kembali ke mitokondria baik sebagai malat atau 114 METABOLISME Intermediat

sebagai piruvat. Ini diubah menjadi malat melalui malat dehidrogenase yang menggunakan NADH sebagai donor proton. Malat kemudian diubah menjadi piruvat oleh NADP+sehingga NADPH berkurang untuk persediaan lipogenesis. Piruvat kemudian ditranslokasi ke membran mitokondria untuk di siklus ulang lagi. Reaksi enzim malik secara teoritis dapat memasok setengah dari NADPH yang diperlukan untuk sintesis asam lemak. NADPH yang tersisa harus diperoleh dari jalur pentosa fosfat. Gambar 11.4 Transpor asetil KoA melalui IMM. (Dinesh, 2011) 2. Konversi asetil KoA menjadi malonil KoA Reaksi kunci dari sintesis asam lemak adalah kondensasi karbon- karbon. Hal ini membutuhkan masukan energi yang cukup besar, karenanya secara termodinamis tidak menguntungkan. Untuk mengatasi penghalang energi ini, asetil KoA perlu dikonversi menjadi bentuk aktif yang akan berfungsi sebagai donor unit karbon ke rantai Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 115

asam lemak yang tumbuh. Malonil KoA, senyawa 3-karbon, adalah salah satu bentuk yang diaktifkan. Ini diproduksi oleh karboksilasi asetil KoA. Reaksi dikatalisis oleh enzim asetil KoA karboksilase, dan membutuhkan energi bebas yang disediakan oleh hidrolisis ATP. Ini adalah reaksi carboxylation ATP-dependent yang khas, dengan biotin yang terikat. Enzim berfungsi sebagai pembawa kelompok karboksil. Malonil KoA tidak digunakan dalam jalur metabolik lainnya, karena reaksi ini merupakan langkah komitmen sintesis asam lemak. Ini juga berfungsi sebagai titik kontrol, karena aktivitas asetil KoA karboksilase secara allosterically dimodulasi oleh sitrat (modulator positif) dan palmitoil KoA (modulator negatif). Langkah pertama yang dilakukan dalam sintesis asam lemak adalah karboksilasi dari asetil KoA untuk membentuk malonil KoA yang dikatalisis oleh enzim yang mengandung biotin, asetil KoA karboksilase. 3. Reaksi kompleks asam lemak sintase Kompleks sintesis asam lemak adalah homodimer dari dua rantai polipeptida mengandung enam aktivitas enzim. Setelah pembentukan malonil-KoA, asam lemak terbentuk oleh kompleks enzim sintase asam lemak. Enzim yang diperlukan untuk sintesis asam lemak terkait dalam kompleks polipeptida multienzim ini yang menggabungkan protein pembawa asil (ACP), yang memiliki fungsi serupa dengan KoA dalam jalur β-oksidasi. Ini mengandung asam pantotenat vitamin di bentuk 4′-phosphopantetheine. Dalam struktur utama protein, domain enzim terkait dalam urutan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.5 Penggunaan satu unit fungsional multienzim memiliki keuntungan mencapai efek kompartementalisasi proses di dalamsel tanpa hambatan permeabilitas, dan sintesis semua enzim dalam kompleks dikoordinasikan karena dikodekan oleh gen tunggal. 116 METABOLISME Intermediat

Gambar 11.5 Mulltienzim Kompleks Sintesis Asam Lemak (Rodwell et al., 2015). Secara spasial, aktivitas enzim disusun menjadi tiga domain berbeda sebagai berikut. 1. Domain 1 mengkatalisis masuknya substrat asetil KoA dan malonil KoA oleh [ACP]- asetiltransferase dan [ACP]-malonil transferase dan kondensasi berikutnya dari dua pasangan oleh 3-oksoasil-[ACP]- sintase. 2. Domain 2 mengkatalisis konversi kelompok 3-okso ke gugus CH2 dengan 3-oksoasil-[ACP] reduktase, 3-hidroksil [ACP] dehidrogenase, dan enoil[ACP] reduktase. 3. Domain 3 berfungsi untuk merilis produk jadi oleh asil [ACP] hidrolase setelah tujuh langkah perpanjangan rantai. Reaksi Biosintesis Asam Lemak Awalnya, molekul asetil-KoA bergabung dengan kelompok sistein SH (Gambar 11.6). Sementara, malonil-KoA bergabung dengan SH yang berdekatan pada 4’-fosfopantetein ACP dari monomer lainnya. Reaksi ini dikatalisis oleh malonil asetil translase, untuk membentuk asetil (asil)- malonil. Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 117

1. Domain 1 adalah pembentukan 3 ketoasil enzim (enzim asetoasetil) yang dikatalisis dengan 3-ketoasil sintase. Secara spasial, aktivitas enzim-enzim ini termasuk dalam domain 1. Mulai dari masuknya substrat sampai terbentuk 3-enzim ketoasil. 2. Domain 2 mengkatalisis konversi dari kelompok 3-ketoasil ke kelompok CH2 sampai 3-ketoasil-reduktase, terjadi pengurangan menjadi 3-hidroksiasil-dehidratase dan mengalami dehidrasi untuk membentuk 2,3 asil jenuh. Kemudian terjadi pengurangan lagi hingga menjadi asil oleh enoil [ACP] reduktase. Dekarboksilasi memungkinkan selesainya reaksi ini dan kemudian menarik reaksi ke arah samping. Sintesis asam lemak melibatkan NADPH. NADPH berperan sebagai bahan pendukungnya saja. Pada biosintesis asam palmitat maka siklus yang dilalui ada sebanyak 7 kali. Hasil sintesis yang terakhir adalah palmitoil-S-ACP yang dibebaskan dari ACP-nya melalui reaksi hidrolisis dengan bantuan enzim tioesterase. Palmitat bebas harus diaktifkan ke asil-KoA sebelum bisa melanjutkan melalui jalur metabolisme lainnya. 3. Domain 3 berfungsi untuk mengeluarkan produk jadi setelah tujuh langkah perpanjangan rantai. Berikut adalah gambar reaksi biosintesis asam lemak berdasarkan domain dari multienzim kompleks. Secara keseluruhan, 1 asetil-KoA dan 7 malonil-KoA dikonversi dengan bantuan 14 NADPH + H+ menjadi 1 asam palmitat, 7CO O 6 H O, 8 2, 2, 2 KoA dan 14 NADP+. Asetil KoA karboksilase juga menggunakan tujuh ATP. Asetil-KoA yang digunakan sebagai primer membentuk atom karbon 15 dan 16 palmitat. Penambahan semua unit C2 berikutnya adalah melalui malonil-KoA. Propionil KoA bertindak sebagai primer untuk sintesis asam lemak rantai panjang yang memiliki jumlah atom karbon ganjil, ditemukan terutama pada lemak dan susu ruminansia. Pemanjangan Rantai Asam Lemak Terjadi di Retikulum Endoplasma Jalur ini “sistem mikrosomal” memanjangkan lemak asil-KoA jenuh dan tak jenuh (dari C10 ke atas) oleh dua karbon menggunakan, malonil-KoA sebagai donor asetil dan NADPH sebagai reduktan dan dikatalisis oleh 118 METABOLISME Intermediat

Gambar1 1.6 Biosintesis Asam Lemak (Murray et al., 2012). Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 119

sistem elongase asam lemak mikrosomal enzim (Gambar 11.7). Pemanjangan stearil-KoA di otak meningkat dengan cepat selama demielinasi untuk menyediakan asam lemak C22 dan C24 untuk sfingolipid. Gambar 11.7 Pemanjangan rantai asam lemak. (Rodwell et al., 2015) Langkah-langkah pemanjangan rantai terdiri atas kondensasi, reduksi, dehidrasi, dan reduksi. Ada empat langkah elongasi sebagai berikut, Kondensasi oleh 3-ketoasil ACP sintase: Reaksi kondensasi antara 120 METABOLISME Intermediat

kelompok asetil yang terpasang sebelumnya dan kelompok malonil membentuk 3-ketoasil ACP. Ini membebaskan gugus tiol perifer dari E3 yang telah ditempati oleh asetil KoA. Sebuah molekul CO2 dibebaskan dari gugus malonil selama kondensasi, dan ini (dekarboksilasi) memberikan “tarikan” untuk reaksi. 1. Reduksi oleh pengurangan oleh 3-ketoasil ACP reduktase: Kelompok keto direduksi oleh enzim ini untuk membentuk D-3-OH-asil ACP. Daya reduksi untuk reaksi ini disediakan oleh NADPH. 2. Dehidrasi oleh D-3-OH-asil ACP dehidratase: Sebuah molekul air dikeluarkan dari ACP D-3-OH untuk membentuk trans-Δ2-enoil ACP. 3. Reduksi oleh trans-Δ2-enoil-ACP reduktase: Trans-Δ2-enoil-ACP, terbentuk dalam reaksi sebelumnya, dikurangi oleh enzim ini untuk membentuk butiril ACP. NADPH berfungsi sebagai koenzim dalam reaksi ini juga. Reaksi akhir dari perpanjangan ini menghasilkan empat karbon butiril-ACP.Dengan demikian, gugus asil telah tumbuh lebih lama dengan dua atom karbon. Semua langkah enzimatik di atas dilakukan dalam domain enzim yang berbeda dari sintase asam lemak dengan lengan fleksibel dari kelompok fosfopantetein yang memindahkan gugus asil dari satu situs aktif ke yang berikutnya. Ketika sampai ke bagian terakhir dari urutan, gugus asil baru (di sini butirat) dilewatkan ke gugus residu sisteina perifer tios-SH (yang sebelumnya ditempati oleh asetil KoA) pada monomer lainnya. Kelompok sentral tiol ACP sekarang diisi ulang dengan kelompok malonil dan siklus elongasi diulang dengan cara yang sama, tetapi gugus asil sekarang lebih panjang dengan dua atom karbon. PENGATURAN BIOSINTESIS ASAM LEMAK 1. Ketersediaan sitrat dalam sitoplasma Sitrat yang terbentuk di mitokondria memiliki pilihan antara berkembang lebih lanjut dalam siklus TCA atau menyebar ke sitoplasma, di mana sitrat dapat memasok prekursor asetil KoA Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 121

untuk sintesis asam lemak. Prekursor KoA, sitrat juga secara alosterik menstimulasi enzim kunci dari lipogenesis, asetil KoA karboksilase. Titik kontrol kunci sintesis asam lemak adalah asetil KoA karboksilase, yang diatur oleh sitrat-modulator alosterik positif. 2. Pengaturan kegiatan enzim asetil KoA karboksilase Sintesis asam lemak diatur pada langkah asetil KoA karboksilase oleh mekanisme alosterik, kovalen modulasi, dan mekanisme induksi- penindasan sintesis enzim. Ini memberikan contoh kontrol yang baik pada langkah berkomitmen dari sebuah jalur. a. Modulasi alosterik: Asetil KoA karboksilase dapat ada dalam bentuk monomer yang tidak aktif (MW 400 kDa) dan bentuk polimer aktif (MW 6000–8000 kDa). Regulator alosterik yang paling penting adalah sitrat yang menstabilkan bentuk polimer aktif dan palmitoil-KoA yang memisahkan kompleks menjadi monomer yang tidak aktif. Dengan demikian, sitrat memiliki efek stimulasi dan palmitoil KoA memiliki efek penghambatan. Ini sepenuhnya logis, di bawah kondisi konsentrasi sitrat tinggi, penyimpanan energi diinginkan, tetapi penurunan sintesis asam lemak tepat ketika produk (palmitoil KoA) terakumulasi. b. Mekanisme kovalen melibatkan protein dependent protein kinase A/ fosfatase: fosforilasi menghambat aktivitas enzim dan defosforilasi mengaktifkan aktivitas enzim. Efek ini berada di bawah pengaruh hormon insulin mempromosikan defosforilasi dan dengan demikian menstimulasi aktivitas karboksilase. Glukagon atau epinefrin, di sisi lain, menonaktifkan enzim oleh fosforilasi cAMP- dependent. Dengan demikian, insulin meningkatkan sintesisasam lemak, sementara epinefrin dan glukagon menghambatnya (Gambar 11.8). c. Induksi-sintesis enzim dipengaruhi oleh diet: Sintesis asetil KoA karboksilase naik diatur dengan asupan karbohidrat/rendah lemak yang tinggi (insulin: rasio glukagon tinggi) dan turun diatur oleh diet rendah lemak dan kelaparan yang tinggi lemak (insulin rendah: rasio glukagon). 122 METABOLISME Intermediat

Gambar 11.8 Pengaturan hormonal asetil KoA karboksilase, enzim lipogenik kunci, dengan mekanisme kovalen (Dinesh, 2011). Akhirnya, aktivitas asetil KoA karboksilase dapat dikendalikan oleh muatan energi sel. Regulasi jangka pendek dipengaruhi oleh modulasi alosterik dan kovalen, serta mekanisme jangka panjang berkaitan dengan induksi atau represi aktivitas enzim. Titik kontrol kunci dari sintesis asam lemak adalah asetil KoA karboksilase, yang diinaktivasi oleh fosforilasi (oleh protein kinase tergantung cAMP), dan diaktifkan kembali oleh defosforilasi (oleh protein fosfatase 2A). Ini secara allosterically dirangsang oleh sitrat dan dihambat oleh palmitoil KoA. PERBANDINGAN SINTESIS ASAM LEMAK DAN OKSIDASI- Sintesis asam lemak dan β-oksidasi adalah jalur yang berbeda dan bukan kebalikan satu sama lain. Perbedaan tersebut dapat dilihat dalam tabel berikut. Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 123

Tabel 11.1 erbedaan oksidasi , asam lemak, dan sintesis asam lemak. Lokasi Oksidasi  Asam Lemak Sintesis Asam Lemak Partisipasi poliprotein Matriks mitokondria Sitosol Unit karbon Tidak Ya Koenzim Asetil KoA Pembawa gugus asil NAD+, FAD Malonil KoA Partisipasi CO2 KoA NADPH Bentuk stereoisomer dari gugus Tidak ACP 3-OH-asil L Ya D (Sumber: Dinesh, 2011). RANGKUMAN 1. Sintesis asam lemak rantai panjang terjadi di sitosol dan membutuhkan aktivitas asetil-KoA karboksilase (ACC) dan sintase asam lemak (FAS). Produk akhir lemak de-novo sintesis adalah asam palmitat. 2. ACC adalah enzim pembatas kecepatan dalam sintesis asam lemak. Enzim adalah subjek hingga regulasi jangka pendek dan jangka panjang yang kompleks. Ada dua bentuk, yaitu ACC, ACC1, dan ACC2 dengan ACC1 bertanggung jawab utama untuk memulai sintesis lemak dan ACC2 bertanggung jawab untuk mengatur masuknya lemak ke dalam mitokondria. 3. AT-Sitrat Liase (ACL) sangat penting untuk pengiriman asetil-KoA ke sitosol dari mitokondria sehingga dapat digunakan untuk sintesis lemak. Aktivitas nuklir ACL diperlukan untuk menyediakan asetil- KoA sebagai substrat untuk histon asetil transferase diperlukan untuk mengatur aktivitas gen. 4. Protein pengikat elemen respons, karbohidrat adalah faktor transkripsi yang penting mengoordinasikan ekspresi gen yang terlibat dalam lipogenesis serta karbohidrat metabolisme. Aktivitas ChREBP itu sendiri diatur oleh tingkat glukosa di dalamnya sel. 5. Perpanjangan dan desaturasi asam lemak terjadi di membran UGD dan juga di mitokondria. Jaringan mamalia mengekspresikan satu set enzim desaturasi, sehingga tidak dapat menyebabkan ikatan rangkap menjadi asam lemak di luar karbon 9. 124 METABOLISME Intermediat

6. Sintesis asam lemak omega-3 dan omega-6 dan turunannya memainkan peran penting dalam pengaturan berbagai aktivitas biologis. LATIHAN SOAL 1. Mengapa biosintesis triasilgliserol dalam sel jaringan adiposa memerlukan peningkatan pemasukan glukosa ke dalam sel? Jawaban Sel jaringan adiposa tidak dapat melakukan fosforilasi gliserol hasil lipolisis karena sel adiposa kurang mengandung enzim glisero kinase. Sebagai gantinya, diambil hasil glikolisis, yaitu gliserol 3-fosfat atau dihidroaseton fosfat. Akibatnya, makin tinggi kadar insulin plasma, makin tinggi kecepatan glikolisis dan makin banyak gliserol 3-fosfat yang tersedia, untuk esterifikasi asil KoA. 2. Manakah dari enzim berikut yang paling responsif, untuk perubahan peningkatan kadar insulin yang beredar pada peningkatan sintesis asam lemak? A. Asetil-KoA karboksilase. B. Liase ATP-sitrat. C. Sintase asam lemak. D Malonil-KoA dekarboksilase. E. Steroil-KoA desaturase. Jawaban A Aktivitas ACC dihambat oleh fosforilasi, baik ACC1 dan ACC2 menjalani fosforilasi. Peningkatan cAMP yang distimulasi oleh glukagon dan selanjutnya menyebabkan peningkatan aktivitas PKA fosforilasi dan penghambatan ACC. Pengaktifan efek insulin pada ACC sangat kompleks, tetapi sebagian terkait dengan penurunan kadar cAMP melalui insulin yang dimediasi aktivasi fosfodiesterase. Bab 11_ Metabolisme Asam Lemak 125

BAB 12 SIKLUS UREA TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari Siklus Urea mahasiswa dapat menjelaskan, yaitu: 1. Tahapan reaksi siklus urea, dan 2. Pengendalian siklus urea. Siklus urea adalah satu-satunya organ di mana sintesis urea terjadi dalam hati. Urea adalah produk ekskretoris utama pada manusia, terhitung rata- rata 86% nitrogen dihilangkan. Sisa nitrogen dihilangkan sebagai berikut: 4,5% oleh kreatinin, 2,8% sebagai ion amonium 1,7% sebagai asam urat dan 5,0% sebagai senyawa lainnya. Sekitar 30 gram urea diekskresikan per hari, jumlah yang diekskresikan tergantung pada asupan protein. Semakin tinggi asupan protein, semakin banyak sintesis dan ekskresi urea. TAHAPAN REAKSI SIKLUS UREA Urutan reaksi yang mengarah ke sintesis urea pertama kali diusulkan oleh Krebs dan Henseleit pada tahun 1932, lima tahun sebelum penjelasan siklus TCA. Siklus urea adalah jalur siklik pertama yang diidentifikasi. Dua reaksi pertama terjadi di mitokondria dan sisanya terjadi pada sitosol. 1. Pembentukan dari karbamoil fosfat Karbamoil fosfat terbentuk dari amonia dan karbon dioksida dalam reaksi yang membutuhkan energi. Dua molekul ATP diperlukan untuk mendorong reaksi ini ke depan. Enzim yang mengkatalisis langkah ini, karbamoil fosfat sintetase-I (CPS-I) merupakan enzim kunci (regulator). Enzim tersebut dalam konsentrasi yang sangat tinggi di 127

mitokondria hati dan untuk amonia tidak jauh lebih tinggi daripada konsentrasi amonia fisiologis. Sifat-sifat ini memungkinkan enzim untuk secara efektif menghilangkan amonia secara kuantitatif dari lingkungannya. Pada manusia, ada dua sintetase karbamoil fosfat yang berbeda secara imunologik yaitu, mitokondria (CPS-I) dan sitosol lainnya (CPS-II). a) CPS-I terlibat dalam ureagenesis menggunakan NH3 secara eksklusif sebagai donor nitrogen dan membutuhkan pengikatan N-Acetyl Glutamate (NAG) untuk aktivitasnya. N-asetil glutamat merupakan efektor positif CPS-I. b) CPS-II digunakan dalam sintesis pirimidin, tidak bergantung pada NAG dan menggunakan glutamin sebagai substrat. Karakteristik ini memungkinkan kompartementalisasi dari dua jalur. Salah satunya adalah degradatif untuk menghilangkan nitrogen dari tubuh, dan yang lainnya adalah sintetis untuk membangun dasar DNA atau RNA. Gambar 12.1 Reaksi dari Siklus Urea (Puri, 2011). 128 METABOLISME Intermediat

Gambar 12.2 Reaksi dan Senyawa antara Biosintesis Urea (siklus urea) (Murray et al., 2012). Keterangan. Reaksi dan zat antara biosintesis urea. Kelompok yang mengandung nitrogen yang berkontribusi pada pembentukan urea. Reaksi 1 dan 2 terjadi di matriks mitokondria hati dan reaksi 3. 4, dan 5 di sitosol hati. CO2 (sebagai bikarbonat), ion amonium, ornitinae, dan sitrulina, memasuki matriks mitokondria melalui jalur spesifik. Pembawa (titik merah) ada di membran dalam mitokondria hati. 2. Pembentukan sitrulin Karbamoil fosfat, suatu campuran anhidrida energi tinggi berkondensasi dengan ornitin (ornithine) untuk membentuk sitrulina (citrulline). Reaksi dikatalisasi oleh enzim mitokondria ornitin Bab 12_ Siklus Urea 129

bamoilase (trans ornithine transcarbamoylase). Sitrulina berdifusi keluar dari membran mitokondria, sehingga reaksi selanjutnya dari siklus urea terjadi di sitosol. 3. Kondensasi dari sitrulina dan aspartat Reaksi kondensasi kompleks antara sitrulina dan aspartat membentuk argininosuksinat. Reaksi dikatalisis oleh enzim sintetase argininosuksinat. Energi bebas diperlukan dalam reaksi ini yang disediakan oleh pemecahan pirofosfat ATP. Pemecahan pirofosfat memastikan reaksi ini merupakan reaksi irreversibel. 4. Pemecahan dari argininosuksinat Kerangka karbon aspartat dilepaskan sebagai fumarat, sementara nitrogennya tetap dalam siklus membentuk salah satu rantai samping nitrogen arginin. Reaksi dikatalisis oleh enzim argininosuksinat liase (juga dikenal sebagai argininosuksinase). 5. Pembentukan urea Pada langkah terakhir, arginin dihidrolisis oleh enzim arginase untuk membentuk urea. Produk lain dari reaksi ini, ornitin memasuki matriks mitokondria untuk berpartisipasi dalam siklus urea lagi. Siklus urea terkait dengan siklus TCA: Sintesis fumarat (reaksi 4) penting karena menghubungkan siklus urea dengan siklus TCA. Fumarat dikonversi menjadi malat yang pada gilirannya teroksidasi menjadi oksaloasetat. Oksaloasetat dapat berkondensasi dengan asetil KoA untuk membentuk sitrat, yang merupakan intermediat pertama dari siklus TCA. REGULASI SIKLUS UREA 1. Regulasi I ini bisa dikatakan sebagai regulasi buruk terjadi dengan mekanisme induksi represi. Enzim siklus urea diinduksi atau dihambat tergantung pada kebutuhan metabolik tubuh. Dalam kelaparan, enzim siklus urea diinduksi. Kegiatan mereka meningkat sebesar 10-20 kali lipat. Ini memungkinkan peningkatan pembentukan urea sebagai respons terhadap peningkatan katabolisme protein yang terjadi pada kelaparan. Selain itu, energi seluler rendah dalam kelaparan, yang 130 METABOLISME Intermediat

mengaktifkan glutamat dehidrogenase, sehingga menghasilkan peningkatan produksi amonia yang disalurkan ke siklus urea. Diet kaya protein juga mempercepat siklus urea, melalui aktivasi enzim regulator karbamoil-fofat sintetase. 2. Regulasi II ini regulasi baik, yang terjadi dengan modulasi alosterik. Enzim pengatur utama dari siklus urea adalah karbamoil fosfat sintetase-I, yang tunduk pada aktivasi alosterik oleh NAG. Transfer gugus asetil dari asetil KoA ke glutamat oleh enzim NAG sintase (NAGS) membentuk senyawa ini. Enzim NAG sintase berada di bawah modulasi alosterik positif, oleh arginin dan inhibisi produk oleh NAG. Tingkat glutamat yang tinggi juga menyebabkan peningkatan sintesis NAG. Situasi ini dapat terjadi ketika lebih banyak asam amino terdegradasi. Tingkat glutamat tinggi menyebabkan peningkatan NAG, maka peningkatan aktivitas CPS-I dan dengan demikian meningkatkan laju ureagenesis. Gambar 12.3 Laju Ureagenesis RANGKUMAN 1. Siklus urea merupakan jalur utama untuk mengubah nitrogen limbah dari katabolisme asam amino menjadi zat tidak beracun terlarut, yang mudah dikeluarkan. 2. Siklus berlangsung baik di sitosol dan mitokondria hepatosit. Bab 12_ Siklus Urea 131

LATIHAN SOAL 1. Mengapa siklus urea dibutuhkan tubuh? Jelaskan! Jawaban Siklus urea adalah reaksi pengubahan amonia (NH3) menjadi urea ((NH2)2CO). Reaksi ini terjadi di hati dan sedikit terjadi di ginjal. Amonia merupakan hasil degradasi dari asam amino yang bersifat racun sehingga dapat membahayakan tubuh (bersifat toksik) bila jumlanya berlebih di dalam tubuh. Tubuh manusia tidak dapat membuang amonia secara cepat sehingga perlu diubah menjadi urea terlebih dahulu yang bersifat kurang beracun. 2. Seorang bayi baru lahir berusia 3 hari dengan defisiensi mitokondria karbamoil-fosfat sintetase I, dengan gejala klinis kejang dan jatuh koma. Perubahan konsentrasi senyawa apakah dalam darah sebagai penyebab yang paling mungkin? A. Penurunan glukosa. B. Peningkatan amonia. C. Meningkatkan badan keton. D. Peningkatan laktat. E. Peningkatan urea. Jawaban B Kekurangan karbamoil fosfat sintetase I mencerminkan gangguan siklus urea (Urea Cycle Disorders/UCD) Benang merah kebanyakan UCD adalah hiperamonemia menyebabkan keracunan amonia. 132 METABOLISME Intermediat

DAFTAR PUSTAKA Baquer, N.Z. 2007. Intermediary Metabolism: Interrelationships of Metabolic Pathways. New Delhi: Jawaharlal Nehru University. Avalaible from: http://nsdl.niscair. res.in/bitstream/123456789/109/1/MetabolicPathways.pdf. Bender, D.A. and Mayes, P.A. 2015. Overview of Metabolism & The Provision of Metabolic Fuesls. Harper’s Illustrated Biochemistry, 30 Edn. New York: McGraw-Hill. Brownie, A.C. and Kernohan, J.C.A.D. 2013. Biochemistry: A Core Text With Self Assessment. Edinburg: Churchill Livingstone. Dinesh. P. (2011) Textbook of Medical Biochemistry. 3rd edn. Delhi: Elsevier Inc. Koolman, J. and Roehm, K. 2005. Color Atlas of Biochemistry. 2nd Edn. New York: Thieme. doi: 10.1016/S0968-0004(97)84080-7. Murray, R.K., et al. 2012. Harper’s Illustrated Biochemistry. 29th Edn. New York: McGraw-Hill. Pelley, J.W. 2012. Elsevier’s Integrated Review Biochemistry. 2nd Edn. Philadelphia: Elsevier Saunders. Puri, D. 2011. Textbook of Medical Biochemistry. 3rd Edn. Delhi: Elsevier Inc. Rodwell, V.W., et al. 2015. Harper’s Illustrated Biochemistry. 13th Edn. New York: McGraw-Hill Education. Srivastava, L.M. 2004. Interrelationship Between The Metabolism of Carbohydrate, Fats and Proteins. In Concepts of Biochemistry for medical students. CBS Publisher. pp. 307–21. 133