Metabolisme Intermediet_Secure

BAB 6 RANTAI TRANSPOR ELEKTRON DAN FOSFORILASI OKSIDATIF TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari metabolisme rantai transpor elektron dan fosforilasi oksidatif diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan sebagai berikut. 1. Peran transpor elektron dalam metabolisme. 2. Jumlah potensial reduksi rantai transpor elektron. 3. Pengendalian kompleks transpor elektron. 4. Hubungan antara transpor elektron dan fosforilasi. 5. Mekanisme penggandengan dalam fosforilasi oksidatif? (Kopling Kemiosmotik). 6. Inhibitor pernapasan digunakan untuk mempelajari transpor elektron. 7. Jumlah ATP dari oksidasi lengkap glukosa. Aliran elektron sepanjang rantai transpor elektron (ETC) adalah peristiwa final dalam respirasi seluler yang melepaskan energi untuk pembentukan ATP. Rantai transpor elektron tertanam di membran mitokondria bagian dalam. Setiap rantai terdiri atas serangkaian elektron pembawa molekul. Elektron bergerak dari satu protein pembawa ke yang lain secara bertahap. Setiap pembawa mampu menerima elektron (baik dengan atau tanpa proton yang menyertainya) dari pembawa sebelumnya dan menyumbangkannya ke berikutnya. Pada akhir ETC, elektron mencapai oksigen, akseptor elektron terakhir. Elektron untuk ETC diperoleh selama katabolisme bahan makanan, misalnya karbohidrat (terutama glukosa), asam lemak, dan asam amino. Ketika zat-zat ini mengalami oksidasi, mereka kehilangan elektron ke kofaktor reduksi-oksidasi NAD+ dan FAD+ untuk menghasilkan NADH dan FADH2. Apabila kofaktor berkurang dapat menimbulkan ATP dengan mentransfer elektron mereka ke rantai transpor elektron. Awalnya, elektron-elektron ini kaya energi, tetapi ketika mereka mengaliri ETC, 43

sebagian besar energi mereka hilang. Energi yang hilang dilepaskan dalam paket kecil. Sebagian besar digunakan untuk generasi ATP, sedangkan sisanya hilang (entropi). Aliran elektron sepanjang ETC (oksidasi) dan generasi ATP (fosforilasi) adalah proses yang digabungkan, bersama-sama disebut sebagai fosforilasi oksidatif. Fosforilasi mengikuti oksidasi jika yang terakhir dihambat, yang pertama juga terpengaruh. RANTAI TRANSPORT ELEKTRON (ETC) Sumber Elektron Untuk Rantai Transpor Elektron Elektron untuk ETC (Electron Transport Chain) dilepaskan selama jalur katabolik biomolekul, seperti karbohidrat, lemak, dan asam amino (Gambar 6.16) oleh aksi enzim yang dikenal sebagai dehidrogenase. Elektron-elektron ini kemudian disalurkan ke ETC. Gambar 6.1 Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif (Puri, 2011). Keterangan: Mengoksidasi NADH dan FADH2 dan memerangkap energi yang kemudian dilepaskan sebagai ATP. NADH dan FADH2 muncul dari semua jalur katabolik utama: glikolisis, (A) ; -oksidasi asam lemak, (B); katabolisme asam amino, (C); dan siklus TCA. 44 METABOLISME Intermediat

Koenzim Terkait dengan Dehidrogenase Pasangan elektron dibuang dari molekul substrat secara tidak langsung masuk ETC. Mereka pertama kali dipindahkan ke koenzim khusus, yaitu Nikotinamida Adenin Dinukleotida (NAD+) atau Flavin Adenin Dinukleotida (FAD). 1. Dehidrogenase tertentu disebut dehidrogenase yang dihubungkan dengan NAD (NAD+-linked dehydrogenases), mentransfer elektron ke NAD+ untuk membentuk NADH (Gambar 6.1). Gambar 6.2 Reaksi katalisis substrat dengan NAD+ (Puri, 2011). 2. Dehidrogenase lainnya, disebut dehidrogenase yang dihubungkan dengan FAD (FAD-linked dehydrogenases), mentransfer elektron ke FAD untuk membentuk FADH2 (Gambar 6.18). Gambar 6.3 Reaksi katalisis substrat dengan FAD (Puri, 2011) Lokasi dari Rantai Transpor Elektron Rantai transpor elektron berada di membran mitokondria bagian dalam (IMM). Jalur katabolik yang menghasilkan elektron untuk ETC terjadi di matriks mitokondria. Dengan demikian, ada jarak yang dekat antara jalur katabolik dengan ETC yang memastikan bahwa elektron diperoleh selama jalur ini dengan cepat ditransfer ke ETC. Selain itu, sistem sintesis ATP juga terletak di IMM. Ini memungkinkan pemanfaatan energi cepat, yang dihasilkan lebih awal selama aliran elektron, untuk sintesis ATP. Bab 6_ Rantai Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif 45

Gambar 6.4 Anatomi biokimia mitokondria (Puri, 2011). Mitokondria memiliki dua membran di sekitarnya, yaitu membran mitokondria bagian luar (OMM) dan bagian dalam (IMM). Membran mitokondria bagian luar memiliki struktur yang relatif sederhana yang mengandung pori-pori khusus sehingga membuatnya mudah ditembus oleh sebagian besar molekul kecil dan ion (Gambar 6.4). Beberapa enzim juga terletak di membran, IMM memiliki struktur yang lebih kompleks dan terspesialisasi yang berisi sejumlah komponen protein, seperti enzim, protein transportasi, beberapa rangkaian rantai transpor elektron, dan sistem sintesis ATP. Luas permukaan yang besar diperlukan untuk mengakomodasi semua komponen ini sehingga struktur membran sangat rumit dan banyak lipatan yang disebut krista. Fungsi krista untuk meningkatkan luas permukaan IMM beberapa kali lipat. Dengan demikian, IMM dari mitokondria tunggal dalam hati dapat mengandung lebih dari 10.000 set rantai transpor elektron dan molekul sintase ATP. Berbeda dengan OMM yang secara bebas permeabel, sedangkan IMM selektif permeabel. Berarti impermeabel untuk sebagian besar ion (H+,K+,Na+) dan molekul kecil (ADP, ATP), permeabel hanya pada beberapa senyawa: air, karbon dioksida, dan oksigen yang dapat bergerak bebas melintasi IMM. Pergerakan zat lain di membran dapat terjadi hanya melalui mediasi protein transpor spesifik. Kehadiran komponen protein ini membuat IMM kaya akan protein yang merupakan 75% atau lebih dari total berat membran dan sisa struktur membran dibentuk oleh lipid. Matriks mitokondria adalah ruang tertutup oleh IMM. Matriks ini mengandung larutan seperti gel di mana beberapa jalur katabolik, 46 METABOLISME Intermediat

misalnya siklus TCA, b-oksidasi asam lemak, dan oksidasi asam amino. Matriks mitokondria juga mengandung koenzim, seperti NAD+, NADP+ dan FAD, serta komponen reaksi fosforilasi, misalnya ADP, ATP, dan ion fosfat. Tahapan Transpor Elektron Komponen dari rantai pernapasan yang dapat difusibel secara bebas adalah NADH, ubikuinon, sitokrom c, dan oksigen. Sisanya sebagai konstituen kompleks protein besar (Gambar 6.5). Ada empat kompleks (I sampai IV) yang tertanam di IMM. Secara detail dan tepat dari kompleks ini tidak diketahui, sedangkan yang diketahui adalah: (i) mengandung banyak subunit polipeptida atau protein dan beberapa pusat zat besi, (ii) komponen-komponen kompleks ini dapat dengan mudah dikurangi atau teroksidasi, dan (iii) mentransfer elektron ketika kompleks ini membalik antara keadaan tereduksi dan keadaan teroksidasi. 1. Kompleks I Oksidasi NADH dimulai dengan kompleks I (juga disebut NADH- ubiquinone reductase atau NADH dehydrogenase complex), yang terdiri atas 28–41 subunit protein (tergantung pada spesies), FMN sebagai grup prostetik, dan sekitar 7-iron-sulfur (FeS) centers. Ini mentransfer elektron dari NADH ke ubikuinon melalui FMN dan pusat FeS: Substrat → NADH → FMNH → FeS → Ubikuinon 2 Kompleks 1 Ketika pasangan elektron mengalir dari NADH ke kompleks I, ia diterima bersama dengan ion H+, sehingga dua elektron dan dua H+ diterima secara total. Akibatnya, FMN diubah menjadi FMNH2. Elektron tersebut kemudian ditransfer dalam kompleks I ke gugus iron-sulfur, dan kemudian diteruskan ke ubikuinon, selanjutnya diubah menjadi ubikuinol (Gambar 6.5). Ubikuinon memiliki lengan panjang yang lentur dan mudah bergerak melalui IMM untuk mentransfer elektron ke enzim berikutnya, yaitu kompleks III. Bab 6_ Rantai Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif 47

Gambar 6.5 Kompleks terstruktur pembawa elektron yang berfungsi secara fungsional (Puri, 2011) 2. Kompleks III Kompleks III (kompleks ubikuinol-sitokrom c reduktase) sekali lagi menggunakan atom iron untuk menggerakkan elektron dalam strukturnya. Ini mengandung sitokrom b, iron-sulfur (FeS) centers (pusat belerang besi) disebut protein Rieske, dan sitokrom C1. QH → Sit b → FeS → Sit c → Sit c 21 Kompleks III 48 METABOLISME Intermediat

Gambar 6.6 Aliran elektron dari ubikuinol ke sitokrom c melalui kompleks, multiprotein kompleks III besar, yang terdiri atas sitokrom b, protein sulfur besi, dan sitokrom c1 (Puri, 2011). Gambar 6.6 menguraikan secara terperinci elektron yang melintas dari ubikuinol, melalui komponen sitokrom b, FeS, dan sitokrom c1 kompleks ini,dan interkonferensi ferric-ferrous yang menyertainya. Perhatikan bahwa sitokrom c adalah protein membran perifer yang terikat ke permukaan membran luar, yang mentransfer elektronnya ke kompleks IV. 3. Kompleks IV Kompleks IV (kompleks sitokrom oksidase) mengandung 13 polipeptida yang berbeda, dua kelompok haem, dan dua ion tembaga. Kompleks IV mentransfer elektron ke O2 yang merupakan akseptor terakhir untuk membentuk air. Kompleks ini mengandung dua sitokrom (a dan a3) yang berhubungan dengan besi haem dan tembaga. Sitokrom a dipasangkan dengan atom tembaga (CuA), sitokrom a3 dipasangkan dengan atom tembaga yang berbeda (CuB). Selama transfer elektron, atom-atom besi dari siklus haem berjalan antara besi dan besi, sementara siklus atom tembaga antara cuprous dan cupric. Reaksi oksidase sitokrom kompleks terjadi proses transfer empat elektron ke molekul oksigen untuk membentuk dua molekul air. Oksigen terikat erat antara haem a3 dan tembaga selama reduksi, dan itu dilepas hanya setelah pengurangan lengkapnya terhadap air. Bab 6_ Rantai Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif 49

4e- + O + 4H+ → 2H O 22 Karena tingginya afinitas oksidase sitokrom untuk molekul oksigen, fosforilasi oksidatif mendekati maksimum, bahkan pada tekanan oksigen rendah. 4. Kompleks II Kompleks II (suksinat-ubikuinon reduktase atau dehidrogenase suksinat = SDH) mengandung empat rantai polipeptida, yaitu dua yang pertama membentuk dehidrogenase (SDH), enzim siklus TCA, yang mengkatalisis reaksi berikut. Suksinat + FAD Fumarat + FADH2 Enzim SDH mengandung pusat-pusat sulfur besi di samping FAD terikat secara kovalen. Elektron dari FADH2 ditransfer ke ubikuinon (melalui sitokrom b560 dan FeS) dan dikurangi ke ubikuinol. Selanjutnya, proses akhir adalah mengurangi kompleks III. Suksinat → FADH2 → Sit b560 → FeS → CoQ Kompleks II Terbukti, dehidrogenase suksinat (dan flavoprotein mitokondria lainnya) melewati kompleks I dan melewatkan elektronnya secara langsung ke ubikuinon. Hasil ini hanya menghasilkan satu setengah (1.5) ATP ketika substratnya FADH2, dua setengah (2.5) ATP dihasilkan jika NADH digunakan sebagai substrat. Alasan ini bahwa satu ATP masing-masing dihasilkan di kompleks I, III, dan IV. Inhibitor dari Rantai Transpor Elektron Sejumlah inhibitor spesifik-situs diketahui memblokir transpor elektron sepanjang rantai pernapasan. Tindakan ini menghambat konsumsi oksigen dan menghentikan sementara sintesis ATP dari ADP dan Pi. Beberapa inhibitor umum sebagai berikut. (Gambar 6.7). 1. Rotenon: memblokir transfer elektron dari NADH ke ubikuinon. 50 METABOLISME Intermediat

2. Barbiturat: Selain rotenon, beberapa barbiturat (misalnya amital) menghambat aliran elektron melalui Kompleks I. 3. Antibiotik: Antibiotik, British Antilewisite (BAL) juga bertindak di Kompleks I, dan antibiotik lain, antimisin A, menghambat Kompleks III. 4. Sianida, karbon monoksida azida, dan hidrogen sulfida: Gambar 6.7 Situs penghambatan rantai pernapasan oleh obat-obatan tertentu, bahan kimia, dan antibiotik. (BAL, dimerkaprol, TTFA, agen pengikat Fe) (Murray et al., 2012). Inhibitor ini bekerja pada kompleks IV. Mereka mengikat protoporfirin besi di sitokrom aa3 yang posisi koordinasi keenamnya tidak ditempati oleh rantai samping asam amino, tetapi dicadangkan untuk oksigen. Sianida dan azida mengikat pada bentuk ferric dari besi; karbon monoksida berikatan dengan bentuk ferro. Hidrogen sulfida juga merupakan inhibitor yang kuat. Karbon monoksida tidak hanya menghambat aliran elektron, tetapi juga memiliki afinitas tinggi untuk hemoglobin dengan menambah toksisitas. FOSFORILASI OKSIDATIF Ada beberapa hipotesis yang diajukan untuk menjelaskan bagaimana energi dilepaskan selama aliran elektron sepanjang rantai respirasi digunakan untuk generasi ATP. Hipotesis untuk pembangkit ATP, terdiri atas sebagai berikut. Bab 6_ Rantai Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif 51

1. Hipotesis kopling kimia Hipotesis ini diusulkan oleh Edward Stater (1953), mendalilkan bahwa energi yang dilepaskan dari ETC menyebabkan pembentukan kovalen intermediat energi tinggi kemudian dipecah untuk melepaskan kandungan energinya yang digunakan untuk sintesis ATP. 2. Hipotesis kopling konformasional Hipotesis penggabungan konformasi yang diajukan oleh Paul Boyer (1964), berpendapat bahwa energi transpor elektron digunakan untuk mengubah konformasi protein tertentu yang terletak di IMM. Protein dengan konformasi diubah memiliki kandungan energi tinggi yang kemudian digunakan untuk generasi ATP. Gambar 6.8 Teori kemiosmotik fosforilasi oksidatif (Murray et al., 2012). Keterangan: Kompleks I, III, dan IV bertindak sebagai pompa proton membuat gradien proton melintasi membran, yang negatif pada sisi matriks. Gaya motif proton yang dihasilkan mendorong sintesis ATP saat proton mengalir kembali ke matriks melalui enzim sintase ATP. Uncoupler meningkat permeabilitas membran terhadap ion, meruntuhkan gradien proton dengan membiarkan H+ lewat tanpa melalui sintase ATP, dan dengan demikian melepaskan aliran elektron melalui kompleks pernapasan dari sintesis ATP (cytochrome Q, coenzyme Q, atau ubiquinone). 52 METABOLISME Intermediat

3. Hipotesis kemiosmotik Diusulkan oleh ahli biokimia Inggris Peter Mitchell (1961), hipotesis ini diterima secara luas. Menurut hipotesis, fosforilasi oksidatif terjadi dalam dua langkah sebagai berikut. a. Pembentukan gradien elektrokimia di IMM (Langkah I) Gradien elektrokimia dibangun dengan memompa proton keluardari matriks mitokondria. Pemompaan proton dipicu oleh energi yang dilepaskan oleh reaksi eksergonik redoks dari ETC. Proses ini menciptakan gradien proton sekitar 1,4 unit pH di seluruh IMM (di dalam alkali) sehingga membangun potensi membran 100-200 mV1 (dalam negatif). Konsentrasi dan potensi listrik bertambah hingga terbentuk gradien elektrokimia yang curam untuk proton. b. Pemanfaatan gradien ini menjadi bahan bakar sintesis ATP (Langkah II) Gradien elektrokimia merupakan sumber energi potensial (4,6 kkal/ mol) untuk pembentukan ATP. Enzim yang bertanggung jawab untuk memanfaatkan gradien ini untuk sintesis ATP dikenal sebagai ATP sintase. Ia juga dikenal sebagai ATPase, karena enzim yang diisolasi mampu mengkatalis hidrolisis ATP menjadi ADP dan fosfat anorganik. Gambar 6.9 memberikan pandangan yang lebih jelas tentang ATP sintase yang terdiri atas dua komponen: F0 dan F1. F0 tertanam dalam IMM, sedangkan F1 masuk ke dalam matriks mitokondria. Unit F1 (F1 singkatan dari “coupling factor 1“) adalah kompleks protein dari struktur subunit    dengan berat molekul 380 dDa. 33 Gambaran ini dapat divisualisasikan dalam mikroskop elektron, sebagai tombol kecil di permukaan bagian dalam membran mitokondria bagian dalam. Unit F1 melekat pada unit F0. Protein membran integral memiliki pori yang disebut saluran proton (Gambar 6.10). Bab 6_ Rantai Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif 53

Gambar 6.9 ATP Sintase. Proton ditranslokasi dari matriks mitokondria ke ruang intermembran. Didorong oleh reaksi redoks dari rantai pernapasan pada langkah I. Tiga kompleks yang ditunjukkan (I, II, IV) sebenarnya adalah situs pemompaan proton (Q= Ubiquinone, C= Cytochrome c) (Puri, 2011). Gambar 6.10 Mekanisme pada saluran proton. Proton dibiarkan mengalir kembali ke mitokondria. Melalui saluran proton spesifik dalam F0 saluran proton ini digabungkan ke enzim ATP sintesis (unit F1) (Puri, 2011). 54 METABOLISME Intermediat

Saluran proton sangat penting untuk generasi ATP. Ini karena IMM impermeabel terhadap proton, sehingga proton yang diekstrusi dalam ruang intermembran dapat memasuki kembali matriks mitokondria melalui saluran proton ini. Ketika proton ini bergerak ke dalam, energi yang melekat pada gradien elektrokimia dibebaskan sebagai paket terkonsentrasi. Paket energi ini siap digunakan oleh unit F1 untuk mensimulasikan sintesis ATP. Aksi sintase ATP dihambat oleh oligomisin antibiotik, yang terakhir berikatan dengan bagian F0 dari enzim ini dan menutup saluran proton. Akibatnya, jalur masuk kembali proton diblokir dan energi yang melekat dalam gradien elektrokimia tidak dapat digunakan untuk generasi ATP. Semakin banyak proton yang dipompa secara aktif maka konsentrasi proton di ruang antarradiasi meningkat. Akibatnya, menimbulkan kesulitan untuk memompa proton karena gradien yang meningkat dan transportasi elektron akhir juga berhenti. Pada tahap ini, sintase ATP dihentikan. Hipotesis kemiosmotik telah diterima secara luas karena dapat memberikan penjelasan untuk fenomena berikut. 1. Membutuhkan membran utuh untuk sintesis ATP oleh fosforilasi oksidatif. 2. Respirasi mitokondria menghasilkan gradien proton. 3. Senyawa tertentu (seperti DNP) menghentikan sintesis ATP tanpa menghambat transpor elektron dari NADH, atau suksinat, menjadi oksigen. Senyawa ini mencegah pembentukan gradien proton, yang menghentikan sementara sintesis ATP. Dengan demikian, mereka bertindak sebagai uncouplers dari fosforilasi oksidatif. RANGKUMAN Aliran elektron sepanjang rantai transpor elektron (ETC) adalah peristiwa final dalam respirasi seluler yang melepaskan energi untuk pembentukan ATP. Elektron untuk ETC diperoleh selama katabolisme bahan makanan, misalnya karbohidrat (terutama glukosa), asam lemak, dan asam amino. Aliran elektron sepanjang ETC (yaitu oksidasi) dan generasi ATP (yaitu Bab 6_ Rantai Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif 55

fosforilasi) adalah proses yang digabungkan bersama-sama yang, disebut sebagai fosforilasi oksidatif. 1. Elektron untuk ETC dilepaskan selama jalur katabolik biomolekul, seperti karbohidrat, lemak, dan asam amino (oleh aksi enzim yang dikenal sebagai dehidrogenase). 2. Rantai transpor elektron berada di membran mitokondria bagian dalam (IMM). Jalur katabolik yang menghasilkan elektron untuk ETC terjadi di matriks mitokondria. 3. Komponen dari rantai pernapasan yang dapat difusibel secara bebas adalah NADH, ubikuinon, sitokrom c, dan oksigen, sisanya sebagai konstituen kompleks protein besar. Ada empat kompleks (I sampai IV) yang tertanam di IMM. 4. Sejumlah inhibitor spesifik-situs diketahui memblokir transpor elektron sepanjang rantai pernapasan. Tindakan ini menghambat konsumsi oksigen dan menghentikan sementara sintesis ATP dari ADP dan Pi. 5. Ada beberapa hipotesis yang diajukan untuk menjelaskan bagaimana energi dilepaskan selama aliran elektron sepanjang rantai respirasi digunakan untuk generasi ATP, yaitu hipotesis kopling kimia, hipotesis kopling konformasional, dan hipotesis kemiosmotik. LATIHAN SOAL 1. Apa yang dimaksud dengan fosforilasi oksidatif? Jawaban Fosforilasi oksidatif adalah proses pembentukan ATP sebagai hasil transfer elektron dari NADH atau FADH2 ke oksigen (O2) oleh serangkaian pembawa elektron. Proses ini yang terjadi di mitokondria dan sebagai sumber utama ATP pada organisme aerob. 56 METABOLISME Intermediat

2. Manakah dari komponen mitokondria berikut transpor elektron dapat bertindak sebagai 1-elektron atau pembawa 2-elektron? A. Koenzim Q B. Koenzim Q dan flavin. C. Koenzim Q, sitokrom c, dan flavin. D. Koenzim Q, NADH, besi nonheme, sitokrom c, dan flavin. E. Koenzim Q, besi nonheme, sitokrom c, dan flavin. Jawaban B Hanya koenzim Q dan flavin mampu melakukan reaksi transfer 1 dan 2 elektron. Ubikuinon dapat mengalami reaksi 1 atau 2 elektron mengarah ke pembentukan kuinol tereduksi, itu kuinon teroksidasi, dan zat antara semikuinon. NADH dan FADH2 hanya dapat menjalankan wajib 2-elektron reaksi dan sitokrom hanya dapat bekerja reaksi 1-elektron. Bab 6_ Rantai Transpor Elektron dan Fosforilasi Oksidatif 57

BAB 7 TRICARBOXYLIC ACID CYCLE (SIKLUS TCA) TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari siklus TCA diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan sebagai berikut. 1. Peran siklus asam sitrat dalam metabolisme. 2. Jalur keseluruhan dari siklus asam sitrat. 3. Piruvat diubah menjadi asetil-KoA. 4. Energetika dari siklus asam sitrat, dan pengendaliannya. Siklus asam Tricarboxylic Acid Cycle (TCA) juga disebut siklus Krebs atau siklus asam sitrat merupakan jalur siklik yang terjadi di mitokondria, dan juga disebut sebagai ”jalur katabolik sentral”. Siklus ini menempati tempat sentral dalam katabolisme karena jalur katabolik yang melibatkan berbagai biomolekul asal beragam dan sifat kimia akhirnya berakhir pada siklus TCA. Produk akhir dari jalur ini adalah salah satu perantara siklus TCA. Misalnya, asam amino glikogenik menghasilkan piruvat, oksaloasetat, atau α-ketoglutarat; asam amino ketogenik menghasilkan asetil CoA (yang merupakan prekursor utama siklus TCA), dan produk akhir dari degradasi berbagai asam lemak dan karbohidrat juga asetil KoA (Gambar 7.1) Dengan demikian, siklus TCA disebut sebagai titik pertemuan di mana jalur katabolik berkumpul. FUNGSI SIKLUS TCA Siklus TCA melayani dua fungsi utama dalam metabolisme sebagai berikut. 1. Untuk menyediakan siklus penting pada metabolik intermediat untuk sintesis senyawa yang berguna. 59

2. Memecah beberapa senyawa untuk menghasilkan energi. Energi yang diperoleh ditangkap dengan mengurangi masing-masing NAD+ ke NADH dan FAD+ ke FADH . Untuk mendapatkan penggunaan penuh 2 energi yang dihasilkan dalam siklus ini, NADH dan FADH2, diproses oleh jalur lain (fosforilasi oksidatif) di mana energi mereka diubah menjadi ATP. Gambar 7.1 Siklus TCA sebagai titik pertemuan berbagai jalur katabolik (Puri, 2011). TAHAPAN SIKLUS TCA Reaksi yang ditimbulkan oleh berbagai enzim dari siklus TCA digambarkan pada Gambar 7.1. Semua enzim hadir dalam matriks mitokondria, kecuali dehidrogenase suksinat yang terletak di membran mitokondria bagian dalam. 60 METABOLISME Intermediat

Gambar 7.2 Reaksi dari Siklus TCA (Puri, 2011). Keterangan: Siklus asam sitrat (Krebs). Oksidasi NADH dan FADH2 dalam rantai pernapasan mengarah pada pembentukan ATP melalui fosforilasi oksidatif. Untuk mengikuti perjalanan asetil-KoA melalui siklus, 2 atom karbon, dari radikal asetil ditunjukkan label pada karbon karboksil (*) dan pada karbon metil (·). Meskipun 2 karbon atom hilang sebagai CO2 dalam 1 putaran siklus, atom tersebut bukan berasal dari asetil- KoA yang sudah langsung masuk siklus, tetapi dari bagian molekul sitrat yang diturunkan dari oksaloasetat. Namun, setelah menyelesaikan satu putaran siklus, oksaloasetat yang diregenerasi sekarang diberi label, yang mengarah ke CO2 berlabel yang berevolusi selama putaran kedua dari siklus tersebut. Suksinat adalah senyawa simetris, “pengacakan”. label terjadi pada langkah ini sehingga keempat atom karbon oksaloasetat tampak berlabel setelah 1 putaran siklus. Selama glukoneogenesis, beberapa dari label dalam oksaloasetat dimasukkan ke dalam glukosa dan glikogen. Situs penghambatan siklus TCA adalah fluoroasetat, malonat, dan arsenit. (Murray et al., 2012) Bab 7_ Tricarboxylic Acid Cycle (Siklus TCA) 61

Reaksi 1 Sintesis sitrat dari asetil KoA dan oksaloasetat Sitrat diproduksi oleh kondensasi asetil CoA dengan oksaloasetat dalam reaksi irreversibel yang dikatalisis oleh enzim sitrat sintase. Ekuilibrium reaksi terletak jauh ke arah kanan yaitu, menuju pembentukan sitrat Siklus Krebs atau asam sitrat (TCA: Krebs) mengambil nama dari intermediat stratum ini, yaitu sitrat. Namun, sitrat dapat meninggalkan siklus TCA untuk berpartisipasi dalam jalur metabolisme lainnya juga. Sitrat yang berlebihan melintasi membran mitokondria bagian dalam melalui pembawa trikarboksilat, spesifik (specific tricarboxylate carriers) dan mencapai sitosol, di mana ia menyediakan asetil CoA: Sitrat liase Sitrat Asetil KoA + OAA Dalam sitosol, asetil KoA berfungsi sebagai prekursor untuk sintesis asam lemak (lipogenesis). Selain itu, sitrat merangsang asetil KoA karboksilase, enzim pembatas laju sintesis asam lemak. Jadi, sitrat meningkatkan sintesis asam lemak dengan cara sebagai berikut. 1. Menyediakan substrat (yaitu asetil KoA). 2. Merangsang enzim kunci lipogenik (yaitu asetil KoA karboksilase). Di sitosol, sitrat memiliki peran penting, yaitu menyesuaikan laju glikolisis dengan siklus TCA. Ia melakukannya dengan menghambat fosfofruktokinase (PFK1), enzim penghambat laju glikolisis. Inhibisi enzim ini menurunkan laju glikolisis. Oleh karena itu, produksi asetil KoA turun. Hal ini menghasilkan penurunan tingkat siklus TCA karena asetil KoA diperlukan dalam reaksi pertama siklus TCA. Dengan cara ini, tingkat glikolisis dan TCA mengikuti satu sama lain. Jadi, ketika konsentrasi sitrat tinggi, menyiratkan bahwa sel cukup dipasok dengan molekul bahan bakar karena itu produksi energi lebih lanjut tidak diperlukan. Jalur katabolik yang menghasilkan energi (misalnya glikolisis dan siklus TCA) dihambat. 62 METABOLISME Intermediat

Reaksi 2 Isomerisasi sitrat Isomerisasi sitrat oleh enzim akonitase menghasilkan isositrat. Selama reaksi ini, intermediate enzim peralihan sementara terbentuk cis- akonitat. Reaksi 3 Dekarboksilasi oksidatif dari isositrat Enzim Isositrat Dehidrogenase (IDH) mengkatalisis penghapusan dua atom hidrogen dari isositrat (yaitu oksidasi) dengan pelepasan bersamaan dari molekul CO2 (yaitu dekarboksilasi). α-Ketoglutarate adalah produk reaksi. NAD+ berfungsi sebagai koenzim dalam langkah ini, dan diubah menjadi NADH dengan menerima sepasang atom hidrogen. NADP+ juga bisa berfungsi sebagai koenzim dalam reaksi ini. Isositrat dehidrogenase adalah salah satu dari beberapa enzim yang mampu menggunakan kedua NAD+ dan NADP+ sebagai koenzim. Reaksi 4 Dekarboksilasi oksidatif α-ketoglutarat Seperti langkah sebelumnya, yang satu ini juga melibatkan oksidasi dan dekarboksilasi. Reaksi dikatalisis oleh enzim α-ketoglutarat dehidrogenase, untuk menghasilkan suksinil KoA. Mekanisme konversi ini mirip dengan konversi piruvat menjadi asetil KoA. Set koenzim yang sama, yaitu tiamin pirofosfat, asam lipoat, FAD, NAD+, dan KoA. Masing-masing melakukan fungsi analog dengan yang dilakukan di kompleks dehidrogenase piruvat (PDH). Reaksi melepaskan molekul CO2 kedua dari siklus dan menghasilkan NADH kedua. Kesetimbangan reaksi terletak ke arah kanan, yaitu menuju pembentukan suksinil KoA. Reaksi 5 Pemutusan suksinil KoA Enzim suksinil KoA sintetase (juga disebut suksinat tiokinase) memotong ikatan tioester energi tinggi dalam suksinil KoA untuk melepaskan sejumlah besar energi bebas yang digunakan untuk menghasilkan molekul GTP. Bab 7_ Tricarboxylic Acid Cycle (Siklus TCA) 63

Reaksi ini memberikan contoh fosforilasi tingkat substrat, karena produksi fosfat berenergi tinggi (misalnya GTP) digabungkan dengan transformasi enzimatik dari molekul substrat. GTP dapat menghasilkan ATP dengan aksi enzim nukleosida difosfokinase. GTP + ADP → GDP + ATP Reaksi 6 Oksidasi suksinat Sepasang ekuivalen setara dihilangkan dari suksinat oleh enzim suksinat dehidrogenase untuk membentuk fumarat. FAD berfungsi sebagai koenzim dalam reaksi ini. Berbeda dengan enzim lain dari siklus TCA, yang terletak di matriks mitokondria, dehidrogenase suksinat terletak di membran mitokondria bagian dalam. Ini mengkatalisis penghapusan sepasang hidrogen dari suksinat dan mentransfernya ke FAD yang menjadi FADH2. Pada gilirannya mentransfer elektronnya ke ubikuinon, untuk menjadi ubikuinol, dan kemudian ditransfer ke kompleks III untuk oksidasi. Reaksi 7 Hidrasi fumarat. Penambahan molekul air pada fumarat untuk membentuk malat. Ini adalah reaksi reversibel, dikatalisis oleh enzim fumarase. Reaksi 8: Oksidasi malat. Penghapusan sepasang ekuivalen pengurangan setara dari malat oleh enzim malat dehidrogenase menghasilkan oksaloasetat. Reaksi menghasilkan molekul NADH ketiga dari siklus ini. Konversi malat ke oksaloasetat adalah reaksi terakhir dari siklus. Oksaloasetat. dihasilkan dalam langkah ini dan berkondensasi dengan molekul lain dari asetil KoA untuk memulai siklus lain. Persamaan berikut merangkum semua reaksi dari siklus TCA, dimulai dan diakhiri dengan asetil KoA sebagai berikut. Asetil KoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O → 2CO2+ 3NADH + 2H+ + FADH2 + GTP + KoA-SH 64 METABOLISME Intermediat

REGULASI SIKLUS TCA Regulasi Siklus TCA Gambar 7.3 Siklus TCA (Puri, 2011). Memiliki tahapan sebagai berikut. 1. Sintesis sitrat (Reaksi 1). 2. Dekarboksilasi oksidatif dari isositrat (Reaksi 3). 3. Dekarboksilasi oksidatif dari α-ketoglutarat (Reaksi 4). Sintesis Sitrat Ini adalah langkah pengaturan yang paling penting dari jalur siklus TCA. Seperti dalam kasus kebanyakan jalur metabolik, di mana langkah awal adalah langkah pengaturan laju untuk jalur secara keseluruhan. Langkah pertama siklus TCA juga paling penting dalam regulasi. Tingkat reaksi ini ditentukan oleh faktor-faktor berikut. Bab 7_ Tricarboxylic Acid Cycle (Siklus TCA) 65

1. Konsentrasi molekul substrat (yaitu oksaloasetat dan asetil KoA). Konsentrasi oksaloasetat adalah faktor paling penting dalam menentukan laju reaksi. Konsentrasi asetil KoA juga merupakan penentu penting untuk mendorong reaksi selanjutnya. 2. Modulasi alosterik enzim. Tahapan ini diaktivasi oleh enzim sitrat sintase, terutama diatur oleh suksinil KoA, yang menghambat aktivitas enzim dengan menurunkan afinitasnya untuk asetil KoA. Asil lemak KoA dan NADH juga bertindak sebagai modulator alosterik negatif dari enzim. Peningkatan kadar metabolit ini menunjukkan bahwa sel memiliki persediaan bahan bakar dan energi yang cukup. Dalam keadaan ini, siklus TCA, yang merupakan jalur penghasil energi, dihambat sehingga tidak ada produksi energi lebih lanjut. Dekarboksilasi Oksatif dari Isositrat Enzim yang mengkatalisis tahapan ini, yaitu dehidrogenase isositratyang diaktifkan oleh ADP dan dihambat oleh muatan energi tinggi dan tinggi rasio antara [NADH]: [NAD+]. Peningkatan kadar ADP mitokondria menunjukkan keadaan energi sel yang rendah dan sinyal kebutuhan untuk menghasilkan lebih banyak molekul fosfat berenergi tinggi yaitu, ATP. Stimulasi oleh ADP mempercepat siklus sehingga dapat menghasilkan ATP yang diperlukan. Dekarboksilasi Oksidatif dari -ketoglutarat Enzim yang mengkatalisis langkah ini, yaitu, α-ketoglutarat dehidrogenase secara alosterik dihambat oleh produknya sendiri (suksinil KoA dan NADH) dan oleh muatan energi yang tinggi. Jelas bahwa muatan energi rendah menstimulasi siklus TCA sehingga menghasilkan lebih banyak energi. Sebaliknya, muatan energi tinggi menghambatnya. 66 METABOLISME Intermediat

RANGKUMAN Siklus TCA pada dasarnya dirancang untuk mengoksidasi sepenuhnya karbon asetil-KoA menjadi CO2 dan H2O, sedangkan secara bersamaan menghasilkan pengurangan dalam jumlah besar pembawa elektron NADH dan FADH2. Namun, banyak sekali metabolit penting dihasilkan melalui pengalihan dari perantara siklus ke biosintetik jalur lainnya. Siklus TCA juga merupakan metabolisme penting jalur berkontribusi pada sintesis asam lemak. Asetil-KoA berasal dari oksidasi glukosa, atau dari oksidasi asam amino, dapat dialihkan dari mitokondria menjadi sitosol dalam bentuk sitrat. Ketika sitrat diangkut ke dalam sitosol, itu diubah menjadi asetil-KoA dan Oksaloasetat melalui aksi ATP sitrat liase. Ada asetil-KoA berfungsi sebagai substrat untuk biosintesis asam lemak dan kolesterol. LATIHAN SOAL 1. Seorang pecandu alkohol kronis berusia 56 tahun telah dibawa ke ruang gawat darurat dalam keadaan setengah sadar. Biokimia darah mengungkapkan hipoglikemia dengan kadar glukosa darah 45 mg/dL. Di antara senyawa (metabolit) perantara ketoglutarat, malat, oksaloasetat, piruvat, dan suksinat, manakah dari siklus TCA bisa langsung diubah menjadi fosfoenolpiruvat untuk jalur glukoneogenesis? Jawaban Oksaloasetat merupakan senyawa antara dalam siklus TCA yang berfungsi sebagai perantara kunci dalam glukoneogenesis. Di dalam mitokondria itu bisa diubah menjadi fosfoenolpiruvat (PEP) melalui aksi PEP karboksiginase. Bab 7_ Tricarboxylic Acid Cycle (Siklus TCA) 67

2. Dalam siklus TCA, GTP dihasilkan melalui suatu proses disebut sebagai fosforilasi tingkat substrat. Manakah dari enzim berikut yang terlibat dalam hal ini proses pembentukan GTP dari GDB? A. Sitrat sintase B. Isositrat dehidrogenase C. Malat dehidrogenase D. Sintetase suksinat-KoA E. Dehidrogenase suksinat Jawaban D Suksinil-CoA sintetase mengkatalisis konversi suksinil-KoA menjadi suksinat. Serentak reaksi menghasilkan GTP dari GDB, dengan memanfaatkan ikatan energi tinggi antara CoA dan suksinat. Pembentukan GTP ini disebut sebagai tingkat substrat fosforilasi untuk membedakannya dari produksi ATP selama fosforilasi oksidatif. 68 METABOLISME Intermediat

BAB 8 GLUKONEOGENESIS TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari jalur glukoneogenesis diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan, sebagai berikut. 1. Fungsi glukoneogenesis. 2. Substrat glukoneogenesis. 3. Pengaturan glukoneogenesis. Glukoneogenesis adalah sintesis glukosa dari senyawa selain karbohidrat disebut glukoneogenesis yaitu pembentukan gula baru. Berbagai biomolekul, seperti laktat, piruvat, gliserol (berasal dari triasilgliserol) dan asam α-keto (berasal dari katabolisme asam amino) adalah substrat untuk glukoneogenesis. Jalur ini penting karena beberapa organ, seperti otak dan eritrosit, bergantung secara eksklusif pada glukosa untuk kebutuhan energi. Meskipun degradasi glikogen yang disimpan juga dapat memberikan glukosa, namun glukoneogenesis merupakan satu-satunya sumber glukosa selama puasa dan kelaparan yang berkepanjangan. Glukoneogenesis terjadi terutama di hati dan pada tingkat lebih rendah di korteks ginjal. Jalur glukoneogenesis terletak terutama di sitosol meskipun beberapa prekursor diproduksi di mitokondria. JALUR GLUKONEOGENESIS Sebagian besar reaksi urutan glukoneogenesis (reaksi 7 dari 10) adalah pembalikan dari glikolisis, sedangkan 3 reaksi berikut ini unik untuk glukoneogenesis dan dikatalisis oleh serangkaian enzim yang berbeda. Tahapan jalur glukoneogenesis disebut langkah-langkah pemotongan (bypass). 69

1. Bypass pertama. Konversi piruvat menjadi fosfoenolpiruvat (PEP). 2. Selama konversi fosfoenolpiruvat menjadi piruvat dalam jalur glikolisis terjadi pelepasan sejumlah besar energi. Pada reaksi balik, yaitu konversi piruvat menjadi PEP selama glukoneogenesis diperlukan masukan jumlah energi bebas yang setara. Kondisi ini merupakan situasi termodinamis karena piruvat yang berada di mitokondria tidak bisa langsung keluar menuju sitosol untuk berubah menjadi PEP dengan membuat konversi dalam dua reaksi sebagai berikut. a. Konversi piruvat menjadi oksaloasetat: 1 ATP dihidrolisis. b. Konversi oxaloacetate ke PEP: 1 GTP dihidrolisis. Jadi, jumlah energi yang diperlukan untuk piruvat ke PEP: 1 ATP + 1 GTP. Konversi selanjutnya melibatkan empat langkah, yang terjadi sebagian dalam sitosol dan sebagian dalam matriks mitokondria (Gambar 8.1). Gambar 8.1 Sintesis fosfoenolpiruvat dari piruvat. (Puri, 2011) Konversi terjadi sebagian dalam sitosol, sebagian dalam mitokondria, dan dalam empat langkah (MC = monocarboxylate carrier, DC = dicarboxylate carrier, E1 = pyruvate carboxylase, E2 = malate dehydrogenase, E3 = phosphoenolpyruvate carboxy kinase). 70 METABOLISME Intermediat

a. Pengangkutan piruvat ke dalam matriks mitokondria. Piruvat bergerak melintasi membran mitokondria bagian dalam Innner Mitochondrial Membran (IMM) untuk memasuki matriks mitokondria melalui mediasi protein transpor spesifik, yang disebut pembawa monokarbosilat (monocarboxylate carrier). b. Piruvat dikonversi menjadi oksaloasetat. Piruvat, molekul 3-karbon diubah menjadi 4-karbon oksaloasetat oleh reaksi karboksilasi yang dikatalisis oleh piruvat karboksilase (E1), enzim mitokondria yang bergantung pada biotin. Piruvat + CO + H O + ATP → Oksaloasetat + ADP + Pi i 22 c. Pengangkutan oksaloasetat ke sitosol. Oksaloasetat mitokondria harus diangkut keluar dari mitokondria ke sitosol. Namun, oksaloasetat tidak dapat langsung melintasi IMM, diubah menjadi malat, sebuah molekul yang mampu melintasi IMM. Enzim dehidrogenase malat (E2) mengkatalisis reaksi ini. Oksaloasetat + NADH + H+ → Malat + NAD+ Malat, dibawa keluar dari mitokondria ke sitosol oleh pembawa dikarboksilat (dicarboxylate carrier). Di sitosol, oksaloasetat dikembalikan ke bentuk semula dari malat dengan pembalikan reaksi di atas. d. Konversi oksaloasetat menjadi fosfoenolpiruvat. Oksaloasetat dalam sitosol mengalami dekarboksilasi dan fosforilasi untuk menghasilkan fosfoenolpiruvat (PEP). 3. Bypass kedua. Konversi fruktosa 1, 6-bifosfat menjadi fruktosa 6- fosfat. Hidrolisis fruktosa 1,6-bifosfat oleh fruktosa 1,6-bifosfatase adalah reaksi kedua yang unik untuk glukoneogenesis. Jalur ini melewati reaksi fosfofruktokinase irreversibel juga memberikan jalur yang menguntungkan bagi pembentukan fruktosa 6-fosfat. Reaksi ini merupakan titik kontrol penting untuk glukoneogenesis. Bab 8_ Glukoneogenesis 71

4. Bypass ketiga: Konversi glukosa 6-fosfat menjadi glukosa. Glukosa 6-fosfatase mengkatalisis pembelahan hidrolitik dari ester fosfat untuk membebaskan glukosa bebas. Enzim ini berada di permukaan luminal membran Endoplasmic Reticulum (ER). Seperti reaksi fruktosa 1,6-bifosfatase, langkah ini juga tidak dapat diubah dan dengan demikian memberikan jalur yang menguntungkan bagi pembentukan glukosa bebas. Terlepas dari ketiga langkah ini, sisa dari tujuh langkah dari urutan glikolitik bersifat reversibel dan bekerja dalam glukoneogenesis juga. SUBSTRAT UNTUK GLUKONEOGENESIS Piruvat dan intermediat siklus TCA adalah substrat penting. Selain itu, berbagai molekul lain juga sebagai substrat pada jalur glukoneogenesis sebagai berikut. 1. Asam laktat Asam laktat yang diproduksi di otot rangka adalah substrat utama untuk glukoneogenesis (siklus Cori). Ini diubah menjadi piruvat (dalam hati) oleh reaksi dehidrogenase laktat, yang kemudian memasuki jalur glukoneogenesis. 2. Asam amino Asam amino glikogenik (semua, kecuali lisin dan leusina) dikatabolisme menjadi piruvat atau beberapa intermediat dari siklus TCA, yang dapat menghasilkan glukosa. Selama puasa dan kelaparan, asam amino glikogenik menjadi prekursor yang paling penting untuk glukoneogenesis. 3. Gliserol Gliserol diperoleh selama katabolisme triasilgliserol adiposa. Substrat ini memiliki tahapan glukoneogenesis di hati. Pertama, bereaksi dengan ATP untuk membentuk gliserol 3-fosfat yang teroksidasi menjadi dihidroksiaseton fosfat. Selanjutnya, menjadi senyawa intermediat glikolitik dapat diubah menjadi glukosa. 72 METABOLISME Intermediat

4. Propionat Katabolisme beberapa asam amino (metionina, isoleusina) dan asam lemak rantai ganjil menghasilkan propionil KoA, yang memasuki urutan reaksi untuk akhirnya menghasilkan suksinil KoA. Dalam siklus TCA, suksinil KoA sebagai senyawa intermediat dapat diubah menjadi glukosa. REGULASI GLUKONEOGENESIS Langkah-langkah bypass tertentu dari glukoneogenesis sangat penting karena berfungsi sebagai titik kontrol (regulasi) sebagai berikut. 1. Regulasi konversi piruvat menjadi oksaloasetat Enzim regulasi yang mengkatalisis langkah bypass adalah piruvat karboksilase, secara alosterik dihambat oleh ADP dan dirangsang oleh asetil KoA. Stimulasi oleh asetil KoA memastikan bahwa oksaloasetat yang dihasilkan oleh piruvat karboksilase cukup dapat berkondensasi dan menghasilkan sitrat (Gambar 9.2a). 2. Regulasi fruktosa 1,6-bifosfat menjadi fruktosa 6-fosfat ATP adalah modulator positif. Sementara AMP memengaruhi sebagai modulator negatif pada fruktosa 1,6-bifosfatase (Gambar 9.2). Oleh karena itu, laju glukoneogenesis ditentukan oleh muatan energi seluler, tercermin dari rasio ATP, ADP + AMP). a. Ketika muatan energi rendah, seperti yang ditunjukkan oleh peningkatan konsentrasi AMP interseluler, laju glukoneogenesis meningkat melalui penghambatan pembentukan fruktosa 1,6- bifosfat. b. Sebaliknya, ketika muatan energi tinggi, laju glukoneogenesis dihambat karena enzim glikolitik PFK1, dirangsang oleh AMP dan ADP, serta dihambat oleh ATP. Kedua jalur ini diatur secara timbal balik misalnya,ketika muatan energi sel rendah, glikolisis lebih dipilih, sedangkan glukoneogenesis dihambat. Bab 8_ Glukoneogenesis 73

Gambar 8.2 Regulasi glukoneogenesis (Puri, 2011). (a) Asetil KoA sebagai modulator alosterik positif dari piruvat karboksilase (PC) dan inhibitor kompleks piruvat dehidrogenase (PDH), (b) Peran berbagai modulator alosterik lainnya [(-) = menghambat reaksi, (+) = mempercepat reaksi, Fr-2,6 - BP = Fruktosa 2,6-bifosfat). 3. Regulasi hormonal Mekanisme di atas menghasilkan regulasi glukoneogenesis jangka pendek. Regulasi sehari-hari dipengaruhi oleh kerja hormon pada sejumlah enzim kunci. Insulin merepresi enzim glukoneogenik dan menginduksi sebagian besar enzim glikolitik. Efek ini diimbangi oleh glukagon dan antagonis insulin lainnya. a. Regulasi oleh glukagon Glukagon merupakan hormon peptida yang dihasilkan oleh sel endokrin di pankreas yang merangsang glukoneogenesis dengan mekanisme sebagai berikut. 1. Glukagon meningkatkan konsentrasi intraselular second messenger siklik AMP (cAMP), yang menyebabkan konversi bentuk aktif enzim piruvat kinase menjadi bentuk tidak aktif, Hal ini mengurangi konversi PEP ke piruvat dan yang proses sebelumnya dialihkan ke tahapan glukoneogenesis. 74 METABOLISME Intermediat

2. Glukagon mengurangi konsentrasi interseluler fruktosa 2,6- bifosfat. Senyawa ini adalah modulator alosterik negatif dari fruktosa 1,6-bifosfatase. Seperti dijelaskan sebelumnya, modulator positif berasal dari fosfofruktokinase (PFK1). Kedua faktor ini akhirnya mendukung glukoneogenesis. 3. Glukagon meningkatkan mobilisasi asam lemak dan oksidasi untuk menghasilkan asetil KoA, NADH, dan ATP. Senyawa ini menghambat kompleks PD, sedangkan asetil KoA menstimulasi karboksilase piruvat (Gambar 9.25a). Dengan demikian, piruvat yang tersedia tidak diubah menjadi asetil KoA, tetapi menjadi oksaloasetat untuk proses glukoneogenesis. 4. Glukagon menyebabkan induksi enzim kunci glukoneogenesis, yaitu fosfoenolpiruvat karboksikinase dan glukosa 6-fosfatase (dan mungkin juga karboksilase piruvat). a. Regulasi oleh insulin 1. Insulin menyebabkan represi enzim glukoneogenesis. b. Regulasi timbal balik glukoneogenesis dan glikolisis 1. Glukagon tidak hanya merangsang glukoneogenesis, tetapi secara bersamaan menghambat glikolisis. Modulasi alosterik juga memastikan bahwa enzim yang berlawanan dari dua proses ini tidak aktif pada saat yang bersamaan. 2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.26, senyawa memantulkan aksi kondisi energi sel yang tinggi, misalnya ATP, sitrat, dan asetil KoA, di mana secara alosterik merangsang enzim kunci glukoneogenik, tetapi menghambat enzim glikolisis. 3. Fruktosa 2,6-bifosfat juga memiliki efek berlawanan pada fosfofruktokinase (stimulasi) dan fruktosa 1,6-bifosfatase (penghambatan). Kadar fruktosa 2,6-bifosfat tinggi dalam keadaan makan (dan rendah dalam kelaparan) sehingga glikolisis dipercepat dan glikoneogenesis dihambat dalam keadaan makan. Selama kelaparan, glikoneogenesis meningkat karena kadar fruktosa 2,6-bifosfat rendah. Bab 8_ Glukoneogenesis 75

RANGKUMAN 1. Glukoneogenesis dilakukan terutama di dalam hati sebagai cara untuk memastikan normal homeostasis glukosa selama periode puasa. 2. Sumber utama karbon untuk glukoneogenesis hepatik adalah laktat, piruvat, dan alanin. 3. Glukoneogenesis diatur pada tingkat piruvat karboksilase (yang mutlak bergantung pada asetil-KoA sebagai aktivator alosterik), PEPCK, dan F1,6-BPase. 4. Regulasi glukoneogenesis pada level F1,6-BPase merupakan regulasi timbal balik dengan enzim glikolitik PFK1. 5. Pengiriman laktat dari darah ke hati dengan hati selanjutnya diberikan glukosa ke dalam darah disebut sebagai siklus Cori. 6. Pengiriman alanin, terutama dari otot rangka ke hati dengan pengiriman berikutnya, glukosa kembali ke otot melalui darah disebut sebagai siklus glukosa-alanin. LATIHAN SOAL 1. Pada kondisi apakah proses glukoneogenesis sangat diperlukan? Jelaskan! Jawaban Beberapa jaringan, seperti otak dan eritrosit,bergantung pada pasokan glukosa yang konstan. Jika jumlah karbohidrat yang dikonsumsi dalam makanan tidak cukup, tingkat gula darah dapat dipertahankan untuk waktu yang terbatas melalui degradasi glikogen hati. Jika cadangan ini juga habis, sintesis glukosa de-novo (glukoneogenesis) dimulai. Kondisi ini ditemui pada orang yang sedang berpuasa atau kelaparan. 76 METABOLISME Intermediat

2. Selama puasa, glikogen digunakan sebagai sumber glukosa untuk darah. Setelah glikogen hati habis, manakah dari hal berikut ini yang terjadi? A. Asam amino dari protein otot digunakan untuk mensintesis glukosa di hati. B. Glukosa darah turun di bawah 5 mm sampai karbohidrat dimakan. C. Asam lemak dari jaringan adiposa diubah menjadi glukosa di hati. D. Asam lemak hati terdegradasi sebagai prekursor gula darah. E. Glikogen otot digunakan sebagai sumber glukosa untuk darah. Jawaban A Selama puasa dan kelaparan ketika kadar glikogen hati habis, yang utama. Sumber atom karbon untuk glukoneogenesis hati adalah dari asam amino yang dilepaskan karena degradasi protein dalam otot rangka. Bab 8_ Glukoneogenesis 77

BAB 9 METABOLISME GLIKOGEN TUJUAN PEMBELAJARAN Setelah mempelajari metabolisme rantai transpor elektron dan fosforilasi oksidatif diharapkan mahasiswa dapat menjelaskan sebagai berikut. 1. Berbagai hal aspek sintesis dan degradasi molekul penyimpan karbohidrat utama dalam tubuh. 2. Regulasi metabolisme merupakan kunci, seperti halnya pemahaman tentang banyaknya penyakit itu mengubah metabolisme glikogen. Glikogen adalah bentuk penyimpanan karbohidrat terutama di hati dan otot rangka. Glikogen hepatik menghasilkan glukosa (karena adanya glukosa 6-fosfatase), sedangkan glikogen otot tidak mempunyai glukosa 6-fosfatase yang, berfungsi sebagai sumber bahan bakar metabolik untuk digunakan dalam otot. Glikogen sebagai cadangan energi, sama seperti pati pada tanaman. Konsentrasi jaringan glikogen dalam hati (6–8%) lebih tinggi dari pada otot (1–2%), tetapi karena massa relatif otot dan hati, mayoritas glikogen dalam tubuh disimpan dalam otot. Meskipun total penyimpanan glikogen hati (50–100 g) secara signifikan lebih rendah daripada di otot (200–300 gr), mereka terlibat dalam aktivitas vital, yaitu berfungsi sebagai lini pertahanan pertama terhadap penurunan kadar glukosa darah, terutama di antara jam makan. Glikogen otot sangat penting untuk metabolisme energi otot selama aktivitas fisik meskipun otot terutama bergantung pada lemak sebagai sumber energi. Fungsi glikogen hati sebagai cadangan untuk mempertahankan konsentrasi glukosa darah dalam keadaan puasa. Konsentrasi glikogen hati sekitar 450 mmol/L setara glukosa setelah makan turun menjadi sekitar 200 mmol/L setelah puasa semalam dan setelah 12–18 jam berpuasa, 79

glikogen hati hampir benar-benar habis. Meskipun glikogen otot tidak secara langsung menghasilkan glukosa bebas (karena otot kekurangan glukosa-6-fosfatase), piruvat yang dibentuk oleh glikolisis di otot dapat mengalami transaminasi ke alanin yang diekspor dari otot dan digunakan untuk glukoneogenesis di hati. SINTESIS GLIKOGEN (GLIKOGENESIS) Definisi Glikogenesis adalah proses pembentukan atau biosintesis glikogen yang terjadi terutama di dalam hati dan otot. Glikogen disintesis dari glukosa. Seperti kebanyakan proses anabolik lainnya, glikogenesis terjadi dalam sitosol dan membutuhkan input energi. Energi untuk glikogenesis berasal dari nukleotida energi tinggi, ATP, dan UTP. Nukleotida ini menyediakan energi untuk konversi molekul glukosa prekursor menjadi bentuk energinya, UDP-glukosa. UDP-glukosa (UDPG) berfungsi sebagai donor aktif dari residu glukosa yang ditambahkan ke molekul glikogen. Reaksi 1. Biosintesis glikogen melibatkan UDP-glukosa Aktivasi glukosa untuk membentuk UDP-glukosa (UDPG) terjadi dalam tiga reaksi berurutan. Prosesnya terjadi melalui beberapa reaksi berikut a. Reaksi 1: Glukosa difosforilasi di C-6 oleh glukokinase di hati (heksokinase di otot) untuk membentuk glukosa 6-fosfat. Glukokinase memiliki Km tinggi, yaitu afinitas rendah untuk glukosa. Vmax tinggi yang memungkinkan untuk cepat memfosforilasi glukosa dalam jumlah besar setelah makan, ketika konsentrasi glukosa tinggi b. Reaksi 2: Kelompok fosfat glukosa 6-fosfat kemudian bergeser dari karbon keenam ke karbon pertama dari molekul oleh fosfoglukomutase untuk membentuk glukosa 1-fosfat. 80 METABOLISME Intermediat

c. Reaksi 3. Aktivasi glukosa 1-fosfat menjadi nukleotida gula, uridina difosfat glukosa (UDPG) terjadi oleh enzim UDPG pyrophosphorylase. Glukosa 1-fosfat + UTP → UDPG + Ppi Pirofosfat yang diproduksi dalam reaksi ini dihidrolisis menjadi fosfat anorganik oleh pirofosfatase. Ini memastikan reaksi ireversibilitas. Gambar 9.1 Sintesis UDP-glukosa, bentuk glukosa aktif untuk sintesis glikogen (Dinesh, 2011) 2. Sintesis primer memulai sintesis glikogen. Uridin Difosfat Gliserat (UDPG) menyumbangkan residu glukosa ke rantai yang sudah ada (1 → 4) rantai glukosil yang disebut primer (glikogenin), yang akan menerima residu glukosa yang masuk. UDPG + Primer glikogen → UDP + Glikogen (residu n) (residu n + 1) Biasanya fragmen glikogen berfungsi sebagai primer. Fragmen tersebut diperoleh dari molekul glikogen yang sebagian terdegradasi di hati selama berpuasa atau di otot selama latihan. Namun, ketika penyimpanan glikogen habis, protein spesifik, yang dikenal sebagai Bab 9_ Metabolisme Glikogen 81

glikogenin, menyediakan tempat di mana primer dibentuk. Glikogenin mengandung residu tirosil spesifik, yang menerima glukosa pertama yang disumbangkan oleh UDPG. –Tirosil – OH + UDPG → Tirosil – O- glukosa + UDP Reaksi di atas dikatalisasi oleh glikogenin (autokatalisis) atau oleh enzim glikogen sintase. Lebih banyak residu glukosil yang berasal dari UDP glukosa, dirangkai secara berurutan dengan cara yang sama. Jadi rantai pendek (1 → 4) glukosil, yaitu primer dibentuk yang melekat pada protein. Gambar 9.2 Reaksi Sintesis Glikogen (Dinesh, 2011). Keterangan: UDPG berfungsi sebagai donor aktif dari residu glukosa. 3. Pemanjangan rantai oleh glikogen sintase. Primer (glikogenin) memanjang dengan penambahan residu glukosa berurutan. Glikogen sintase mengkatalisis reaksi ini. Enzim ini mentransfer residu glukosa dari UDPG ke ujung glikogen non pereduksi dalam ikatan (1 → 4) (Gambar 9.3). 82 METABOLISME Intermediat

UDPG + Glikogen → UDP + Glikogen (memanjang dengan satu residu glukosa) Reaksi ini telah ditunjukkan secara terperinci pada Gambar 2. UDP yang diproduksi dalam reaksi di atas diubah kembali menjadi UTP oleh enzim nukleosida difosfat kinase. UDP + ATP → UTP + ADP 4. Pembentukan cabang glikogen. Reaksi yang dibahas sejauh ini menghasilkan pembentukan rantai linear, tidak bercabang yang dihubungkan oleh ikatan glikosidik(1 → 4). Namun, glikogen adalah struktur bercabang. Titik-titik cabang diciptakan oleh aksi “enzim pemecah cabang” (enzim Bracing). Enzim ini mulai bekerja setelah glikogen sintase menambahkan setidaknya sepuluh unit glukosil (Gambar 9.3). Enzim bercabang menghilangkan satu blok dari lima hingga delapan residu glukosa dari ujung rantai yang tidak mereduksi dan mentransfernya ke lokasi yang lebih internal pada rantai yang sama atau lainnya. Blok yang ditransfer dilampirkan melalui ikatan α (1 → 6) dengan residu glukosa di lokasi baru. Enzim pemecah cabang juga disebut sebagai glukosil 4:6 transferase karena membentuk ikatan baru α (1 → 6) bukan ikatan α (1 → 4). Gambar 9.3 Mekanisme percabangan pada glikogenesis (Rodwell et al., 2015). Bab 9_ Metabolisme Glikogen 83

Hasil dari pengalihan blok residu ini merupakan bentuk baru dari akhir non-reducing. Lebih banyak residu glukosa dapat ditambahkan ke ujung ini. Dengan cara ini, percabangan meningkatkan jumlah ujung yang tidak mereduksi di mana residu glukosa baru dapat ditambahkan sehingga sangat mempercepat laju di mana sintesis glikogen terjadi. DEGRADASI GLIKOGEN (GLIKOGENOLISIS) Defnisi Jika glukosa dari diet tidak dapat mencukupi kebutuhan, maka glikogen harus dipecah untuk mendapatkan glukosa sebagai sumber energi. Proses ini dinamakan glikogenolisis. Glikogenolisis berlangsung dengan jalur yang berlainan. Dengan adanya enzim fosforilase, fosfat anorganik melepaskan sisa glukosa non mereduksi ujung, satu persatu untuk menghasilkan D-glukose 1-fosfat. Molekul glikogen menjadi lebih kecil, tetapi jarang molekul tersebut dipecah secara sempurna. Meskipun pada hewan, glikogen tidak pernah kosong sama sekali. Inti glikogen tetap ada untuk bertindak sebagai aseptor bagi glikogen baru yang akan disintesis bila diperoleh cukup persediaan karbohidrat. Hasil glikogenolisis sekitar 85% D-glukose 1- fosfat, sedangkan 15% dalam bentuk glukose bebas. Bentuk glukosa bebas berasal dari pemutusan ikatan α 1–6 glikosidik. Reaksi a. Aksi glikogen fosforilase. Glikogen fosforilase menghilangkan residu glukosa, satu per satu dari ujung glikogen non mereduksi (Gambar 9.4). Reaksi ini menggunakan fosfat anorganik (P1) untuk membelah ikatan α (1 → 4). Hal ini menghasilkan pelepasan residu glukosil terminal sebagai glukosa 1- fosfat. Reaksi disebut sebagai fosforolisis, yaitu pemecahan ikatan kovalen dengan penambahan gugus fosfat. Glikogen + Pi → Glikogen + Glukosa 1-fosfat (residu n) (residu n + 1) 84 METABOLISME Intermediat

Piridoksal fosfat adalah kofaktor penting dalam reaksi ini. Hal itu secara kovalen terikat ke protein enzim. Fosforilase hanya khusus untuk ikatan α (1 → 4). Fosforilase tidak dapat memecah ikatan α (1 → 6). Selanjutnya, enzim ini tidak dapat mendekati sisa glukosa percabangan dengan efisien. Dengan demikian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.4 fosforilase memotong sisa glukosa eksternal sampai cabang-cabang sekitar empat residu. Kemudian aksi glikogen fosforilase berhenti dan enzim pemutus cabang bereaksi (debranching). Gambar 9.4 Proses Glikogenolisis (Dinesh, 2011). b. Penghapusan cabang. Enzim kunci untuk menghilangkan titik cabang glikogen adalah enzim debranching yang memiliki aktivitas ganda, yaitu aktivitas glukosil 4.4 transferase dan aktivitas glukosidase (1 → 6). 1) Aktivitas 4.4 transferase: Tiga dari empat residu glukosil eksternal yang tersisa dibuang sebagai trisakarida dan dipindahkan ke ujung yang non mereduksi rantai terdekat (Gambar 9.34c). Tindakan ini melibatkan pembelahan ikatan (1 → 4) di satu situs dan pembentukan obligasi baru α (1 → 4) di tempat lain. 2) Aktivitas α (1 → 6) glukosidase: Residu glukosil tunggal yang tetap di titik cabang dihapus oleh α (1 → 6) glukosidase, untuk membebaskan glukosa bebas (Gambar 9.4d). Penghapusan titik cabang dengan cara ini memaparkan perangkat lain (1-4) keterkaitan, sampai titik cabang berikutnya. Ketika titik Bab 9_ Metabolisme Glikogen 85

cabang lain tercapai, maka dihapus oleh enzim debranching, dan selanjutnya siklus berlanjut. Dengan demikian, proses phosphorolysis/debranching, terjadi secara bergantian, dapat memecah molekul glikogen besar yang memiliki ribuan residu glikosil. c. Nasib unit Glukosil yang dilepas dari glikogen. Unit glukosil dilepaskan dari glikogen dalam dua bentuk, bentuk yaitu glukosa 1-fosfat dan glukosa bebas. Sekitar 85% glukosa dilepaskan sebagai glukosa 1-fosfat, dan hanya 1,6 residu percabangan yang dilepaskan sebagai glukosa bebas. Glukosa 1-fosfat kemudian diubah menjadi glukosa 6-fosfat oleh enzim fosfoglukomutase. Lebih lanjut, nasib glukosa 6-fosfat bervariasi tergantung pada jaringan. Hati memiliki enzim glukosa 6-fosfatase, yang membentuk glukosa bebas dari glukosa 6-fosfat. Glukosa ini dilepaskan ke darah untuk digunakan oleh jaringan yang membutuhkan. Otot kurang glukosa 6- fosfatase, sehingga tidak dapat berkontribusi pada glukosa darah. Glikogen otot digunakan untuk regenerasi energi metabolik (jalur glikolisis) dalam melatih otot itu sendiri. Berikut merupakan perbedaan antara glikogenolisis yang terjadi di hati dan otot. Tabel 9.1 Perbedaan glikogenolisis pada otot dan hati. No Otot Hati 1. Hanya sedikit glukosa yang terbentuk Bentuk glukosa bebas dengan glukosa karena tidak ada glukosa 6-fosfat. 6-fosfatase. 2. Dirangsang oleh adrenalin, glukagon tidak Glukagon adalah stimulator utama berpengaruh. glikogenolisis. 3. Dirangsang oleh AMP, tetapi dihambat Tidak ada efek AMP, tetapi glikogen oleh glukosa 6-fosfat. fosforilase hepatik dihambat oleh glukosa. (Sumber: Dinesh, 2011). Peran glikogen hati dan glikogen otot berbeda. Hati melepaskan glukosa bebas dalam sirkulasi darah, dan dengan demikian memainkan peran penting dalam homeostasis glukosa. Namun, depo glikogen hati hampir tidak cukup untuk mempertahankan konsentrasi glukosa 86 METABOLISME Intermediat

darah selama 12 jam puasa. Depo glikogen otot digunakan untuk membebaskan molekul bahan bakar, yaitu glukosa 6-fosfat, yang pada gilirannya digunakan dalam otot untuk menghasilkan energi metabolik (Tabel. 9.1). Gambar 9.5 Glikogenesis dan Glikogenolisis (Rodwell et al., 2015). REGULASI METABOLISME GLIKOGEN Sintesis dan pemecahan glikogen adalah aktivitas intraselular yang penting memiliki implikasi di luar sel. Keseimbangan antara kedua proses ini penting untuk: 1. Mempertahankan penyimpanan glikogen yang adekuat, dan 2. Untuk mempertahankan kadar glukosa darah normal. Kadar glukosa darah normal sangat penting untuk jaringan yang menggunakan glukosa sebagai substrat utama, seperti eritrosit, otak, medula ginjal, lensa, dan kornea mata. Oleh karena itu, pengaturan Bab 9_ Metabolisme Glikogen 87

ketat dari dua proses ini, yaitu glikogenesis dan glikogenolisis sangat penting. Pengaturan Kegiatan Glikogen Fosforilase Enzim pengatur untuk glikogenolisis adalah glikogen fosforilase. Aktivitas enzim ini diatur oleh modulasi kovalen melalui fosforilasi-defosforilasi, modulasi regulasi alosterik, dan ion kalsium. 1. Modulasi kovalen Studi tentang regulasi glikogen fosforilase sebagian besar dilakukan pada otot rangka. Enzim otot adalah protein dimer, yang terdiri atas dua subunit yang identik. Setiap subunit mengandung residu serin esensial, di mana gugus fosfat dapat melekat secara kovalen. Dengan demikian, glikogen fosforilase ada dalam dua bentuk, yaitu: a. Bentuk terfosforilasi yang disebut fosforilase a yang aktif secara katalitik. b. Bentuk deposforilasi yang disebut fosforilase b yang jauh kurang aktif. Kedua bentuk enzim ini dapat ditukar. Konversi dari fosforilase b inaktif, ke fosforilase a aktif, dikatalisis oleh enzim fosforilase kinase dan kemudian mengaktifkan fosforilase glikogen. Enzim lain, protein fosfatase-1, defosforilase, dan dengan demikian menonaktifkan glikogen fosforilase a (Gambar 9.6). Melalui aksi enzim-enzim ini, rasio fosforilase aktif dan tidak aktif dapat bervariasi yang akhirnya mengontrol laju glikogenolisis. Mekanisme yang sama juga bekerja di hati. 88 METABOLISME Intermediat

Gambar 9.6 Regulasi Glikogen Fosforilase (Dinesh, 2011). 2. Modulasi alosterik Modulasi aksi efektor alosterik. a. AMP: Glikogen fosforilase dalam otot dan jaringan ekstrahepatik lainnya dirangsang kuat oleh AMP (Gambar 9.36). Efek alosterik ini memastikan glikogen terdegradasi dengan cepat pada otot yang berkontraksi berat, untuk menyediakan substrat bagi glikolisis anaerobik. Konsentrasi AMP dengan cepat membangun kontraksi otot karena cepatnya produksi oleh pembelahan pirofosfat ATP. - ATP + AMP → Ppi b. Glukosa: Glikogen fosforilase di hati dihambat oleh glukosa, karena konsentrasi glukosa intraselular di hati mendekati kadar glukosa darah. Degradasi glikogen dalam hati diatur langsung oleh kadar glukosa darah. c. Glukosa 6-fosfat: Menghambat glikogenolisis otot. d. ATP: Glikogenolisis hati dan otot dihambat oleh ATP. Singkatnya, berbagai mekanisme yang dijelaskan memastikan bahwa glikogenolisis dirangsang ketika konsentrasi glukosa dan tingkat energi rendah, dan terhambat ketika konsentrasi glukosa dan tingkat energi tinggi. Bab 9_ Metabolisme Glikogen 89

3. Modulasi peraturan oleh ion kalsium Selama kontraksi otot, kalsium dilepaskan dari retikulum sarkoplasma dan mengaktifkan fosforilase kinase melalui protein modulasi kalmodulin-kalsium. Enzim ini menyebabkan fosforilasi glikogen fosforilase dan karenanya meningkatkan glikogenolisis (tanpa melibatkan cAMP). Pengaturan Enzim oleh Glikogen Sintase Enzim pengatur glikogenesis adalah glikogen sintase. Pengaturan aktivitasnya dipengaruhi oleh mekanisme berikut, yaitu pengaturan alosterik, dan modulasi kovalen. 1. Modulasi kovalen Aktivitas glikogen sintase juga diatur oleh fosforilasi-defosforilasi, seperti pada kasus glikogen fosforilase. Namun, ada perbedaan utama, yaitu glikogen sintase lebih aktif dalam bentuk defosforilasi dan kurang aktif dalam bentuk terfosforilasi (Gambar 9.7). Dengan demikian, ia diaktifkan oleh protein kinase dan diberikan kurang aktif oleh protein fosfatase-1. Penting untuk dicatat bahwa relasi fosfoid simultan dari kedua glikogen-fosforilase dan sintase akan mengubah sel dari sintesis glikogen menjadi katabolisme glikogen. Hal ini mencegah siklus sia- sia. Gambar 9.7 Regulasi Glikogen Sintase (Dinesh, 2011) 90 METABOLISME Intermediat

2. Pengaturan alosterik Glukosa 6-fosfat adalah pengaktif glikogenesis yang kuat. Ia melakukannya dengan merangsang protein fosfatase-1 sehingga glikogen sintase diubah menjadi bentuk aktif (defosforilasi). Ini juga menyebabkan stimulasi alosterik langsung dari aktivitas glikogen sintase. Dalam jaringan otot, glukosa 6-fosfat tidak hanya merangsang sintase glikogen, tetapi juga menghambat aktivitas glikogen fosforilase. Pengaturan Hormonal Metabolisme Glikogen Glukagon dan epinefrin bertindak melalui cAMP, terutama terlibat dalam pengaturan metabolisme glikogen. Glukagon bekerja pada sel hati dan epinefrin bekerja pada sel hati dan otot. Hormon-hormon ini menstimulasi glikogenolisis dan menghambat glikogenesis. Insulin, di sisi lain menstimulasi glikogenesis dan menghambat glikogenolisis. 1. Peran glukagon dan epinefrin Kedua hormon ini mengaktifkan enzim membran adenilat siklase, yang mengkatalisis pembentukan cAMP dari ATP (Gambar 9.3). cAMP mengikat protein kinase A (PKA, juga disebut protein kinase tergantung cAMP), protein tetramerik. Pengikatan cAMP mengaktifkan enzim ini dengan membiarkan subunit katalitiknya bebas. Aktivasi PKA memiliki konsekuensi inhibisi glikogenesis dan stimulasi glikogenolisis: 1) Inhibisi glikogenesis: PKA aktif menyebabkan fosforilasi glikogen sintase, karena glikogen sintase terfosforilasi kurang aktif, glikogenesis dihambat. 2) Stimulasi glikogenolisis: PKA aktif merangsang glikogenolisis dengan mekanisme ganda, seperti yang dibahas di bawah ini. a) PKA ini mengkatalisis fosforilase kinase yang ada sebagai bentuk terdefosforilasi aktif dan bentuk terfosforilasi aktif. Dengan demikian, fosforilase kinase sekarang diaktifkan. dan pada gilirannya memfosforilasi glikogen fosforilase b, mengubahnya menjadi fosforilase a, yang sekarang melakukan dehidrasi cepat glikogen (Gambar 9.8). Bab 9_ Metabolisme Glikogen 91

b) PKA aktif memfosforilasi protein yang disebut inhibitor-1,yang kemudian distimulasi. Protein ini menghambat protein fosfatase-1, enzim yang biasanya menyebabkan inaktivasi glikogen fosforilase a. Efek keseluruhannya adalah glikogen fosforilase suatu dosis tidak dapat diinaktivasi dan “dikunci”, dalam bentuk aktif (terfosforilasi) memberikan stimulus persisten untuk glikogenolisis (Gambar 9.8). Inhibisi protein fosfatase-1 mengunci glikogen sintase dalam bentuknya tidak aktif (terfosforilasi), sehingga menekan glikogenesis. Gambar 9.8 Pengaturan Hormonal (Dinesh, 2011). 92 METABOLISME Intermediat

2. Peran insulin Insulin adalah hormon kunci yang menstimulasi sintesis glikogen. Insulin ini dilepaskan saat dalam keadaan makan dan mengaktifkan fosfatase intraselular, yang menyebabkan defosforilasi glikogen sintase. Defosforilasi menyebabkan enzim ini diaktifkan, menghasilkan sintesis glikogen yang meningkat. Selain itu, insulin menstimulasi ambilan glukosa oleh otot, menyediakan molekul substrat untuk sintesis glikogen. Defosforilasi glikogen fosforilase menyebabkan penurunan seiring laju glikogenolisis. Akhirnya, insulin meningkatkan aktivitas fosfodiesterase (mendegradasi cAMP) di hati, yang menurunkan tingkat cAMP. Ini meningkatkan glikogenesis dan menekan glikogenolisis. Glikogen disintesis di jalur glikogenesis (enzim utama, glikogen sintase) dan terdegradasi oleh pembelahan fosfololitik (enzim utama, glikogen fosforilase) di jalur glikogenolisis. Kedua jalur tersebut secara timbal balik diatur oleh hormon dan metabolit. RANGKUMAN 1. Glikogen merupakan bentuk penyimpanan utama karbohidrat dari mana glukosa dapat dilepaskan selama periode puasa, kelaparan, dan metabolisme aerobik khususnya dalam otot rangka. 2. Dua situs utama untuk penyimpanan glikogen adalah hati dan otot rangka. Hati glikogen memungkinkan hati merespons kadar glukosa darah rendah dan segera dilepaskan glukosa yang disimpan ke darah untuk digunakan oleh jaringan hati ekstra. Di dalam otot rangka, glikogen memungkinkan jaringan ini untuk merespons periode metabolisme aerobik dengan mudah melepaskan glukosa ke kolam glikolitik. 3. Pelepasan glukosa dari glikogen tidak memerlukan masukan energi sejak pelepasan adalah reaksi fosforilitik yang dikatalisis oleh fosforilase. 4. Regulator utama yang dimediasi hormon untuk sintesis dan pemecahan glikogen adalah cAMP, yang mengaktifkan PKA. Glukagon merangsang produksi cAMP yang mengarah ke penghambatan sintesis Bab 9_ Metabolisme Glikogen 93

glikogen dan aktivasi glikogenolisis. Sebaliknya, insulin merangsang hidrolisis cAMP, membalikkan efek glukagon. 5. Epinefrin juga merangsang glikogenolisis melalui aktivasi reseptor b- adrenergik yang menghasilkan peningkatan produksi cAMP. 6. Otot rangka menyebabkan pelepasan kalsium yang tersimpan dari retikulum sarkoplasma. Kalsium kemudian mengaktifkan fosforilase kinase, menghasilkan fosforilasi, dan penghambatan sintase glikogen sekaligus memfosforilasi dan mengaktifkan fosforilase. 7. Kekurangan banyak enzim yang menyebabkan sintesis glikogen dan kerusakan gangguan ringan sampai berat. Gangguan ini terutama memengaruhi hati dan atau tulang otot dan karena itu, bermanifestasi dengan gejala yang berhubungan dengan cacat dalam metabolisme fungsi di dua jaringan ini. LATIHAN SOAL 1. Jenis ikatan unit glukosa apakah yang terkandung dalam glikogen? Jawaban Senyawa glikogen merupakan senyawa kompleks, yaitu suatu polimer yang terdiri atas molekul glukosa yang saling terikat melalui rantai lurus ikatan α 1–4 glikosidik di mana setiap 10 residu membentuk ikatan cabang α 1–6 glikosidik 2. Regulasi metabolisme glikogen dikontrol dengan ketat pada tingkat aktivitas glikogen fosforilase. Manakah dari berikut ini yang diketahui bertindak sebagai efektor negatif dari terfosforilasi (kebanyakan aktif) bentuk glikogen fosforilase? A. AMP B. cAMP C. Ca2 + D. Glukosa 6-fosfat E. Protein kinase A 94 METABOLISME Intermediat