Laporan Biokimia Modul NeuroscienceDeskripsi lengkap
Deskripsi lengkap
r :
BIOKIMIA
0*\PRTN '
fSu'T^rV /’VVmWUC% -H * ~" ‘
H+
HARPER «.*\WJ . • w«r.
Buku asli berstiker hologram 3 dimensi
BBOKIMIIA
Kutipan Pasal 72: Sanksi Pelanggaran Undang-Undang Hak Cipta (Undang-Undang No. 19 Tahun 2002) 1.
2.
Barangsiapa dengan sengaja dan tanpa hak mclakukan perbuatan sebagaimana dimaksud dalam Pasal ayat (1) dipidana dengan pidana penjara masing-masing paling singkat 1 (satu) bulan dan/atau denda pa mg sedikit Rp. 1.000.000.00 (satu juta rupiah), atau pidana penjara paling lama 7 (tujuh) tahun dan atau c cnc a paling banyak Rp.5.000.000.000,00 (lima miliar rupiah). Barangsiapa dengan sengaja menyiarkan, memamerkan, mengedarkan, atau menjual kepada unnim suatu eiptaan atau barang hasil pelanggaran Hak Cipta atau Hak Terkait sebagaimana dimaksud pada dipidana dengan pidana penjara paling lama 5 (lima) tahun dan/atau denda paling banyak Rp.500.000.( ) (lima ratus juta rupiah).
(Harper’s Illustrated Biochemistry) PENTING DIKETAHUI buku umuk diterhitka pepgara"g untuk menerbitkan sebuah buku. Bersama pengarang, pcnerbit mcnciptakan pengaran^ memeo V] , ener memPunya* ^ak atas penerbitan 1 buku tersebut scrta distribusinya, scdangkan penerbit °° ^ ^aran8annya dan berhak mcndapatkan royalti atas penjualan bukunya dari
Percetakan adalah perusahaan yaniz memiliL-; i hak apa pun dari buku yang dicetaknvl T da" menJualJasa Pencetakan. Percetakan tidak memihk, C
,
-..
E D I S I 27
-.-i •
dicetaknya kecuali upah. Percetakan tidak bertanggung jawab atas ISI buku yang
Robert K. Murray, MD, PhD
Pengarang adalah pencipta buku yang menvpmi u miliki hak penuh atas karangannya - y ankan naskahnya untuk diterbitkan di sebuah penerbit. Pengarang mcyang ditunjuknya sesuai batas bata
amUn men cra lkan
y *
*iak penerbitan dan distribusi bukunya kepada penerbit atas karyanya dari penerbit sesuai^
yang d,tentukan dala
m
perjanjian. Pengarang berhak mcndapatkan royalti en an S ketentuan di dalam perjanjian Pengarang-Penerbit. Pembajak tidak mempunyai hak m eu"tu.ngan dar> kepakaran pengarang dan kcbutuhan bclajar masyarakat. mcmiliki hak
menggandakan, mcndistribusikan, dan menjual tidak peduli atasjerih payah penga^ r d u n g i
ataupun perjanjian pengarang-pcnerbit. Pembajak siapkan naskah mulai dari pemilihan i
PEMBAJAKAN BUKU ADALAH KRIMINAL! Andajanganmenggunakanbukubaiakan Ho ■ mi mc guru. nghargai jerih payah para pengarang yang notabenc adalah para
P
U pemba ak da
J
perjanjian dengan pihak manap^n Cd,tlng samPai persiapan pracetak, tidak membayar royalti, dan tidak
Daryl K. Granner, MD
Joe C. Davis of Biomedical Scien Director, Vanderbilt Diabetes Certer Rinnhvsics Professor of Molecular Physiology an and of Medicine Vanderbilt University Nashville, Tennessee Professor
Pembajak adalah pihak yang mengambil k buku yang digandakannya karena tidT rr
Professor (Emeritus) of Biochemistry University of Toronto Toronto, Ontario
at ,ebih murah karena
co
Pyright
mereka tidak perlu memper- terikat
Victor W. Rodwell, PhD
Professor of Biochemistry Purdue University West Lafayette, Indiana Alih Bahasa: dr. Brahm U. Pendit Editor Edisi Bahasa Indonesia: dr. Nanda Wulandari dr. Leo Rendy dr. Linda Dwijayanthi dr. Liena dr. Frans Dany dr. Luqman Yanuar Rachman
16. Tinjauan Umum Mctabolismc & Penyediaan Bahan Bakar Metabolik David A. Bender, PhD c~ Peter A. Mcyes, PhD\ DSc........................................................................................................... 139 17. Siklus Asam Sitrat: Katabolisme Asetil-KoA
Dand A. Bender. PhD c~ Peter A. Myes, PhD, DSc...................................................!......................................................... 152 jx 1 5
Anggota IKAPI BAGIAN I. STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM Desain kulit muka: Yohanes Duta Kumia Utama 3. Asam Amino & Peptida Hak cipta dilindungi Undang-Undang. -k maupun Peter J. Kennelly, sebagian PhD & Victor Rodwell,isiPhD ................................ Dilarang memperbanyak atauW.seluruh buku ini dalam bentuk.................................................................................. apa pun, baik secara elcktroni * mekanik, termasuk 14 memfotokopi, dengan meneeunakan sistem penyimpanan lainny., tertulis dari Penerbit. 4. Protein: merekam, Penentuanatau Struktur Primer Cetakan 2012 Peter]. Kennelly, PhD &Victor W. Rodwell, PhD...................................................................................................................... 5.
22
Protein: Struktur Ordo Tinggi
Peter J. Kennelly, PhD e* Victor W. Rodwell, PhD..................................................................................................................
32
6- Protein: Mioglobin & Hemoglobin
Peter I Kennelly, PhD & Victor W. Rodwell, PhD..................................................................................................................... 7. Enzim: Mekanisme Kerja Perpustakaan Nasional: Katalog Dalam Terbitan (KDT) ................
44
...............
53
8- Enzim: Kinetika .................................... Murray, Robert K. PhD <& Victor W/ x> J „ Peter J. Kennelly, o „ . Biokimia ^ Harper / Robert Rodwell, PhD....Daryl K. Granner, & Victor ................................................................................ 65 K. Murray, W. Rodwell ; alih • nzun: Pengendalian Aktivitas bahasa, Brahm U. Pendit ; editor edisi bahasa Indonesia, Nanda Wulandari ... [et al. J. Kennelly, PhD & Victor W/ d ^ -Peter Ed. 27 - JakaWDrta : EGC, 2009. 78 10. Biox,M„709 rmadu&Biol him.;^^ 21 x.................................................................................................................................................................... 27 cm. Peter], Kimdlj, PhD Judul asli: Harper's illustrated 27th ed WWW.biochemistry Rodwell, PhD.. ................ 88 978-979-448-943-7 BAGIAN II.ISBN BIOENERGETIKA g, mut KME KARBOHIDRAT & 95 «. Bioenergetilca: Peran ATP ........................................................................................... ' n/R^'no !'i^dK?* °;ranner' Daryl K. III. Rodwell, Victor W. KrtblemM. PhD * „ Wulandari. IV. Brahm Botham, U. Pendit. V.DC Nanda
12. OksidasiBiologis ”
KathleenM. Botham, PhD nr v „ Rantai Respira.orfk & Fosforil ^ ^ KMm M. Botham, PhD, DSc °kSida,if 14. Karbohidrat yang Penting ^ David A. Bender, PhD <&p, . Fisiologis
David A. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc............................................................................................................ 158 19. Mctabolismc Glikogen
Peter A. Mayes, PhD, DSc DavidDavid.‘I. A. Bender, PhD Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc............................................................................................................ Emeritus Professor of Veterinary Biochemistry,166Royal
Sub-Dean Royal Free and University College Medical Veterinary College, University of London 20. Glukoneogenesis & Kontrol Glukosa Darah School, Assistant Faculty Tutor and Tutor to Medical David.I. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc.......................................................................................................... 174 Robert K. Murray, MD, PhD Students, Senior Lecturer in Biochemistry, Department of Professor (Emeritus) of Biochemistry, University of Toronto 21. Jalur Pentosa Fosfat & Jalur Lain Metabolisme Heksosa Biochemistry and Molecular Biology, University College Margaret L. Rand, PhD 184 LondonDavid A. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc............................................................................................................ Scientist, Research Institute, Hospital for Sick Children, 22. Oksidasi Asam Lemak: Ketogenesis Kathleen M. Botham, PhD, DSc Toronto, and Associate Professor, Departments of Laboratory M. Botham, PhD, Sciences, DSc Peter A.Royal Mayes, PhD, DSc.................................................................................................. 194 Reader Kathleen in Veterinary Basic Veterinary Medicine and Pathobiology and Department of Biochemistry, 23. Biosintcsis Asam Lemak & Eikosanoid College, University of London University of Toronto Kathleen M. Botham, PhD, DSc & Peter A. Mayes, PhD, DSc.............................................................................................. 204
Daryl K. Granner, MD
Victor W. Rodwell, PhD
24. Metabolisme Asilgliserol & Sfingoiipid Joe C. Davis Professor of Biomedical Science, Director, Professor of Biochemistry, Purdue University, West Lafayette, Kathleen M. Botha///, PhD, DSc & Peter A. Mayes, PhD, DSc.............................................................................................. 217 Vanderbilt Diabetes Center, Professor of Molecular Indiana 25. Pengangkutan Lipid Physiology and8c Penyimpanan Biophysics and of Medicine, Vanderbilt P. Anthony Weil, PhD Kathleen M. Botha///, PhD, DSc & Peter A. Mayes, PhD, DSc.............................................................................................. 225 University, Nashville, Tennessee Professor of Molecular Physiology and Biophysics, Vanderbilt 26. Sintesis, Transpor, & Ekskresi Kolesterol Frederick W. Keeley, PhD University School of Medicine, Nashville, Tennessee M. Botha///, PhD, Scientist, DSc <& Peter A. Mayes, PhD, DSc............................................................................................ 239 AssociateKathleen Director and Senior Research Institute, Hospital for Sick Children, Toronto, and AMINO................................................................................................... Professor, BAGIAN III. METABOLISME PROTEIN & ASAM 250 Department of Biochemistry, University of Toronto 27. Biosintcsis Asam Amino yang Nonesensial Secara Nutrisional
Peter Victor J. Kennedy, PhD W. Rodwell, PhD ...................................................................................................................................................... 250
of Biochemistry, Institute and 28. Professor Katabolisme Protein & Virginia NitrogenPolytechnic Asam Amino State University, Blackburg, Virginia Victor W. Rodwell, PhD...................................................................................................................................................... 255 29. Katabolisme Rangka Karbon Asam Amino
Victor IV. Rodwell, PhD.................................... .............................................................................. ................................ 263 30. Perubahan Asam Amino Menjadi Produk Khusus
Victor W. Rodwell, PhD................................ ..................................................•'................................................................ 279 Isi di luar tanggung jawab percetakan
Tlmu kedokteran adalah ilmu yang senanf h 53 pengetahuan kita, perubahan di bidang penatalalf™* ^ ^arena banyak riset baru dan pengalaman klinis yang memperluas meJakukan 13. Rantai Resoir^-,. «_ ^ PAD, DSc........................................................................................................................... 101 anaan an pengecekan terhadap sumber-sumb . ^erapi obat diperlukan. Para penulis dan penerbit buku ini sudah an lengkap dan umumnya mengikuti standar-stand ^ ^ J‘.terpercaya dalam upaya untuk memberikan informasi yang manusiawi atau perubahan di bidang penget aJ yang erima Pada saat diterbitkan. Namun/sadar akan kemungkinan kesalahan penyusunan atau penerbitan buku ini tidak men!113” ?enSaran8 maupun penerbit atau pihak lain yang terlibat dalam mereka juga menolak klaim atas segala tangeur^™11 ? informasi yang dimuat di dalam buku ini akurat atau lengkap, dan penggunaan informasi yang terkandung dalam buka^a pataS kesalahan atau kealpaan atau atas akibat yang ditimbulkan oleh di sini dengan sumber-sumber lain. isContohnya kh ° ^ m^aca dianjurkan untuk mengkonfirmasi informasi yang terkandung terdapat di olo is ,USc Ususn a KathleenM. Botham, PhD nr J 8 & dalam kemasan setiap obat mengenai re y ' Pe»nbaca dianjurkan untuk mengecek lembar informasi produk yang buku ini akurat Peter mt> A. dan bahwa belum ada perubahanPf eriannya untuk memastikan bahwa informasi yang ditulis di dalam dian urkan atau terutama sangat penting untuk obat-obat baru ataMe u *jes, °SiS y3nS kontraindikasi pemberiannya. Rekomendasi ini .......... 128u obat PhD,) DSc.................................................................................... yang jarang digunakan.
VI
31. Porfirin & Pigmen Empedu
Robert K. Murray, PhD,...................................................................................................................................................... 288 BAGIAN IV. STRUKTUR, FUNGSI, & REPLIKASI MAKROMOLEKUL PEMBAWA INFORMASI 304 32. Nukleotida
Victor W. Rodwell, PhD....................................................................................................................................................... 3 Q4 33. Metabolisme Nukleotida Purin & Pirimidin
Victor W. Rodwell, PhD....................................................................................................................................................... 34. Struktur & Fungsi Asam Nukleat
P. Anthony W*H> PhD & DarylK. Granner, MD.................................................................................................................. 321
VIII /
Prakata
DAFTAR ISI
35. DNA: Susunan, Replikasi, & Perbaikannya
P. Anthony Weil, PhD & DatylK. Granner, MD.............................................................................................................................. 332
36. RNA: Sintesis, Pemrosesan, & Modifikasinya P. Anthony I Veil, PhD <£* DaylK Granner, MD........................................................................................................................ 358 37. Sintesis Protein & Kode Genetik
Daryl K. Granner, MD & Anthony Weil, PhD................................................................................................................................ 376
38. Reguiasi Ekspresi Gen
Daryl K. Granner, MD & P. Anthony IVeil, PhD...........................................................................................................................
.. . ... lv,m.ra mcmperscnibahkan edisi kc-27 Harper'sIllustratedBiochemistry. Buku yang pcrcama ara pcnu is an pener itchemistry pada tahun 1939 dan dircvisi pada tahun 1944 ini, cepat mempcrolch scbaga. n Haro|d A Harpcr dari Univcrsity of California di San Frans,sco, sambutan luas. l’ada tahun 1951.cd«iK^ ^ sampai edisi ke-9 dan ikut menjadi penulis pada delapan edisi sebagai pcnulisnya. Dr. Harpcr tetap ■ I- P . b ; pcnulis pada cdisi ke-10, Daryl Granner pada edisi ke-20, dan bcrikutnya. Peter Mayes dan *cror meneucapkan selamat berpisah dan terima kasih kepada kolega lama kami Peter Mayes Rob Murray pada edisi ke-21. ini, sebelumnya. Peter, setelah diminta oleh Harold Harper untuk mengulas sebagian yang pensiun menjadi penulis setelah e ^^ memiliki kemampuan unik untuk merancang edisi ke-9, bergabung sebagai penu is J _ suatu jaiur metabolik: enzim, zat antara, dan mekanisme yang memandu dan diagram yang memadukan semua aspetulisannya yang ringkas dan informatif, dan hubungan koleganya dengan mengatur arus metabolik. Keterampi abuku ini. Para penulis dan pembaca akan sangat merindukannya. para penulis lain berperan besar a amyang semakin meningkat mendorong bergabungnya beberapa co-author Kompleksitas pengetahuan tcntangPeter Mayes melanjutkan hubungan trans-Atlantik yang telah lama terjalin dalam beberapa edisi terakhir. ^an^^nfj^arjskan kepada rekannya, David Bender dan Kathleen Botham. P. Anthony Weil, dalam rangka penulisan buku ini, kini ^ sebelumnya, terus memberikan sumbangsih yang sangat bernilai. Co-author seorang co-author bersama Daryl Granner ^ a(ja|aj1 pred Keeley dan Margaret Rand dengan Rob Murray serta Peter Kennelly lain untuk edisi ini dan edisi-edisi se e urn bersyukur atas kedatangan para kolega baru ini yang membawa keahlian dengan Victor Rodwell. Para pcnulis senior dan perspektif segar mereka bagi buku ini.
392
39. Genedka Molekular, DNA Rekombinan, & Teknologi Genomik
Daryl FL Granner, MD <& P. Anthony Weil, PhD.........................................................................................................................
414
BAGIAN V. BIOKIMIA KOMUNIKASIEKSTRASEL & INTRASEL............................................................................................. 4^ 40. Membran: Struktur & Fungsi
Robert K Murray, MD, PhD e5>* Daryl K Granner, MD.......................................... .................................................................. 435 41. Keragaman Sistem Endokrin DarylK Granner, MD.........................
.................. 455
42. Kerja Hormon & Transduksi Sinyal Daryl JC Granner, MD......................
.................. 478
BAGIAN VI. TOPIKKHUSUS............................
.................. 496
43. Nutrisi, Pencernaan, & Penyerapan
................. 496
David A. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD DSc
-4.
...............................................
David A. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc.............................................................................................................. 504
45. Lalu Lintas & Penyortiran Protein Intrasel Robert K Murray, MD, PhD...................
PERUBAHAN DI EDISI KE-27
.......... 522
46. Glikoprotein
Robert K Murray, MD, PhD
540
47. Matriks Ekstrasel
................. 562
^ert K. Murray, MD^ PhD &• Frederick W.foeka PhD 48. Otot & Sitoskeleton
Robert K. Murray, MD, PhD 49. Protein Plasma & Imunoglobulin.....................................................................•................................................................. Robert K Murray, MD, PhD 50. Hemostasis & Trombosis
Robert fC Murray, MD, PhD.................. Apendiks.................................................................................................................................... Indeks..............................................................................................................................................
kepada mahasiswa kedokteran dan ilmu kesehatan sebuah buku yang menjelaskan Tujuan utama tetap untuk menyaji an ^ringkas dan padat, mudah dipahami, serta menarik. Kemajuan-kemajuan dan menggambarkan dasar-dasar bio mi kedokteran terus ditekankan. Fitur-fitur penting baru yang terdapat dalam bermakna dalam biokimia yang penting bagid to^ edisi ke-27 ini mencakup:, banyak gambar dan referensi baru. a • Revisi semua bab, dengan memasu ^enCja|am seC • Penjelasan asal mula istilah pH ^ioinformatika dan biologi komputasional yang menekankan dampak bidang-bidang 1 • Bab yang sama sekali baru mengena . sehingga akan memberi pemahaman mengenai bidang yang saat ini pada praktik kedokteran masa ^ ini sedang berkembang pesatters^' Jidasarkan pada kemajuan dalam bidang genomika dan proteomika. • Metode-metode baru penemuan o ^ ^ memberikan kerangka kesatuan untuk memahami proses keterkaitan antara • Pengenalan konsep siklus hidup P regulasi, dan penguraian protein. pematangan, modifikasi pasca-trans .daiam mengidentifikasi protein dan molekul kecil vane mempermudah • Peran spektrometri massa (mass specw diagnosis penyakit metabolik. jtin_proteasom pada penguraian protein. u • Penjelasan siklus sel dan jalur u i fosforilasi oksidatif secara luas. respI • Revisi bab mengenai rantai ^ berkaitan dengan penyakit metabolik siklus urea, serta pengenalan biosintesis dan Y5 • Revisi dan pembaharuan teks 3^^ ke-21. peran metabolik selenosistem,pembahasan mengenai lipidrafts, kanal ion dan kanal bergerbang-tegangan • Bahan-bahan barudimasukkan 5 dantautcekh • Dalam
(voltage-gated channels),inCrasel dan penyortiran protein, informasi mengenai unfolded protein response dan kaitannya dengan lalu- . , a telah ditambahkan. penguraian terkait-Retikulum n
AS AM NUK LEA! PRO
PEN YAKIL ANE OCR SOL
CM
ELIK MIA .A BIT
LI[ ID KARBO
AT SKLE
2
■ ME
RO
DIAL
NDRAT
OSIS ELES ULS
BAB 1: BIOKIMIA & ILMU KEDOKTERAN /
/ BAB 1: BIOKIMIA & ILMU KEDOKTERAN
Hubungan antara ilmu kedokteran dan biokimia memiliki dampak / PRAKATA dalam laboratorium penting bagi ilmu kedokteran. Sclama terapi medis memiliki dasar yang Xdigunakan biokimia dan ilmu dasar lainnya yang kuat, praktik kedokteran akan biokimia Terdapat pembahasan tentang keterlibatan glikoprotein dalam banyak penyakit, termasuk tukak pepti c isiro otot memiliki dasar rasional yang dapat diadaptasikan untuk Metode untuk Memisahkan dankistik. kongenital tertentu, dan fibrosis mengakomodasi pengetahuan baru. Hal ini berbeda dari praktik Memurnikan Biomolekul Uraian tentang protein baru1yang berperan dalam metabolisme besi dan hemokromatosis. kesehatan nonortodoks dan paling tidak sebagian praktik kedokteran Informasi mengenai hemostasis, trombosis, dan kerja trombosit telah diperbarui. Fraksionasi garam (mis. pengendapan protein dengan alternatif” yang sering didasarkan pada hal-hal yang tidak lebih dari amonium sulfat) Kromatografi: Kertas; pertukaran ion; afinitas; lapis-tipis; mitos dan kepercayaan serta umtmmya tidak memiliki dasar intelektual SUSUNAN BUKU gas-cair; cairan berfekanan tinggi; filtrasi gel apapun.
Tabel 1-1. Metode dan preparat utama
Elektroforesis: Kertas; voltase-tinggi; agarosa; selulosa asetat; gel kanji; gel poliakrilamid; gel poliakrilamid-SDS Ultrasentrifugasi Metode untuk Menentukan Struktur Biomolekul Analisis elemen Spektroskopi UV, sinar tampak, inframerah, dan NMR 0 incinucuiiis lain karena acmua icaivai ui j>ci uiKauu.so w..~.................... ' ^(WHO) ^ m — jmendefinisikan a|am biokimia, biologi. Pemakaian hidrolisislopik asam atau basa hampii untuk menguraikan World Health Organization kesehatan sebagai bioinformatika dan biologi komputasional, yang mencerminkan semakin pcntingnya vci ua biomolekul yang sedang diteliti menjadi konstituen- konstituen "keadaan sejahtera lisik, mental, dan sosial yangsempurnadan bukan dasarnya Pemakaian serangkaian enzim dengan spesifisitas dan ilmu kedokteran modern. bebaskan dan menclusuri jalur-jalur sekadar tidak adanyaenergi, penyakit dan kecacatan”. Dari sudut pandang tertentu untuk menguraikan biomolekul yang sedang diteliti Bagian II menjelaskan bagaimana beragam reaksi sel menggunakan mcm c kesehatan dapat dianggap ^ keduasebagai kelas molckul biokimiaatau semata, situasiini. ketika (mis. protease, nuklease, glikosidase) mcn C pembentukan serta penguraian karbohidrat dan lipid. Di sini juga DIJELASKAN & ™ 7kunci katabolisme protein, Bagian membahas a Spektrometri massa semua reaksi intradan mcngcnai ekstrasel yang terjadi di dalamIII tubuh tentang asam amino, berbagai nasib metaboliknya, ia Metode penentuan sekuens spesifik (mis. untuk protein dan berlangsung dengan kecepatan yang seimbang dengan kelangsungan serta biokimia porfirin dan piemen empedu. . R-,\, c,.r,,.rf; r«»nlikasi clan asam nukleat) hidup maksimal organisme dalam keadaan fisiologis. Namnn, ini Kristalografi sinar-X Preparat untuk Bagian IV menjelaskan struktur dan Meneliti fiingsi nukleotida serta asam dan tcknologik genomik.
BIOKIMIA
Biokimia & Ilmu Kedokteran
kanker telah mengarahkan perhatian pada mekanisme molekular yang berperan dalam pengendalian pertumbuhan sel normal. Contoh ini dan banyak contoh lain menekankan bagaimana penelitian tentang penyakit dapat merhbuka area baru fungsi sel bagi riset biokimia dasar.
Sebagian Besar & Mungkin K. Murray, Toronto, Ontario, Canada Daryl K. Semua PenyakitRobert Memiliki Dasar Granner, Nashville, Tennessee Victor W. Rodwell, Biokimia
West Lafayette, Indiana Kita percaya bahwa sebagian besar (jika tidak semua) penyakit adalah manifestasi dari kelainan molckul, reaksi kimia, atau proses biokimiawi. Faktor-faktor utama yang
1
Robert K. Murray, MD, PhD
PROSES BIOKIMIA NORMAL ADALAH DASAR KESEHATAN
adalah pandangan yang sangat sempit, dan seyogianya menjadi jelas Prosesperbaikan Biokimia DNA, sintesis dan modifikasi RNA, sintesis protein, prinsip-pnnsip Hewan utuh (termasuk hewan transgenik dan hewan kesehatanmencakup pasien memerlukan saja pengetahuan serta pemahaman baru tentang cara pengaturan ekspresi gen. bahwa merawat Tocik-topiknya struktur dantidak fungsi denganBagian gen yang DIKNOCK-OUT ) V mengulas tentang aspek-aspek komunikasi ekstrasel dan luas intrasel. lopi prinsip-prinsip - i \ >• . • yang tentang biologis, tetapi juga prinsip-prinsip Organ yang diperfusi tersendiri Potongan jaringan Sel utuh membran, dasar molekular kerja hormon, dan bidang kunci padapsikolog transduksi sinya .^ apan; vitamin dan mineral; lain is dan sosial. Homogenat Organel sel tersendiri Subfraksionasi organel Bagian VI mendiskusikan tentang sepuluh topik khusus: nutrisi, pencernaan, an p^ p|asma(jan imunoglobulin; Metabolit dan enzim yang telah dimurnikan Gen tersendiri lintas danberantai penyortiran proteindan intrasel; glikoprotein; matriks ekstrasel; ototBiokimia dan sitos e e Berdampak pada Nutrisi Riset (termasuk reaksi polimerase SITE-DIRECTED hemostasis dan trombosis; sel darah merah dan putih; serta MUTAGENESIS ) & Ilmu Kedokteran Pencegahan metabolisme xeno ioti . . , banyak 'Sebagian besar metode ini cocok untuk menganalisis komponen-komponen Sal ahdaftar satujurnal prasyarat penting untuk memelihara kesehatan adalah Apendiks mengandung daftar situs internet yang bermanfaat serta b.ok.m.a atau ,urna . j, membahas biokimia. yang ada di homogenat sel dan preparat biokimia lainnya. Pemakaian beberapa terdapatnya asupan optimal sejumlah bahan kimia melalui makanan; Semuaberurutan bagian berisi banyak ilustrasi yang relcvan. teknik secara biasanya dapat memurnikan sebagian besar yang utama dari bahan-bahan tersebut adalah vitamin, asam amino biomolekul. Pembaca dipersilakan melihat ke buku-buku teks mengenai metode riset biokimia untuk rinciannya. tertentu, asam lemak tertentu, berbagai mineral, dan air. Karena banyak UCAPAN TERIMA KASIH dari pokok bahasan dalam biokimia dan nutrisi berkaitan dengan studi selanjutnya) dan memastikan bahwa penyakit-penyakit ini tentang berbagai aspek bahan-bahan kimia ini, kedua cabang ilmu ditentukan secara genetik. Garrod menyebut penyakit- penyakit ini pengetahuan ini berkaitan erat. Selain itu, saat ini banyak ditekankan sebagai INBORN ERRORS OF METABOLISM (kelainan metabolisme tentang pendekatan sistcmatis untuk mempertahankan kesehatan dan bawaan). sebagai Pemahamannya menjadi dasar dar bagi berkembangnya penyelia yang profesional en untin an buku ini> u mencegah S MUN m penyakit, yi, pada ilmu kedokteran pencegahan. Oleh karena bidang genetika biokimia manusia. Upayaupaya terkini untuk dan kepada para kolega penyunti * ^ P y g i 8a atas keterampiiannya yang mu. >an8 men amin la itu, kini banyak ditekankan pendekatan dalam pencegahan Edmonson, Susan Kelly, dan Selina C ^ ncarnya penerbitan buku ini. Kami berterima kasihnutrisional kepada Karen memahami dasar penyakit genetik yang dikenal sebagai nn r berba ai berbagai penyakit, contohnya pencegahan aterosklerosis dan kanker. pengatur teks, dan orang-oranghdn ° ° ^ aterosklerosis 8 kontribusi mereka bagi buku ini. Kami menghargai kerja para artis, BIOCHEMISTRY ini. Saran hiperkolesterolemia familial yang menyebabkan t a am sac ar as swa Untuk nutrisi diperlukan Kami pengetahuan yang luas tentang para mah^^ '^ ^ ^ 'terjadinya ^ ' ikut kemajuan berperan serta edisimemahami ke-27 HARPER ’S ILLUSTRATED mengharapkan masuknn ‘ dan berat padadari usia dini, mendorong pesatdalam dalampenerbitan biokimia'. kolega di seluruh duniasel sangat dalam memformulasikan edisi ini. pemahaman tentang reseptor danbermanfaat mekanisme penyerapan serupaonkogen di masa pada rnendatan g kolesterol oleh sel. Berbagai penelitian tentang sel
3
kini semakin sering digunakan untuk mempelajari aspek- aspek dasar patologi (ilmu tentang penyakit), misalnya peradangan, cedera sel, dan kanker. Sebagian besar peneliti di bidang mikrobiologi, zoologi, dan botani menggunakan pendekatan biokimiawi hampir secara eksklusif. Hubungan ini tidaklah mengejutkan karena seperti yang kita ketahui, kehidupan bergantung pada reaksi dan proses biokimia. Bahkan, tembok penghalang lama di antara berbagai ilmu pengetahuan kehidupan (LIFE SCIENCES) kini telah runtuh, dan biokimia semakin sering digunakan sebagai “bahasa” pemersatu.
PENDAHULUAN Biokimia dapat didefinisikan sebagai ILMU PENGETAHUAN TOUTING DASAR KIMIAWI KEHIDUPAN (Yn BIOS “kehidupan”). Sel adalah unit struktural makhluk hidup. Olch karena itu, biokimia juga dapat diartikan sebagai ILMU PENGETAHUAN TENTANG KONSTITUEN KIMIAWI SEL HIDUP SERTA REAKSI DAN PROSES YANG DIALAMI KONST ITUEN-KONST ITUEN TERSEBUT.
Berdasarkan definisi ini, biokimia mencakup bidang biologi sel. biologi molekular, dan genetika molekular.
Hubungan Timbal Balik Antara Biokimia & Ilmu Kedokteran Telah Merangsang Kemajuan yang Saling Menguntungkan
Tujuan Biokimia adalah Menjelaskan dan Menerangkan Semua Proses Kimiawi Sel Hidup dalam Istilah Molekular
Dua hal utama yang sangat diperhatikan oleh para peneliti dalam ilmu kesehatan—dan terutama dokter—adalah pemahaman dan pemeliharaannya kesehatan serta pemahaman dan terapi efektif untuk penyalcit. Biokimia berdampak besar pada kedua hal yang menjadi perhatian utama dunia kedokteran ini. Bahkan, hubungan timbal- balik biokimia dan ilmu kedokteran adalah suatu jalur lebar dalam dua-arah. Studi biokimia telah mempcrjelas banyak aspek kesehatan dan penyakit, dan scbaliknya, penelitian tentang berbagai aspek dalam kesehatan dan penyakit telah membuka bidang baru dalam biokimia. Contoh jalur dua-arah ini diperlihatkan di Gambar 1-1. Contohnya, pengetahuan tentang struktur dan fungsi protein diperlukan untuk menguraikan satu perbedaan biokimiawi antara hemoglobin normal dan hemoglobin sel sabit. Di pihak lain, analisis terhadap hemoglobin sel sabit berperan besar dalam pemahaman kita tentang struktur dan fungsi hemoglobin normal dan protein lain. Contoh analog tentang manfaat timbal-balik antara biokimia dan ilmu kedokteran dapat dikutip untuk pasangan-pasangan yang diperlihatkan di Gambar 1-1. Contoh lain adalah karya terobosan Archibald Garrod, seorang dokter di Inggris pada awal tahun 1900an. Ia meneliti pasien dengan sejumlah penyakit yang lelacif jarang (alkaptonuria, albinisme, sistinuria, dan pentosuria; • penyakitpenyakit ini dijelaskan di bab-bab
Tujuan mama biokimia adalah pemahaman menyeluruh atas semua proses kimiawi yang berkaitan dengan sel hidup pada tingkat molekular. Untuk mencapai tujuan ini, para ah I i biokimia berupaya mengisolasi berbagai molekul yang terdapat di dalam sel, menentukan srrukturnya, dan menganalisis fungsi molckulmolekul tersebut. Banyak teknik telah digunakan untuk tujuan ini; beberapa diantaranya di ringkas pada Tabel 1 -1.
Pengetahuan Tentang Biokimia Penting bagi Semua Ilmu Pengetahuan Tentang Kehidupan Biokimia asam nukleat terletak di jantung genetika; scbaliknya, penggunaan pendekatan genetik sangatlah penting untuk menguraikan berbagai aspek dalam biokimia. Fisiologi (ilmu faal), yaitu suatu ilmu tentang fungsi tubuh, hampir seluruhnya bertumpang tindih dengan biokimia. Imunologi menggunakan berbagai teknik biokimia, dan berbagai pendekatan imunologik telah digunakan secara luas oleh para ahli biokimia. Farmakologi dan farmasi BERGANTUNG pada pengetahuan yang kokoh tentang BIOKIMIA dan fisiologi; secara khusus, sebagian besar obat dimetabolisme oleh reaksi yang dikatalisis oleh enzim. Racun bekerja pada reaksi atau proses biokimia; ini adalah pokok bahasan dalam toksikologi. Pendekatan biokimiawi
1
Je Energi ni Jenis i s (kkal/mol Ik : 34 0-0 : 0=0
En ergi ;• 96
s-s
: 51
;C-H
: 99
C-N
: 70
• C=S
j 108
S—H
i 81
; o—H
i 110
C—C
: 82
i C=C
; 147
C—O
• 84
; c=N
j 147
N—H
: 94
■ c=o
• 164
4/ BAB 1: BIOKIMIA & ILMU KEDOKTERAN
HUMAN GENOME SEQUENCING CONSORTIUM dan CETERA 6/ BAB ,2:sebuah AIR & perusahaan pH GENOMICS swasta) mengumumkan bahwa lebih dari 90% genom telah diketahui sekuensnya. Versi DRAFT dari sekuens tersebut telah dipublikasikan pada awal tahun 2001. Dengan pengecualian pada beberapa perbedaan, sekuens genom manusia keseluruhan diketahui secara lengkap pada tahun 2003, 50 tahun setelah penjelasan sifat DNA yang beruntai-ganda oleh Watson dan Crick. Dampak kemajuan ini pada biokimia, seluruh cabang biologi, dan ilmu kedokteran sangatlah besar, dan hanya beberapa hal yang dikemukakan di sini. Banyak gen yang semula tidak dikenal kini terungkap; berbagai produk proteinnya perlu diketahui Banyak geometri hal dalam evolusi manusia G A M B Akarakteristiknya. R 2 - 1 . Molekul air memiliki tetrahedral. kini mulai menjadi lebih jelas, dan prosedur-prosedur untuk menelusuri gen penyakit telah semakin sempurna. Hasil-hasilnya Ikacan hidrogen memungkinkan air melarutkan banyak berefek besar pada berbagai bidang seperti proteomika biomolekul organik yang mengandung gugus fungsional yang (PROTEOMICS), bioinfo.rmatika, bioteknologi, dan dapat ikut serta dalam pembentukan ikatan hidrogen. Atom-atom farmakogenomika ( PHARMA- COGENOMICS). Referensi mengenai oksigen pada aldehida, keton, dan amida memberikan pasangan genom manusia ditemukan berbagai bagian hidrogen. buku ini. Alkohol elektron yangakan dapat berfungsidisebagai akseptor dan amina dapat berfungsi sebagai akseptor hidrogen maupun tak-berpelindung untuk membentuk ikatan hidrogen (Gambar Biokimia adalah 2-3). ilmu pengetahuan yang meneliti berbagai
RINGKASAN donor atom hidrogen •
molekul .yang terdapat di sel hidup dan organisme serta
INTERAKSI DENGAN AIRkehidupan MEMENGARUHI reaksi-reaksi biokimianya. Karena bergantung pada reaksi-reaksiBIOMOLEKUL biokimia, biokimia telah menjadi bahasa STRUKTUR dasar bagi semua ilmu pengetahuan hayati.
•
Ikatan & Nonkovalen Biokimia Kovalen berkaitan dengan semua bentuk kehidupan, dari Menstabilkan Molekul Biologis virus dan bakteri yang relatif sederhana hingga manusia
yang kompleks. Ikatan kovalen adalah gaya terkuat yang menyatukan molekul° Biokimia dan ilmu berkaitanmeskipun erat. Kesehatan molekul (Tabel 2-1).kedokteran Gaya nonkovalen, kekuatannya bergantung pada keseimbangan harmonis reaksi-reaksi lebih kecil, memberi kontribusi bermakna bagi struktur, stabilitas, biokimia yang fungsional terjadi dimakromolekul dalam tubuh, dansel penyakit dan kompetensi dalam hidup. Gayamencerminkan kelainan biomolekul, reaksi biokimia, atau gaya ini yang dapat bersifat menarik atau menolak, melibatkan proses biokimia. interaksi baik di dalam biomolekul maupun antara biomolekul dan ° Kemajuan dalam bidang biokimia “telah menerangi berbagai air yang membentuk komponen utama lingkungan sekitar. bidang ilmu kedokteran. Sebaliknya, penelitian tentang penyakit sering mengungkapkan aspek-aspek biokimia yang Biomolekul Mengalami Pelipatan untuk sebelumnya tidak diketahui. Penentuan sekuens genom Menempatkan Gugus Polar & Bermuatan manusia, yang hampir tuntas, akan memberi dampak besar pada Permukaannya pada semua bidang biologi, termasuk biokimia, Sebagian besar biomolekul bersifat amfifatik; yaitubiokimiawi molekul ini bioinformatika, dan bioteknologi. Pendekatan memiliki bagian-bagian yangmemperjelas kaya akan gugus sering menjadi dasar untuk kausa penyakit dan dalam merancang terapi yang sesuai. • Pemakaian bijaksana berbagai pemeriksaan laboratorium biokimia adalah komponen integral dari diagnosis dan pemantauan terapi. 'i* .H—Cl
> I..*' G A M B A R 2 - 2 . Kiri: Ikatan antara dua molekul air dipolar melalui ikatan hidrogen (garis terputus). Kanan: Kelompok yang terdiri dari empat molekul air yang disatukan oleh ikatan hidrogen. Perhatikan bahwa air dapat berfungsi sebagai donor hidrogen sekaligus akseptor hidrogen.
•
•
Pengetahuan yang baik tentang biokimia dan disiplin dasar terkait lainnya merupakan hal csensial bagi praktik rasional ilmu kedokteran dan ilmu kesehatan terkait lainnya. Hasil HUMAN GENOME PROJECT akan berpengaruh besar pada — CH — O + H - O j CHkedokteran dan ilmu kesehatan lainnya. masa depan ilmu
Air & pH
BAB 2: AIR & pH /
libel2-1. I:nrrgi ikatan untuk atom yang penting
Peter J. Kennelly, PhD & Victor W. Rodwell, PhD
secara biologis.
REFERENSI Burtis CA, Ashwood HR: IIETZ FUNDAMENTALS OF CLINICAL CH CHEMISTRY, 5th cd. Saunders, 2001. CM —CH ENCYCLOPEDIA OF LIFE SCIENCES. John Wifcy, 2001. (Mengandung sckitar 3.000 artikcl komprehensif tentang berbagai aspek ilmu pengetahuan kehidupan. DapatH diakses ONLINE di www. els.net c4=Q" ~l~N \ melalui perpustakaan dengan berlangganan.) FrutonJS. PROTEINS, ENZYMES, GENES: THE INTERPLAY OF CHEMISTRY G A M B A R 2 - 3 . Gugus polar lain ikut serta dalam pembentukan ikatan hidrogen. AND BIOLOGY. Yale Univ Press, 1999. (Menyajikan latar belakang Tampak ikatan hidrogen terbentuk antara alkohol d.in air, antara dua molekul sejarah dari banyak riset biokimia saat ini.) etanol, dan antara oksigen karbonil peptida dan hidrogen nitrogen peptida dari asam Garrod AE.di Inborn amino dckatnyaerrors of metabolism. (Croonian Lectures.) Lancet 1908,2:1, 73, 142. 214. fungsional polar atau bermuatan serta bagian-bagian dengan sifat Guttmacher AE, Collins FS: Genomic medicine—A Primer. N Engl J hidrofobik. Protein cenderung mengalami pelipatan {FOLDING) dengan Med 2002;347:1 5 1 2. (Artikel ini adalah yang pertama dari gugus-R asam amino dengan rantai samping hidrofobik yang terletak rangkaian sebelas artikel bulanan yang diterbitkan di NEW cli interior. Asam- asam amino dengan rantai samping polar atau ENGLAND JOURNAL OF MEDICINE yang menjelaskan berbagai bermuatan (mis. arginin, glutamat, serin) umumnya terdapat pada aspek mengenai kedokteran genomik.) permukaan yang berkontak dengan air. Pola serupa banyak ditemukan Kornberg A: Basic research: The lifeline of medicine. FASEB J di Iapisan-ganda (BILTIYER) fosfolipicl, yaitu tempat gugus-gugus 1992;6:3143. pangkal bermuatan dari fosfatidil serin atau fosfatidil etanolamin Kornberg A: Centenary of the birth of modern biochemistry. FASEB J berkontak dengan air sementara rantai samping asil lemak hidrofobik 1997; 11:1209. bcrgerombol dan tidak mengandung air. Pola ini memaksimalkan McKusick VA: Mendelian Inheritance in Man. Catalogs of Human Genes kesempatan untuk terbentuknya interaksi muatan-dipol, dipol-dipol, and Genetic Disorders,12thed.JohnsHopkinsUnivPress,1998[DisingkatMIMJ dan ikatan hidrogen antara gugus polar biomolekul dan air. Pola ini Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM): Center for Medical juga meminimalkan kontak antara air dan gugus hidrofobik. Genetics, Johns Hopkins University and National Center for Biotechnology Information. National Library of Medicine, 1997. Interaksi Hidrofobik http://www.ncbi.nlm.nih.gov/onim/ (Angka-angka yang mengacu kepada berbagai data di dalam MIM dan Interaksi hidrofobik merujuk pada kecenderungan senyawasenyawa nonpolar untukdikutip berikatan sendiri dalam cair. Dengan Pembentukan OMIM akan di beberapa bab lingkungan dari karya ini. ikatan bukanpenyakit didorongyang olehluas gayadan tarik bersama ataurelevan— oleh apa yang melihatinikoleksi data lain yang kadang-kadang "ikatan hidrofobik”. Pembentukan enzim, protein disebut spesifik, sebagai dsb—pengetahuan dan pemahaman ikatan ini berbagai terjadi karena kebutuhan meminimalkan pembacasendiri mengenai topik yang dirujuk untuk dan dibahas di interaksi yang secara energetis kurang menguntungkan, antara gugus buku ini akan sangat meningkat. Versi ONLINE- nya diperbarui nonpolar dan air. hampir setiap hari.) Sementara hidrogen pada gugus nonpolar seperti gugus metilen Scriver CR et al (editors): THE METABOLIC AND MOLECULAR BASES OF hidrokarbon tidak membentuk ikatan hidrogen, hidrogen tersebut INHERITED DISEASE, 8th ed. McGraw-Hill, 2001. memengaruhi struktur air yang mengelilinginya. Molekul air yang terletak dekat dengan gugus hidrofobik mengalami restriksi dalam jumlah orientasinya (derajat kebebasan, DEGREES OF FREEFLOW) yang memungkinkan molekul tersebut ikut serta secara maksimal dalam membentuk ikatan hidrogen. Pembentukan maksimal ikatan hidrogen dalam jumlah banyak hanya
ILMU KEDOKTERAN
Gambar 1-1. Contoh j.ilur dua-arah yang menghubungkan biokimia dan ilmu kedokteran. Pengetahu.in tentang
derajat). Amonia juga merupakan tetrahedral PERAN BIOMEDIS molekul-molekul hiokimia yang diperlihatkan di bagian atas diagram lelah memperjelas pemahaman kita tentang
dengan sudut 107 derajat antara atom-atom hidrogennya. Air adalah suatu dipol, penyakit yang diperlihatkan di separuh bagian bawah diagram—dan sebaliknya, analisis lerhadap penyakityaitu sebuah molekul dengan muatan listrik yang tersebar Air adalah komponenpenyakit kimia utama pada organisme hidup. Sifat y.ing diperlihatkan di bagian bawah memberikan kejelasan pada banyak bidang dalam biokimia. asimetris mengclilingi strukturnya. fisiknya yang unik yang mencakup kemampuan untuk melarutkan Pcrhatikan bahwa anemia sel sabit adalah suatu penyakit genetik dan bahwa baik aterosklerosis maupun Atom diabetesoksigen yang sangat elektronegatif menarik elektron menjauhi nukleus hidrogen, dan melitusdan memiliki komponenberasal genetik. dari struktur berbagai molekul organik anorganik, meninggalkan nukleus tersebut dengan muatan positif parsial, dipolar air dan kemampuannya yang luar biasa untuk membentuk sementara dua pasangan elektron bebas membentuk suatu regio ikatan hidrogen. Cara air berinteraksi dengan suatu biomolekul memuncak pada bulanlokal. Juli 2000, saat para pemimpin dari dua dengan muatan negatif berperan menyebabkan penyakit pada hewan dan nukleofil manusia terlarut memengaruhi struktur masing-masing. Air, suatu kelompok yang terlibat dalam upaya inikonstanta (INTERNATIONAL Air, suatu dipol kuat, memiliki dielektrik yang dicantumkan di label Semua faktor mengenai satu yang sangat baik adalah1-2. suatu reaktan atau tersebut produk dalam banyak tinggi. Seperti dijelaskan secara kuantitatif oleh hukum atau lebih reaksi kimia atau molekul penting di dalam tubuh. Di reaksi metabolik. Air memiliki sedikit kecenderungan untuk Tabel 1-3. Beberapa penggunaan penelitianCoulomb, kekuatan interaksi F antara partikel- partikel dengan muatan yang dalam buku ini akan dijumpai banyak contoh dasar biokimiawi terdisosiasi (terurai) menjadi ion hidroksicla dan proton. biokimia dan uji laboratorium dalam kaitannya berlawanan, berbanding terbalik dengan konstanta dielektrik e penyakit. Pada penyakit tersebut, studi dengan tentang Kcasaman suatusebagian larutan besar air umumnya disebutkan dengan penyakit medium sekitarnya. Konstanta dielektrik untuk vakum adalah biokimia ikut berperan dalam diagnosisDalam dan pengobatan. menggunakan skala pH logaritmik. keadaan Sebagian normal, satu; untuk heksana, konstantanya adalah 1,9; etanol 24,3; dan air pcnggunaandanbasil penelitian biokimia dan pemeriksaan bikarbonat penyangga lain mempertahankan pH cairan Pcnggunaan Contoh 78,5. Oleh karena itu, air sangat mengurangi gaya..................... tarik antara laboratorium dalam denganKecurigaan penyakit diringkaskan 1. Untuk ekstrasel antara 7,35kaitannya sampai 7,45. akan adanyadi Pembuktian sifat cacat spesies mengungkapkan bermuatan dan polar secara relatif dibandingkan kausa label 1-3. ketidakseimbangan asam-basa dipastikan dengan mengukur pH genetik pada fibrosis lingkungan bebas-air mendasar dan dengan konstanta dielektrik yang lebih lain kandungan dari beragamCO, pcnggunaan tersebut akan asidosis darahContoh arteri dan darah vena. Penyebab kistik. rendah.mekanisme Konstanta penyakit dielektrik yang tinggi dan dipol yang kuat (pH darah <7,35) antarabagian lain adalah ketosis diabetik dan asidosis ditemukan di berbagai buku ini. Diet besar rendah fenilalanin memungkinkan air melarutkan sejumlah senyawa bermuatan 2. Untuk menyarankan laktat. Alkalosis (pH >7,45) dapat terjadi, misalnya setelah untuk mengobati seperti terapi garam.rasional bagi Dampak Human Genome Project fenilketonuria. muntah-muntah yang mengeluarkan isi lambung yang asam. penyakit berdasarkan (HGP) pada Biokimia dan Ilmu Pengendalian keseimbangan aii bergantung pada mekanismepada (1) di atas Molekul Air Membentuk Ikatan Hidrogen Kedokteran Pemakaian enzim plasma mekanisme hipotalamus yang mengontrol rasa haus, pada hormon 3. Untuk membantu kreatin dan kinase MBkovalen (CKNukleusdiagnosis hidrogen yang tidak berpelindung secara antidiuretik pada retensi atau ekskresi air olehbesar ginjal,dalam dan Pada akhir (ADH), tahun 1990-an tercapai banyak kemajuan MB) dalam diagnosis penyakit spesifik berikatan dengan atom nitrogen atau oksigen penarik- elektron pada pengeluaran melalui penguapan. Diabetes insipidus penentuan sekuens genom manusia. Kemajuan ini infark miokardium. dapat berinteraksi dengan pasangan elektron bebas di atom nefrogenik, yaitu ketidakmampuan memekatkan urine atau Pemakaian pengukuran Tabel 1-2. Kausa utama penyakit. Semua kausa 4. Berfungsi sebagai uji untuk membentuk ikatan hidrogen. nitrogen atau oksigen lain menyesuaikan tubuh dengan perubahan-perubahan ringan dalam tiroksin atau THYROIDyang tercantum bekerja dengan memengaruhi penyaring untuk Karena molekul air mengandung kedua fiturHORMONE ini, pembentukan osmolaritas cairan ekstrasel, terjadi karena osmoreseptor tubulus STIMULATING diagnosis dini penyakit berbagai mekanisme biokimia di sel atau di tubuh. (TSH) dalam diagnosis ikatan tertentu hidrogen cenderung menyebabkan molekul-molekul air ginjal tidak berespons terhadap ADH. saling berikatan membentuk susunanhipotiroidisme teratur (Gambar 2-2). Ikatan Agen fisik: Trauma mekanis, suhu ekstrem, perubahan kongenital pada mendadak tekanan atmosfer, radiasi, syok listrik. Agen AIR ADALAH PELARUT BIOLOGIS IDEAL hidrogen sangat memengaruhi sifat fisik air dan menjadi penyebab neonatus. kimia, termasuk obat: Senyawa toksik tertentu, °bat, tingginya viskositas, tegangan permukaan, dan titik didih air. 1 Pemakaian enzim plasma dsb. Air Membentuk Dipol Molekul Secara5.rata-rata, satu molekul dalam air cair berikatan melalui Untuk membantu alanin aminotransferase Agen biologis: Virus, bakteri, jamur, bentuk-bentuk memantau kemajuan ikatan hidrogen dengan 3,5 molekul lain. Ikatan-ikatan ini relatif .(ALT) dalam memantau Molekul air adalah tetrahedron iregular yang sedikit miring parasityang lebih tinggi. (yi, pemulihan, lemah dan sementara, dengan waktu-paruh sekitar satu kemajuan hepatitis denganKekurangan oksigen yang terletak di tengahnya (Gambar oksigen: Kurangnya pasokan darah,2-1). Kedua perburukan, remisi, infeksiosa. mikrodetik. Putusnya ikatan hidrogen dalam air cair hanya menurunnya darah mengangkut atom hidrogen dankemampuan elektron-elektron bebas darioksigen, dua orbital atau kekambuhan) 3 pada an ters sa memerlukan kira-kira 4,5 kkal/mol, yaitu kurang dari 5% energi keracunan enzim oksidatif. penyakit tertentu terhibridisasi-J/> y g ‘ menempati sudut-sudut tetrahedron. Penyakit genetik: Kongenital, molekular. yang diperlukan untuk memutuskan ikatan kovalen O—H. Sudut 105 derajat antara hidrogen-hidrogen ini hanya sedikit 6. Untuk membantu Reaksi imunologik: Anafilaksis, penyakit autoimun.
berbedaKetidakseimbangan dari sudut tetrahedral ideal (109,5 nutrisi: Defisiensi, kelebihan.
Pemakaian pengukuran antigen karsinoembrionik (CEA) darah pada pasien tertentu yang pernah diobati untuk kanker kolon.
7
disatukan oleh ikatan kovalen, dua untai hcliks disatukan secara eksklusif oleh interaksi nonkovalen. Interaksi nonkovalen ini mencakup ikatan hidrogen antara basa-hasa nukleotida (pembentukan pasangan basa Watson-Crick) dan interaksi van der Waals antara tumpukan basa purin dan pirimidin. Hcliks menyajikan gugus fosfat bermuatan dan gula ribosa polar pada "tulang punggung" DNA ke air, sementara mcngubur basa nukleotida yang relatif hidrofobik di bagian dalam. Tulang punggung yang mcmanjang ini memaksimalkan jarak antara fosfat-fosfat tulang punggung yang bermuatan negatil, sehingga meminimalkan interaksi elektrostatik yang kurang menguntungkan.
dapat dipertahankan dengan meningkackan ordo molekul air sekitar, disertai penurunan entropi. Berdasarkan hukum kedua termodinamika, energi bebas optimal campuran hidrokarbon-air adalah lungsi dari entalpi (dari ikatan hidrogen) maksimum dan entropi (derajat kebebasan maksimal) minimum. Oleh karena itu, molekul nonpolar cenderung membentuk butiran dengan luas permukaan paparan yang minimal sehingga mengurangi jumlah molekul air yang terkena. Dengan alasan yang sama, bagian hidrofobik biopofimer di dalam lingkungan ait scl hidup, cenderung tertanam di bagian dalam struktur molekul, atau di dalam Iapisan-ganda lipid sehingga kontak dengan air menjadi minimal.
Inifeiraksi Elekfrrosfrali'ik Interaksi antara gugus-gugus bermuatan membantu MEMBENTUK struktur biomolekul. Interaksi elektrostatik antara gugus dengan muatan yang berlawanan di dalam atau di antara biomolekul disebut jembatan garam {SUIT BRIDGES). JEMBATAN garam memiliki kekuatan setara dengan ikatan hidrogen tetapi bekerja dalam jarak yang lebih jauh. Karena itu, ikatan ini sering mempermudah pengikatan molekul BERMUATAN atau ion ke protein dan asam nuldeat.
AIR ADALAH NUKLEOFIL YANG SANGAT BASK Reaksi metabolik sering melibatkan serangan oleh pasangan elektron pada molekul kaya-elektron yangdinamai nukleofil atau atom miskin-elektron yang disebut elektrofil. Nukleofil dan elektrofil tidak harus memiliki muatan negatif atau positif formal. Air yang dua pasangan elektron jy>'-nya memiliki muatan negatif parsial adalah suatu nukleofil yang sangat baik. Nukleofil lain yang penting secara biologis adalah atom oksigen fosfat, alkohol, dan asam karboksilat; sulfur tiol; nitrogen amin; dan cincin imidazol histidin. Elektrofil yang sering dijumpai antara lain adalah karbon karbonil pada amida, ester, aldehida, dan keton serta atom fosfor pada fosfoester. Serangan nukleofilik oleh air umumnya menyebabkan putusnya ikatan amida, glikosida, atau ester yang menyatukan biopolimer. Proses ini disebut hidrolisis. Scbaliknya, jika unit-unit monomer disatukan untuk membentuk biopolimer, seperti protein atau glikogen, air menjadi produknya, seperti diperlihatkan di bawah untuk pembentukan ikatan peptida antara dua asam amino.
•H.N
CH * H h NH
Gaya van der Waals Gaya van der Waals terbentuk oleh interaksi antara dipol- dipol transien yang dihasilkan oleh gerakan cepat elektron di SEMUA atom netral. Gaya van der Waals yang lebih lemah secara BERMAKNA daripada ikatan hidrogen tetapi berpotensi BERJUMLAH sangat banyak, menurun sebanyak pangkat enam jarak yang memisahkan atom-atom. Oleh karena itu, gaya mi bekerja pada jarak pendek, biasanya 2-4 A.
Alanin
Valin
V
HO
■H.N
Berbagai Gaya Menstabilkan Biomolekul
NH
Hcliks ganda DNA melukiskan kontribusi berbagai gaya bagi STRUKTUR biomolekul. Sementara masing-masing untai DNA Sementara hidrolisis adalah suatu reaksi yang secara termodinamis menguntungkan, ikatan fosfoester dan amida
Tabel 2-2. Kekuatan relatif asam-asam U*rk*ntu yang PERSAMAAN Henderson-Hasselbalch memiliki PREDIKTIF yang H’ yang Nilai pH yang rendah sesuai nilai dengan konsentrasi bekerja sebagai suatu asam atau basa, ionisasinva dapat pada polipeptida dan oligonukleotida bersifat stabil dalam Karena -log A^ didelinisikan sebagai p/C, dan -log penting secara biologis. Nilai dalam tabH adalah union i _|H') no nun tinggi untuk keseimbangan protonik. tinggi dan nilai pl 1 yang tinggi sesuai dengan konsentrasi H* direpresentasikan sebagai suatu.i.s.im pemindahan proton antarmolekul cair sel. Perilaku tampak paradoksKita ini mengekspresikan kekuatan rel.itit dan asam basa lemah K =ditulis menjadi untuk [OH ]lingkungan total dapat diabaikan. Hal yang yang sama tidak dapat adalah pH, persamaannya dapat nilai pKa (-log konstanta disosiasi) yang rendah. I ilToT” 155,561 n (H O*) dan sebuah ion yang membentuk sebuah ion hidronium Contohnya, mencerminkan kenyataan bahwa termodinamika yang mengberdasarkan mnnoprotat, konstanta disosi.iMnv.i. bawah > * dicantumkan diterapkan untuk kasus kedua (b): diprotat,Hi dan triprotat tertentu. Asam adalah donor proton dan basa adalah akseptor proton. 14 p/C t = pH hidroksida (OHdisosi.iM ) atur keseimbangan suatu reaksi tidak menentukan laju reaksi = 0,018x10 = 1,8x10 " mol/L (1) Jika suatu asam tepat mengalami netralisasi ekspresi untuk konst.mt.i (A ) untuk dua asam lemah, R— Asam kuat (mis. HCI, H,SOt) mengalami disosiasi scmpurna scparuhnya, yang akan berlangsung. Di sel, katalis protein yang disebut yipA' suatu gugus asam adalah pH ketika spesies yang COOH dan R NH /: H .O + H.O <=> H,0* + OH menjadi anion dan [A | = fHA]. Pada keadaan ini,kation bahkan dalam larutan asam kuat (pH enzim mempercepat laju reaksi hidrolisis jika diperlukan. ^0r|scntrasi molar air, yaitu 55,56konsentrasi mol/L, tcrlalu besar ^erproton dan tidak berproton terdapat dalam rendah). Asam lemah hanya mengalami disosiasi parsial dalam Proton yang dipindahkan sebcnarnya berikatan dengan sekelompok R —COOH*=»K — ( ( K) ♦ H* Protease mengatalisis hidrolisis protein menjadi komponensc unU|k dapat bermakna oleh disosiasi. *ara. pA' untuk suatu dipcngaruhi asam dapatsecara ditcntukan dengan lo Demikian juga, basa kuat (mis. KOH, NaOH) tetapi larutan asam. molckul air. Proton terdapat dalam larutan tidak saja sebagai H,0\ pH = pK, + 8 = P «+ log | = p/C., + 0 komponennya, yaitu asam-asani amino, sementara nuklease ni K - |R~C()()11H' I IR — coot itu, konsentrasi enambahkan 0,5karena ekivalen basa per tersebut ckivalcndianggap asam. konstan. pH yang bukan basa lemah (mis. CafOH],)—mengalami disosiasi sempurna tetapi juga sebagai muhimer, misalnya H^CV dan H_0 \ ,u mengatalisis hidrolisis ikatan fosfoester di DNA dan RNA. l| konslaiua jnj dapat dimasukkan ke dalam konstanta dihasilkan akan Jmenjadi pAT asam. Karena itu, pada nctralisasi-separuh, pHbahan = pK. biokimia bersifat asam lemah. pH tinggi. Banyak Bagaimanapun, proton secara rutin dituliskan sebagai H' meskipun 1 ls Aktivitas enzim-enzim ini perlu diatur secara cermat untuk °siasi /\ untuk menghasilkan suatu konstanta baru Pengccualian antara lain adalah zat-zat antara yang tcrfosforilasi, pada kcnyataannya sangat mengalami hidrasi. R —NH,* piR-NH, + t >* NH.Hin [A ]/(HAJ = 100:1, memastikan bahwa enzim-enzim tersebut bekerja hanya pada p >ang disebut produk ion untuk air. Hubungan (2) antaraJikaKrasio V ersamaan Hendersonyang gugus fosforilnya mengandung dua proton yang dapat Karena ion IR hidronium — NH.* ldan hidroksida secara terus mcnerus molekul sasaranisurva yang mrasi tepat pada saat yang tepat. dan A diperlihatkan di bawah: sebuah asam tipe HA. Titik di tengah 1 a Hasselbalch mengalami disosiasi, dengan pcrtama yang bersifat kembali menyatu membentuk molckul air, hidrogen atau oksigen pH = p/C ' proton[HA] a+logi^-i kurva menunjukkan p/Ca 5,0. sangat asam. Perilaku Asam pH = pK a + log 100/1 = pKt + 2 INDIVIDUAL tidak dapat dinyatakan bcrada sebagai sebuah ion atauAAenjelaskan Jika telah dicapai keputusan tentang makna kontribusi oleh air, Banyak Reaksi Metabolik K ■^=1>8x10'tm°l/L CONTOH-CONTOH bcrikut mcnggambarkan bagaimana cara sebagai bagian dari molekul air. Pada suatu saat ia adalah suatuLemah pK 5,0, dan basa konjugatnya) pada awalnya memiliki satu pH dapat dihitung di atas. A = seperti n a n n er Melibatkan Pemindahan Gugus '* * “ J >k untuk asam lem.ili adalah angka pangkat negat.f, kita (3) Jika rasio [A ]/[HAJ = 1:10, mcnghitung pH larutan asam dan basa. ion;sesaat kemudian ia adalah bagian dari suatu molekul. Oleh& Penyangga dari empat nilai pH. Kita akan pergeseran pH Kn = (K)|H.O| = IH' ||OH | = (1,8 x 1 0 Contoh-contoh di atas menganggap bahwamenghitung basa kuat KOH pHCONTOH = p/C, I: + log 1 /10pH = p/c +(.1} mengekspresikan A’ sebagai pAT. cleBcrapa sebuah larutan yang konsentrasi ion karena itu, ion atau molekul individual tidak diperhitungkan. Kita yang terjadi jika ke dalam masing-masing larutan tersebut reaksi sempurna pemindahandalam gugus,larutan sebuah dan gugusbahwa G dipindahkan mengalami Pada disosiasi 1 1j Di bawah ini dituliskan persamaan Henderson-Hasselbalch.= 1,00 x 10 ’ mol/L)(55,56mol/L) ngan. •* 4 [A )/[HA] yang berkisar dari Jika persamaan dievaluasi pada rasio ditambahkan 0,1 mEq KOH: merujuk pada PROBABILITY bahwa pada setiap saat sebuah hidrogen hidrogennya adalah 3,2 x 10 mol/L? donorkarenanya D ke akseptor yang membentuk konsentrasidari ion OH" setaraAdengan konsentrasi suatu KOH kompleks Suatu asam lemah, HA, mengalami ionisasi sebagai "(mol/L)-' pHyang = -logdihitung 1H * J diplotkan, grafik yang 10' sampai 10 3 dan nilai pH akan bcrada dalam bentuk ion atau sebagai bagian dari molekul air. gugus akseptor plus yangsemula terdapat A-G: di air. Anggapan ini berlaku untuk pK = . |()R £ cr = -log berikut: ^ batikan bahwa dimensi K adalah mol per liter dan dimensi Karena 1 gram air mengandung 3,46 x 10” molckul, ionisasi air terbentuk menjelaskan kurva titrasi= untuk (3,2 suatux 10"*) asam lemah (Gambar larutan encer basa atau asam kuat, tetapi tidak untuk asam atau "log (3,2)-log (10 4) Pcrhatika" dapat bahwadijelaskan pK berkaitan dengnn A' seport i pH dengan [H ]. D — G + A<—^ A — G + D /{ adalah mol*’ per liter*. Seperti diisyaratkan oleh namanya, secara statistik. Untuk mcnyatakan probabilitas 2-4). basa lemah. Karena clektrolit lemah hanya sedikit berdisosiasi HA *=> H* + A = -0,5 + 4,0 = 3,5 produk ion KW secara numeris setara dengan basil kali konsentrasi Semak,n kuat asam, semakin rendahbcrada nilai pA-nyn. bahwa sebuah hidrogen dalam bentuk ion adalah 0,01 sama dalam larutan, kita harus menggunakan konstanta disosiasi Hidrolisis dan fosforolisis glikogen, yaitu gugus glukosil molar H* danuntuk OH : disosiasi ini adalah P a ^mia an untuk menyatakan kekuatan relatif 1 saat,, 35a " CONTOH Lemah 2: Bcrapa & pl 1 sebuah larutan yang konscntrasi ion artinya dengan mengatakan bahwa padaasam setiap sebuah atom Konstanta kesetimbangan Larutan Asam untuk menghitung konsentrasi (atau ]) yangadalah dihasilkan dipindahkan ke air[H'| atau ke [OH ortofosfat contoh reaksi 0111 sct a p. .. * p asam lemah, konjugatnya adalah hidroksidanya adalah hidrogen memiliki kemungkinan 1 dari 100 untuk menjadi ion dan Garamnya Menyangga 4,0 x 104 mol/L? Kita mula-mula oleh molaritas tertentugugus. asam Konstanta (atau basa) lemah sebelum Kw=lH1IOH| pemindahan keseimbangan untuk hidrolisis at c 11 an u _ n n i A i ” * i ga, konjugat basa kuat adalahdari asam lemah. mendefinisikan kuantitas pOH yang setara dengan -log [OH ] dan 99 darisuatu 100 sebagai bagian sebuah molckul air. Perubahan pH menghitungikatan [H*] total (atausangat [OH ] total) dan kemudian pH. kovalen menguntungkan pembentukan produk- I ‘ kemungkinan IHAl Pada 25 °C, K = (10 )’. atau 10 11 (mol/L)2. Pada suhu di bawah 25 , U tn a Kekuatan relatif basa dinyatakan berdasarkan men^T °? , f >' yang dapat berasal dari definisi K : Probabilitas sebcnarnya dari sebuah atom hidrogen dalam air murni produk penguraian. Biosintesis makromolekul juga melibatkan »C, konstanta ini sedikit lebih kecil daripada 10 M, dan pada suhu di asam atau basa lemah dan 8 dari MtU tl;l at Larutan 9 K„=konjugatnya IH *| (OH 1 mem= 10M perlihatkan Untuk senyawa poliproteik yang m3 P~“" P -disosiasi, bcrada dalam bentuk ion hidrogen adalah sekitar 1,8 x 10' . Oleh Gugus Fungsional yang Merupakan reaksi pemindahan gugus, yaitu pembentukan ikatan kovalen Perkalian-silang menghasilkan 1 atas 25 °C angkanya lebih besar daripada !0 ' Dalam batas-batas kemampuan menyangga, yaiti/ kemampuan menahan perubahan pH I rfl I ‘."® ‘“Script sesuai iirntan keasaman karena itu, angka probabilitas atom itu sebagai bagian dari molekul air Asam Lemah Memiliki Makna Fisiologis dipadukan yang secara termodinamis kurang menguntungkan relatif. Untuk disosiasi tipc efek suhu, K11A dengan 10 " (mol/L)2 untuk semua larutan Y setara IH' | = /CJHAI setelah penambahan asam atau basa kuat. Karena banyak reaksi hampir mendekati satu. Dengan kata lain, untuk setiap ion hidrogen Pentingdengan reaksi-reaksi yang menguntungkan sehingga perubahan dalam air, bahkan larutan asam atau basa. Kita menggunakan metabolik discnai oleh pembebasan atau penyerapan proton, R—NH/ —R—NH, + H* dan ion hidroksida dalam air murni, terdapat 1,8 milyar atau 1,8 x Bagi kedua sisi dengan [A 1: keseluruhan dalam energi bebas menguntungkan pembentukan untuk mcnghitung pl 1 larutan asam dan basa. kebanyakan reaksi incrascl mengalami penyanggaan/pendaparan Banyak zat biokimia Dengan memiliki sifat gugusair fungsional yang 10,; molekul air. Bagaimanapun, ion hidrogen dan ion hidroksida biopolimer. yang nukleofilik dan + IHAl |H 1 = K (buffering). Metabolisme oksidatif menghasilkan CO., anhidrida dari merupakan konsentrasinya asam atau basa lemah. karboksil, gugusbiopolimer berperan signifikan menentukan sifat air. IA’ yang tinggi Gugus di dalam sel, mengapa Karena pH ADALAH LOG NEGATIF asam karbonat yangitu: jika tidak disangga akan menimbulkan asidosis setara amino, dan seperti ester Fosfat, disosiasi keduanya dalam sintesis (penguraian) N1 proteinyang dan DNA relatif stabil? berada Dan bagaimana pAT adalah pH Untuk ketika disosiasi konscntrasi asam R air, KONSENTRASI ION HIDROGEN |H*konstan 1 + log diperlukan [OH 1 = logketerlibatan 10‘ berat. Untuk memelihara pH log yang Lakukan logaritma pada kedua sisi: rentang fisiologis, terdapat dalam protein dan asam nukleat, + Perhatikan pH lingkungan per miliekuivalen OHpokok yang biopolimerbahwa dapat perubahan terjadi dalam air? Yang dengan konscntrasi basa R NH K _ |H | |OH ] pendaparan oleh fosfat, bikarbonar, dan protein yang menerima atau [•1 sebagian besar dan kebanyakan metabolit zatLarutan antara. Istilah pH diperkenalkan pada tahun 1909 oleh Sorensen, y^ng ditambahkan bergantung pHsifat awal. dari koenzim, dua pertanyaan ini pada adalah enzim. Tanpamenahan adanyaDari persamaan di atas yang mengaitkan K ke [ I dan atau [H 01 membebaskan proton untuk menahan perubahan pH. Untuk 2 Oleh karena itu, pengetahuan tentang disosiasi asam danmendekati basa 'oglH^'og pH sebagai log negatif dari konsentrasi ion mendefinisikan perubahan pH paling efektif reaksi pada nilai pH secara yang pAT. katalisis enzim, bahkan yang termodinamis cngan onsentrasi asam yang tidak tcrdisosiasi dan basa eksperimen yang menggunakan ekstrak enzim, pH yang pH +jaringan pOH = atau 14 Untuk lemah menjadi dasar untuk memahami pengaruh pH intrasel tanda kurung menyatakan konscntrasi molar (secara lebih tepat, hidrogen: Suatu larutan asam lemahpasti danberlangsung basa konjugatnya menguntungkan belum cepat. paling Kontrolefektif yang konjugasmya, jika konstan dipertahankan oleh penambahan larutan' penyangga, pada struktur biologis. berdasarkan aktivitas molar) dan K adalah konstanta disosiasi. Karena 1 mol air pH = -logIHA IH* 1 Definisi ini, meskipun menyangga dalam rentang pH Pemisahan p/f + 1,0 satuan pH. tepatdandanaktivitas diferensial atas aktivitas enzim serta pemisahan memecahkan soal dengan pendekatan ini: = log K, + m.salnya MES (asam [2-/V-morfolino|etansulfonat, pV 6,1), IR—COO IR—COOHI muatan (mis.enzim elektroforesis kromatografi pertukaran ion)netto ,u ga pada memiliki bcrat 18| =gram, 1 liter (L) (1000 g) air mengandung 1000 -r Gambar 2-4dan juga memperlihatkan muatan satu di organel-organel tertentu menentukan dalam kondisi [OH tidak ketat, cukup untuk banyak kcpentingan biokimia. Untuk = 4,0 Nx 10“* l I log ortofosfat anorganik (pA', 7.2),pOH HEPES (asam paling baik jika dipahami dari aspek perilaku disosiasi gugusatau jika 18 = 55,56 mol. Oleh karena itu, air murni adalah 55,56 molar. molekul asam fungsi pH.akan Muatan fraksional -0,5 tidak fisiologis apasebagai suatu biopolimer dibentuk atau diuraikan. = - log |OH ] mcnghitung pH larutan: A’ 1 gugus fungsional. hidroksietilpiperazin-yV-2-etansuifonat, pK 6,8), atau Tris Karena probabilitas bahwa sebuah hidrogen dalam air murni akanKalikan dengan -1: L Hitung konsentrasi ion hidrogen [H‘] IR—NHJ = [R_NH,*| berarti satudibentuk molekul muatan hidrolisis, separuh, Polimerbahwa yang baru tidakmembawa segera mengalami = -log (4,0 x 10'4) Kita menyebut spcsics berproton (mis. HA atau R— NH/) (tris[hidroksimetil] aminometan, pK 8,3). = berada dalam bentuk ion hidrogen adalah 1,8 x 10‘\ konsentrasi melainkan bahwa suatubiosintetik molekul sebagian menunjukkan karena bagian aktifPROBABILITAS enzim-enzim maka -logNilai (4,0)pA" - logrelatif (1O'4)terhadap = + Hitung logaritma berbasis 10 dari [H*l -log[H ] = -Iog/C a-log^l|^^ sebaga. asam dan spesies tidak berproton (mis. A atau R—NH,) pH yang diinginkan adalah penentu utama larutan penyangga mana molar ion H' (atau ion OH ) dalam air murni adalah hasil dari memiliki satu unit muatan negatif padalingkungan setiap saat yang adalahtidak 0,5. memisahkan substrat dalam suatu -0,60 + 4,0 = 3,4 pH adalah nilai negatif dari angka yang d.temukan K,= |H‘l sebaga. basa konjugatnya. Demikian juga, —kita dapat 9 yang dipilih. probabilitas, 1,8 x 10" , dikali dengan konsentrasi molar air, 55,56 di tahap 2. Perhitungan muatan mengandung air. netto pada makromolekul sebagai fungsi pH Ganti -log [H*] Gontohnya, dan -log AT masing-masing dengan pH dan pAf; menyebut suatu basa (mis. A~ atau R—NH2) dan asam untuk air murni pada 2S ■>(.., Oleh karena itu, jika spesiesadalah yang terasosiasi (mendapat 1 endaparan dapat diamati dengan menggunakan suatu mol/L. Hasilnya 1,0 x 10 7 mol/L. merupakan dasar bagi teknik pemisahan misalnya kromatografi Kini: konjugatnya (mis. HA atau R—NH *)• Contoh asam lemah maka: proton) dan tcrdisosiasi (basa dapat konjugat) terdapat Kuntuk dalam air murni: pengukur pH selagi kita menitrasi atau=basa 2Kita sekarang mcnghitung pertukaran ion dan elektroforesis. Memperlihatkan pH = 1 4asam - pOH I 4 =lemah (Gambar 3,4 (kiri), basaMolekul konjugatnya Air (tengah), dan nilai p/C- nya (kanan) pH ,=[HA| - logp|HH=*pKa-log— I = -log ,()' = = 7'° onsentrasi sama, konsentrasi ion hidrogen [H*] setara secara 4). Kita juga dapat menghitung pergeseran pH yang menyertai Kecenderungan Disosiasi yang 10,6 antara lain adalah: Nilai ini juga dikenal sebagai POWER (Inggris), PUISSANT (Penumerik dengan konstanta disosiasi, K. Jika dilakukan Kekuatan AsamPenting penambahan asam atau basa ke suatu contoh,KOH dan Ringan, Tetapi CONTOH 3: Berapa nilailarutan pH dariterdapar. (a) 2,0 xPada 10'2 mol/L Inversi suku yang terakhir menghilangkan tanda minus dan rancis), atau POTENNZ (Jerman) dari pangkat sehingga digunakan Bergantung pada logaritma tcrhadap kedua sisi dari persamaan di atas dan larutan terdapar (suatu 6asam lemah. (b) 2,0 x 10‘ mol/L KOH? OH' berasal dari dua sumber, KOH dan menghasilkan persamaan Henderson-Hasselbalch: huruf”p”. Kcmampuan Molekul air untuk mengalami ionisasi, meskipun sedikit, Struktur kedua sisi dikalikan dengan -1, persamaannya adalah sebagai air. Karena pH ditentukan oleh [H'] total (dan pOH oleh [OH ] R—CH2—COOH CH2—COO-Karena R = sangat penting bagiR— kehidupan. airp/e dapat berikut total), kedua sumber perlu diperhitungkan. Pada kasus pertama (a), R—CH Banyak yang penting d.iri 2segi biologi memiliki 2—NHasam 3* —CH2—NH Kt = \H'\ 4-5 p/C lebih dari kontribusi air HCO3sebuah proton dari H2CO3satu gugus disosiatif. Pembebasan "log KA = -log 11 r 1 = 9-10 2 HPO4 .......................- H . .2...........1 PO4p/C 2,15 6,82 12,38 3,08 4,74 5,40
=6,4 K_______
BAB 3: ASAM AMINO & PEPTIDA / BAB 2: AIR & pH /
P*2 2,4
9,8
2,4
9,9
BAGIAN I
Tnbel 3-1. Asam I -a-Amino yang terdapat dalam protein
Struktur & Fungsi Protein & Enzim 2,2
9,7
2,3
9,7
2,3
9,8
Asam Amino & Peptida Peter J. Kennelly, PhD, & Victor W. Rodwell, PhD
Meskipun kode genetik yang terdiri dari tiga Imruf dapat mengakomodasi lebih dari dua puluh asam amino, namun kodonkodon yang ada hanya mengodc dua puluh asam L- a amino yang tercantum di Tabel 3-1 yang diklasifikasikan berdasarkan polaritas gugusgugus R-nya.tcrhambat Baik singkatan satu huruf maupun untuk suatu oleh adanya muatan negatiftiga di luiruf sekitarnya masing-masing asam amino dapat digunakan untuk mewakili asam sehingga meningkatkan pA'. I lal ini tampak je as c ari nilai pAT amino dalam peptida (label 3-1). Sebagian protein mengandung untuk tiga gugus disosiatif asam fosfor dan asam sitrat (Tabel 2-2). asam-muatan asam amino modifikasijarak. asam Efek sekitar tambahan menurun yang seiringterbentuk dengan dari pcrtambahan amino yang sudah adasuksmat dalam peptida. Contobnya antara metilen lain adalah pA] kedua untuk asam yang memiliki dua gugus di perubahan prolin dan lisin5,6, mensementara jadi 4-hidroksiprolin dan 5antara guguspeptidil karboksilnya adalah PK kedua untuk asam glutaratyangperubahan memiliki satu gugus metilen tambahan adalahyhidroksilisin; peptidil glutamat menjadi 5,4. karboksiglutamat; dan mctilasi, formilasi, asetilasi, prenilasi, dan fosforilasi residu-rcsidu aminoasil tertentu. Modifikasi-modifikasi ini mcmperluas biologispada protein Sifat dengan Medium mengubab daya Nilai pfCakeberagaman Bergantung larut, stabilitas, dan interaksi protein-protein ini dengan protein lain. PK suatu gugus fungsional juga sangat dipengaruhi oleh medium di sekitarnya. Medium dapat meningkatkan atau menurunkan Selenosistein, Asam L-a-Amino ke-21? pAT bergantung pada apakah asam yang tidak terurai atau basa Selenosistein adalah adalah spesies suatu asam amino yang konjugatnya yang L-a bermuatan. Efekditemukan konstantadi sejumlah protein. oleh menambahkan namanya, sebuah atom dielektrik pada p/TSeperti dapat diisyaratkan diamati dengan etanol selenium menggantikan sulfur dari analog strukturalnya, yaitu sistein. keair. p/T asam karboksilat MENINGKRTT, sedangkan pAT amin pKS selenosistein, adalah 3 satuan lebih rendah MENURUN karena yaitu etanol5,2,menurunkan kemampuan air daripada untuk pKS sistein. spesies Karena bermuatan. dimasukkanKarena ke dalam polipeptida melarutkan itu, nilai pAT gselama UgUS translasi, selenosistein sering disebut amino ke-21”. disosiatif di bagian dalam protein sebagai sangat ”asam dipengaruhi oleh Akan tetapi,lokal, tidaktermasuk seperti dua asam lingkungan ada puluh tidaknya air.amino yang dikode secara genetik, selenosistein tidak dikode oleh kodon tiga-huruf biasa (lihat Bab 27). RINGKASAN
PERAN BIOMEDIS Selain berupa unit monomer pembentuk rantai polipeptida panjang pada prorein, asam L-a amino dan turunan- turunannya ikut serta dalam beragam fungsi sel, misalnya transmisi sarafdan biosintesis porfirin, purin, pirimidin, dan urea. Polimer pendek asam-asam amino yang disebut PEPTIDA melaksanakan peran menonjol dalam sistem neuroendokrin sebagai hormon, HORMONE-RELEASING FACTORS, neuromodulator, atau neurotransmiter. Sementara protein hanya mengandung asam L-a amino, mikroorganisme mengeluarkan peptida yang mengandung baik asam D- maupun L-a amino. Beberapa dari peptida ini berguna untuk terapi, termasuk antibiotik basitrasin dan gramisidin A serta obat antitumor bleomisin. Peptida mikroba tertentu bersifat toksik. Peptida sianobakteri, yaitu mikrosistin dan nodularin bersifat letal dalam dosis besar, sedangkan dosis kecil menyebabkan terbentuknya tumor hati. Baik manusia maupun hewan tingkat tinggi lainnya tidak dapat menyintesis sepuluh dari dua puluh asam L-a amino umum dalam jumlah yang memadai untuk menunjang pertumbuhan masa bayi atau mempertahankan kesehatan saat dewasa. Oleh karena itu, diet manusia harus mengandung asam-asam amino yang secara nutrisional esensial ini dalam jumlah memadai.
SIFAT ASAM AMINO Kode Genetik Menentukan Dua Puluh Asam L-a-Amino
•
Diantara lebih dari tiga ratus asam amino yang terdapat di alam, dua puluhnya berupa unit monomer protein.
-CH -COO NH,
1,9
+
-CH -COO NH +
2,1
14
Air membentuk kumpulan-kumpulan dengan dirinya sendiri dan dengan donor atau akseptor proton yang
15 13
• Larutan penyangga menahan perubahan pH saat terjadi d'satukan oleh .katan h.drogen. Ikatan hidrogen menentukan Gugus R Nama Simbol Rumus Struktur pembentukan atau penyerapan proton. Kapasitas penyangga tegangan permukaan, viskositas, keadaan ca.r dalam suhu b maksimal terjadi pada ± 1 unit pH di kedua sisi pA\ Larutan kamar, kekuatan air-sebagai Pdarut. Dengan Rantaidan Samping Alifatik Sc penyangga fisiologis antara lain adalah bikarbonat, ortofosfat, GlisinSenyawa yang mengandung O. N, atau S dapat berfungsi bagai dan protein. donor atau akseptor Gly ikatan hidrogen Makromolekul menukarkan H—CH — COO I ikatan hidrogen permukaan internal untuk ikatan hidrogen air. + NH, REFERENSI Gaya-gaya entropi menentukan bahwa makromolekul memajankan rcgio [G] polar ke daerah pertemuan denganCH,“CH air dan -COO" Alanin Reese KM. Whence came the symbol pH. Chcm & Eng News 2004:82:64. membenam- kan rcgio nonpolar. NH,+ Scgel IM. Biochemical Calculations. Wiley, 1968. Ikatan garam, interaksi hidrofobik, dan gaya van dcr Waals ikut Stillinger FH: Water revisited. Science 1980:209:451. mempertahankan struktur molekul. H c ’s Ala Valin Surcsh SJ, Naik VM: Hydrogen bond thermodynamic properties of water from Pl I adalah lognegatifdari [I P]. pH rendah menunjukkan Jarutan dielectric constant data. J Chcm Phys 2000:1 13:9727. CH-CH asam, dan pH tinggi menunjukkan larutan basa. + Wiggins PM: Role of water in some biological processes. Microbiol Kekuatan asam lemah dinyatakan oleh pA\ log negatif dari NH, -COO H,C Rev 1990:54:432. (A] konstanta disosiasi asam. Asam kuat memiliki nilai pA' rendah HC 'N dan asam lemah memiliki nilai pA' tinggi. Leusin CH — CH, —CH— COO / 1 + Val HC NH,
CH,
Isoleusin
CH,
[V]
CH-CH-COO CH, NH,+
Dengan Rantai
Serin
Treonin
Samping yang
Mengandung Gugus Hidroksil (OH)
CH.-CH—COO~ •OH NH,"1
Ser [S]
CH - CH-CH-COO 111 + OH NHj
Thr [T]
Lihat bawah.
Tyr [V] Dengan Rantai Samping yang Tirosin Sistein
16/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM BAB 3: ASAM AMINO & PEPTIDA /
77
Tabel 3-1. Asam L-a-Amino yang terdapat dalam protein, (lanjutan)
Glutami
Gin [Q]
H,N- C~ CH, — CH, — CH -COO“ O
Dengan Rantai Arginin
NH.
Samping yang Mengandung Gugus Basa Arg [R]
a-COOH 1,8
H- N-CH, -CH, -CH, -CH C = NH, +
N
cxNH, 9,0
Gugus R 12,5
H/
NH Lisin
Lys
CH, —CH, —CH, -CH, -f CH
2,2
9.2
10,8
NH/
[K]
-CH, -CH —COO" I NH/
HN^N
9.3
6,0
His Aromatik Mengandung Cincin Histidin Fenilalanin
His
Lihat atas.
[H]
2,2
^CH, - CH COO~
Phe
9,2
pada R—NH/ Pada pH faali (pH 7,4), gugus karboksil hampir seluruhnya bcrada dalam bentuk R—COO dan gugus amino terutama sebagai R—NH/ Gambar 3-1 memperlihatkan efek pH pada asam aspartat bermuatan. Molekul yang mengandung gugus terionisasi dengan muatan berlawanan yang setara sehingga tidak memiliki muatan netto disebut ZWITTERION. Oleh karena itu, asam amino dalam darah dan kebanyakan jaringan seyogianya direpresentasikan seperti pada A. berikut ini.
NH/
Tiros in
Tyr [Y]
NH,'
2,2
HO Tripfofan
9.1
CH, —CH—COO'
NH.
o-
10,1
OH
O
O
NH/ Trp [W]
rr-CH, —CH —COO"
2,4
9,4
I
Asam Imino
pH sekitar 3; muatan netto = 0
G A M B A R 3 - 1 . Kesetimbangan protonik asam aspartat.
NH, Histidir
Dalam asam kual (pH kurang dari 1); muatan netto = +1
Pro [P]
Prolin
^coo-
20
10,6
Struktur B tidak dapat berada dalam larutan air karena pada setiap pH yang cukup rendah untuk mcnimbulkan protonasi gugus karboksil, gugus amino juga akan terproronasi. Demikian juga, pada setiap pH yang cukup tinggi bagi gugus amino tidak bermuatan untuk mendominasi, akan terdapat gugus karboksil sebagai R—COO'. Namun, representasi tidak bermuatan B (atas) sering digunakan untuk reaksi yang tidak melibatkan keseimbangan protonik.
9,2
sekitar
9,1
13
sekitar 1
10, 8
Hanya Asam L-a-Amino yang Terdapat dalam Protein Dengan satu-sacunya pengecualian glisin, karbon-a asam amino bersifat CHIRAL. Meskipun sebagian asam amino protein bersifat dekstrorotatorik dan sebagian levorotatorik, semuanya memiliki konfigurasi mutlak L-gliseraldehida dan karenanya merupakan asam L-a amino. Beberapa asam L-a amino bebas memiliki peran penting dalam proses metabolik. Contohnya adalah ornitin, sitrulin, dan argininosuksinat yang ikut serta dalam sintesis urea; tirosin dalam pembentukan hormon tiroid; dan glutamat dalam biosintesis neurotransmiter. Asam D-amino yang terdapat secara alami antara lain adalah D-serin dan D-aspartat bebas dalam jaringan otak, D-alanin dan D-glutamat dalam
dinding sel bakteri gram-positif, dan asam D-amino dalam peptida sebagian R
nonmamalia dan antibiotik tertentu.
Asam Amino Dapat Memiliki Muatan Netto Positif, Negatif, atau Nol Bentuk-bentuk bermuatan atau tidak bermuatan gugus asam lemah yang dapat terionisasi -COOH dan —NH/ terdapat dalam larutan dalam kesetimbangan protonik:
R—COOH R—COO + H‘ R—NH3+ R—NH, + H* asam yang jauh lebih kuat dari-
Asp
N Mengandung Gugus Asam atau Amidanya
"OOC— CH-CH —COOI + NH3 H,N-C- CH3-CH — COO-
[D]
O
II
9,9
3,9
9,5
4,1
0
NH,
Asn
G A M B A R 3 - 2 . Hibrid resonansi dari bentuk-bentuk berproton gugus R histidin clan arginin. glutamat
Meskipun R—COOH dan R—NH/ adalah asam lemah, namun R—-COOH adalah
H
Dengan Rantai Samping yang /
R I NH Asparagin I C-NH,
9,3
R N-H
Asam aspartat
8,3
[N]
2,1
(dilanjutkan)
Gugus Kisaran pK Terdisosias A-KARBOKSIL
NON-A COOH ASP ATAU GLU
3,5- 4,0 4,0-4,8
IMIDAZOL HIS
6,5-7,4
SH CYS
8,5-9,0
OH TYR
9,5-10,5
A-AMINO
8,0-9,0
E-AMINO LYS
9,8-10,4
GUANIDINIUM ARG
-12,0
18/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
Untuk lisin, pi dihitung dari:
pK2+pK3 H
2
Perhitungan serupa berlaku untuk semua asam poliprotik (mis. protein), berapapun jumlah gugus disosiatif yang ada. Di laboratorium klinik, pengetahuan tentang pi memberi petunjuk dalam memilih kondisi untuk melakukan pemisahan elektroforetik. Contohnya, elektroforesis pada pH 7,0 akan memisahkan dua molekul dengan nilai pi 6,0 dan 8,0, karena pada pH 7,0 molekul dengan pi 6,0 akan memiliki muatan positif netto, dan molekul dengan pi 8,0, muatan negatif netto. Hal serupa berlaku dalam pemisahan kromatografik pada medium penopang ionik, misalnya DEAE selulosa (lihat Bab 4).
N51ai pKa Bervariasi Sesuai Lingkungan Lingkungan pada suatu gugus yang dapat terurai memengaruhi p/f gugus tersebut. Karena itu, nilai pK gugus R asam amino bebas dalam larutan air (label 3-1) hanya memberikan perkiraan tentang nilai pA' asam amino yang sama jika terdapat dalam protein. Lingkungan polar menguntungkan bentuk bermuatan (R —COO' atau R— NH3*), dan lingkungan nonpolar menguntungkan bentuk yang tidak bermuatan (R—COOH atau R —NH,). Karena itu, lingkungan nonpolar MENINGKATKAN p/f gugus karboksil (menyebabkannya menjadi asam yang lebih lemah), tetapi MENURUNKAN PAT gugus amino (menyebabkannya menjadi asam yang lebih kuat). Adanya gugus-gugus bermuatan di sekitar dapat memperkuatatau menekan efekpelarut. Dengan demikian, p7
Tabel 3-2. Kisaran tipikal nilai pK^ untuk gugus yang dapat terionisasi dalam protein.
tioredoksin yang terbenam, memiliki pA di atas 9—yaitu pergeseran yang melebihi 6 satuan pi 1!
Kelarutan Asam Amino Mencerminkan Sifat loniknya Gugus fungsional bermuatan pada asam amino menjamin bahwa asam tersebut mudah dilarutkan oleh—dan karenanya larut dalam— pelarut polar, misalnya air dan etanol, tetapi tidak larut dalam pelarut nonpolar, misalnya benzena, heksana, atau eter. Asam amino tidak menyerap sinar tarnpak dan karenanya tidak berwarna. Namun, tirosin, fenilalanin, dan terutama triprofan menyerap sinar ultraviolet dengan panjang gelombang tinggi (250290 nm). Oleh karena itu, triptofan berperan besar dalam kemampuan sebagian besar protein menyerap sinar dalam regio 280 nm.
GUGUS cc-R MENENTUKAN SB ASAM AMBND
FAT
Karena glisin asam amino terkccil yang dapat terakotno- dasi di tempat-tempat yang tidak dapat diakses oleh asam amino lain, asam amino ini sering terdapat di tenipat peptida menekuk secara tajam. Gugus R hidrofobik alanin, va- lin, leusin, dan isoleusin serta gugus R aromatik fenilalanin, tirosin, dan triptofan biasanya terutama terdapat di bagian interior protein sitosol. Gugus R bermuatan pada asam amino basa dan asam menstabilkan konformasi protein spesifik melalui interaksi ionik, atau ikatan garam. Ikatan-ikatan ini juga berfungsi dalam sistem “penghantaran muatan (CHARGE RELAY)" sewaktu katalisis enzimatik dan pemindahan elektron dalam mitokondria yang melakukan respirasi. Histidin berperan unik dalam katalisis enzimatik. pK proton imidazol- nya memungkinkan zat ini berfungsi pada pH netral sebagai katalis basa atau asam. Gugus alkohol primer pada serin dan gugus tioalkohol primer (— SH) pada sistein adalah nukleofil yang sangat baik dan dapat berfungsi sedemikian sewaktu katalisis enzimatik berlangsung. Namun, gugus alkohol sekunder pada treonin, meskipun merupakan nukleofil yang baik, tidak melakukan peran serupa dalam katalisis. Gugus —OH pada serin, tirosin, dan treonin juga ikut serta dalam regulasi aktivitas enzim yang aktivitas katalitiknya bergantung pada keadaan fosforilasi residu-residu ini.
GUGUS FUNGSIONAL MENENTUKAN REAKSI KIMIA ASAM AMINO Masing-masing gugus fungsional pada sebuah asam amino memperlihatkan semua reaksi kimia khasnya. Untuk gugus asam karboksilat, reaksi-reaksi ini mencakup pembentukan ester, amida, dan anhidrida asam; untuk gugus amino,
pH sekitar 6-8; muatan notto = -1
Dalam basa kuat (pH di atas 11); muatan netto = -2
Nilai pfCa Menggambarkan Kekuatan Asam Lemah Kekuatan asam dari asam lemah dinyatakan sebagai P/F. Untuk molckul dengan banyak proton yang dapat tcrurai, pA” untuk masing-masing gugus asam ditandai dengan menempatkan huruf bawah '(SUBSCRIPT) ”a” dengan satu angka (Tabel 3-1). Gugus imidazol pada histidin dan gugus guanidino pada arginin terdapat sebagai hibrid resonansi dengan muatan positif yang terdistribusi di antara kedua nitrogen (histidin) atau kctiga nitrogen (arginin) (Gambar 3-2). Muatan netto suatu asam amino —jumlah aljabar semua gugus yang bermuatan negatif dan positif yang ada —bergantung pada nilai pK gugus-gugus fungsionalnya dan pada pH medium sekitar. Pengubahan muatan pada asam amino dan turunannya dengan mengubah pH akan mempermudah pemisahan asam amino, peptida, dan protein secara fisik (lihat Bab 4).
Pada pH Isoelektriknya (pl), Suatu Asam Amino Tidak Memiliki Muatan Netto Spesies isoelektrik adalah bentuk suatu molekul yang I a i muatan positif dan negatifnya setara sehingga netral (ara e e tris. pH isoelektrik juga disebut pi adalah pH di I TCrtC?8a an antara n^a‘ di kedua sisi spesies isoelektrik. ntu < suatu asam amino seperti alanin yang hanya memiliki ;,^OHr;T|Cf,k terdaPat ^IGUITAS. PK pertama o ro * °H).adalah 2,35 dan pK kedua (R—NH,’) adalah arena itu, pH isoelektrik (pi) alanin adalah p|=Pj^i±P^2_ 2,35 + 9,69 2 2 asam polifungsional, pi juga merupakan pH di pertenga an antara nilai-nilai PK di kedua sisi spesies oiom \ Contohnya, pi untuk asam aspartat adalah p|= Pgi±P^2_ 2,09 + 3,96 _ 22
BAB 3: ASAM AMINO & PEPTIDA /
20/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
Ikatan Peptida Memiliki Karakter Ikatan-Rangkap Parsial Meskipun peptida ditulis seolah-olah atom-atom a-karboksil dan a-nitrogen dihubungkan oleh ikatan tunggal, namun ikatan ini pada kenyataannya memperlihatkan karakter ikatan-rangkap parsial: O' O II ^C.
H
Oleh karena itu, pada sebuah ikatan peptida tidak terdapat kebebasan rotasi di sekitar ikatan yang menghubungkan karbon karbonil dan nitrogen. Akibatnya, keempat atom berwarna pada Gambar 3-4 bersifat koplanar. Sifat ikatan peptida yang agak kaku ini memiliki konsekuensi penting untuk pembentukan struktur protein dengan ordo yang lebih tinggi. Tanda panah melingkar (Gambar 3-4) menunjukkan rotasi bebas di sekitar ikatan-ikatan lain di rantai utama polipeptida.
Gaya Nonkovalen Membatasi Konformasi Peptida Pelipatan suatu peptida mungkin terjadi bersamaan dengan biosintesisnya (lihat Bab 38). Konformasi yang aktif secara
fisiologis mencerminkan kontribusi kolcktif sekuens asam amino, hambatan sterik, dan interaksi nonkovalen (mis. ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik) antara residu. Konformasi umum antara Iain adalah 1cm bar a-hcliks dan P-pleated (lihat Bab 5).
ANALISIS KANDUNGAN ASAM AMINO PADA MATERI BIOLOGIS Untuk menentukan identitas dan kuantitas masing-masing asam amino dalam sampel materi biologis, mula-mula hidrolisis ikatan peptida yang menyatukan asam-asam amino perlu dilakukan dengan pemberian HCI panas. Campuran asam amino bebas yang terbentuk kemudian diberi 6-amino- AMiidroksisuksinimidil karbamat yang bcreaksi dengan gugus a-amino untuk membentuk turunan Huorcsen yang dipisahkan dan diidentifikasi dengan menggunakan high- pressure liquid chromatography (kromatografi cair bcrtekanan- tinggi; lihat Bab 4). Ninhidrin, yang juga digunakan secara luas untuk mendeteksi asam amino, membentuk suatu produk berwarna ungu dengan asam a-amino dan addtict (additionproduct) berwarna kuning dengan gugus imin dari prolin dan hidroksiprolin.
RINGKASAN •
•
• 0,36 nm
secara penuh. Empat atom ikatan peptida (berwarna abu-abu) bersifat koplanar. Atom-atom yang tidak diwarnai adalah atom a-karbon, atom ahidrogen, dan gugus a-R asam amino yang ber- sangkutan. Rotasi bebas dapat terjadi mengelilingi ikatan yang menghubungkan a-karbon dengan a-nitrogen dan dengan a-karbo-' nil karbon (tanda panah tebal). Karena itu, rantai polipeptida yang teregang ini adalah struktur setengah kaku dengan dua pertiga atom rantai utama tertahan dalam hubungan planar tetap satu sama lain. Jarak antara atom-atom a-karbon-yang berdekatan adalah 0,36 nm (3,6 A). Juga diperlihatkan jarak antaratom dan sudut ikatan, ypng tidak ekivalen. (Digambar dan diproduksi ulang dengan izin dari Pauling L, Corey LP, Branson HR: The structure of proteins: Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proc Natl Acad Sci USA 1951;37:205.)
•
•
•
Baik asam D-amino maupun asam non-a-amino terdapat di alam, tetapi hanya asam L-a-amino yang terdapat di protein. Semua asam amino memiliki paling tidak dua gugus fungsional asam lemah, R—NH^ dan R—COOH. Banyak asam amino yang juga memiliki gugus fungsional asam lemah lain, misalnya gugus —OH, —SH, guanidino, atau gugus imidazol. Nilai p s e m u a gugus fungsional pada suatu asam amino menentukan muatan nettonya pada pH tertentu. pi adalah pH dari suatu asam amino yang tidak memiliki muatan netto dan karenanya tidak bergerak dalam medan listrik arus searah Dari berbagai reaksi biokimia asam amino, yang terpenting adalah pembentukan ikatan peptida. Gugus R asam amino menentukan fungsi biokimia khas masing-masing. Asam amino diklasifikasikan sebagai basa, asam, aromatik, alifatik, atau mengandung-sulfur berdasarkan sifat gugus R-nya. Peptida diberi nama berdasarkan jumlah residu asam amino yang ada, dan turunan residu terminal karboksil. Struktur primer suatu peptida adalah sekuens asam-asam aminonyayang dimulai dari residu terminal amino.
19
Kreil G: D-Amino acids in animal peptides. Annu Rev Biochem Sifat ikatan-rangkap parsial pada ikatan yang Glu-Ala-Lys-Gly-Tyr-Ala E asilasi, amidasi, dan esterifikasi; dan untuk gugus -OH dan -SH, 1997:66:337. menghubungkan karbon karbonil dan nitrogen pada suatu oksidasi dan esterifikasi. Reaksi terpenting asam amino adalah A K G Y Aof an improved automated gasNokihara K, Gerhardt J: Development peptida menyebabkan keempat atom ikatan peptida pembentukan ikatan peptida (diarsir). chromatographic chiral analysis system: application to non-natural tersebut bersifat koplanar dan membatasi jumlah aminoBeberapa acids and natural Peptida protein hydrolysatcs. Chirality 2001; 13:431. kemungkinkan konformasi peptida.
Amino Sanger F: Mengandung Sequences, sequences,Asam and sequences. Annu Rev Biochem Tak-lazim 1988;57:1.
REFERENSI Doolittle RF: Reconstructing history with amino acid sequences. Protein Sci
•
Gambar 3-4. Dimensi dari sebuah rantai polipeptida yang diregang- kan
21
BAB 3: ASAM AMINO & PEPTIDA /
1992; 1:191.
Stadtman TC. Selenocysteine. Annu Rev Biochem 1996;65:83.
Sekuens Asam Amino Menentukan Struktur Primer Jumlah dan ururan semua residu asam amino dalam suatu polipeptida menentukan struktur primernya. Asam-asam amino yang terdapat di dalam peptida disebut residu aminoasil dan dinamai dengan mengganti akhiran -AT atau -IN asam amino bebas dengan -IF (mis. alanil, aspartil, tirosil). Peptida kemudian diberi nama sebagai turunan residu aminoasil terminal karboksil. Contohnya, Lys-Leu- Tyr-Gln dinamai lis/Y-lcus/Y-tiros//glutam/'w. Akhiran —IN pada glutamin menunjukkan bahwa gugus a-karboksilnya tidak terlibat dalam pembentukan ikatan peptida.
Struktur Peptida Mudah Digambar Awalan seperti TRI- atau OKTA- masing-masing menunjukkan peptida dengan tiga atau delapan residu, dan bukan peptida dengan tiga atau delapan ikatan peptida. Berdasarkan perjanjian, peptida ditulis dengan residu yang memiliki gugus amino-a bebas di kiri. Untuk menggambar sebuah peptida, gunakan zigzag untuk mewakili rantai utama atau BACKBONE. Tambahkan atom-atom rantai utama, yang terdapat dalam urutan berulang: nitrogen-a, karbon-a, karbon karbonil. Sekarang tambahkan sebuah atom hidrogen ke masing- masing karbon-a dan ke masing-masing nitrogen peptida, dan sebuah oksigen ke karbon karbonil. Yang terakhir, tambahkan gugus R yang sesuai (diarsir) untuk masing- masing atom a-karbon.
Ca N
Pada mamalia, hormon peptida biasanya hanya mengandung asam amino-a protein yang disatukan dengan ikatan peptida has a pKt greater than 9. Biochemistry 1995:34:8931. standar. Namun, peptida lain dapat mengandung asam amino nonprotein, turunan asam amino protein, atau asam amino yang disatukan dengan ikatan peptida atipikal. Contohnya, terminal amino glutamat pada glutation yang ikut serta dalam pelipatan protein dan dalam metabolisme xenobiotik (Bab 52), berikatan pada sistein melalui suatu ikatan peptida non-a (Gambar 3-3). Terminal amino glutamat pada THYROTROPIN-RELEASING HORMONE ( 1 RH) mengalami siklisasi menjadi asam piroglutamat, dan gugus karboksil pada residu prolil terminal karboksil mengalami amidasi. Peptida-pcptida yang dikcluarkan oleh jamur, bakteri, dan hewan tingkat rendah dapat mengandung asam amino nonprotein. Antibiotik tirosidin dan gramisidin S adalah peptida siklik yang mengandung D-fenilalanin dan ornitin. Opioid heptapeptida dermorfin dan deltoforin di kulit katak pohon Amerika Selatan mengandung D-tirosin dan D-alanin.
Wilson NA et al: Aspartic acid 26 in reduced Escherichia colt thioredoxin
Peptida adallah Polielektrolit Ikatan peptida tidak bermuatan pada semua pH fisiologis. Oleh karena itu, pembentukan peptida dari asam amino disertai oleh kehilangan netto satu muatan positif dan satu muatan negatif per ikatan peptida yang terbentuk. Bagaimanapun, peptida memiliki muatan pada pH fisiologik karena gugus terminal karboksil dan aminonya, dan jika ada, gugus R asam atau basanya. Sama halnya pada asam amino, muatan netto pada peptida bergantung pada pH lingkungannya dan pada nilai pAfa gugus-gugus disosiatifnya.
SH
VV'VV0
I
CH ,
C
I
.CH CH,
O H,C H *H3 N H
II \ / C.
C
H
CH, “OOC
CH.
N COO" / \ \ /
NCC
A
I‘
O
I‘
H || H CH..
|
OH
Singkatan tiga-huruf yang disatukan oleh garis lurus mencerminkan struktur primer yang jelas. Untuk singkatan satuhuruf, garis ditiadakan.
H —C —NH •
C
I I O
CH,
I‘
COO'
I
cocr G A M B A R 3 - 3 . Glutation (y-glutamil-sisteinil-glisin). Perhatikan ikatan peptida non-a yang menghubungkan Glu dengan Cys.
2 PELIPATAN
SH ® SH ^
VNL GIN PHE
ASP MET
/
(s 6 0 cs>
UB UB 8 UBIKUITINASI
3 PENGOLAHAN
XS ®
1R ▼ 2H 2EMCT-ASP-PBE-GLN-VAL
T
O s°0
sU
-------
<§>
s® y s
BAB 4: PROTEIN: PENENTUAN STRUKTUR PRIMER /
Protein: Penentuan Struktur Primer
AAAAA
4 Modifikasi kovalen (mis. asilasi asam lemak)
Peter J. Kennelly, PhD & Victor W. Rodwell, PhD 1 Sintesis
T,p
untuk dianalisis adalah suatu tantangan besar yang mungkin memerlukan beberapa teknik pemurnian secara bcituiutan. Berbagai pendekatan klasik memanlaatkan pci bcdaan kelarutan relatif masing-masing protein sebagai iungsi p (pengendapan isoelektrik), polaritas (pengendapan cknt,an etanol atau aseton), atau konsentrasi garam (pcngg.uaman dengan amonium sulfat). Pcmisahan kromatoguh memisahkan molekul-molekul antara dua lase, satu dapat bergerak dan yang lain diam. Untuk memisahkan asam amino atau gula, fase diam atau matriks dapat bciupa selembai; kertas saring (kromatografi kertas) atau lapisan tipis selulosa, silika, atau alumina (kromatografi hipis-tipis, THIN LAYER CHROMATOGRAPHY, TL.C).
PERAN BDOMEDIS Protein adalah makromolekul yang secara fisik dan fungsional kompleks yang melakukan beragam peran penting. Suatu jaringan protein internal, sitoskeleton (Bab 48), mem- pertahankan bentuk dan integritas fisik sel. Filamen aktin dan miosin membentuk perangkat kontraksi otot (Bab 48). Hemoglobin mengangkut oksigen (Bab 6), sementara antibodi dalam darah mencari benda asing yang masuk (Bab 49). Enzim mengatalisis reaksi yang menghasilkan energi, membentuk dan menguraikan biomolekul, mereplikasi dan menerjemah- kan gen, mengolah mRNA, dsb (Bab 7). Reseptor memungkinkan sel mengindera dan berespons terhadap rangsang hor- mon dan lingkungan (Bab 41 dan 42). Protein mengalami perubahan fisik dan fungsional yang mencerminkan siklus hidup organisme tempat protein itu berada. Protein biasanya ’’lahir” saat translasi (Bab 37), mengalami pematangan melalui pengolahan pascatranslasi misalnya proteolisis parsial (Bab 9 dan 37), berada secara berselang-seling dalam bentuk aktif dan istirahat melalui intervensi faktor-faktor regulasi (Bab 9), mengalami penuaan melalui oksidasi, deamidasi, dsb (Bab 51), dan mati setelah dturaikan menjadi asam-asam amino komponennya (Bab 29). Tujuan utama ilmu kedokteran molekular adalah mengidentifikasi protein dan prosesproses dalam siklus hidupnya yang keberadaan, ketiadaan, atau defisiensinya berkaitan dengan keadaan fisiologis atau penyakit tertentu (Gambar 4-1). Sekuens primer suatu protein merupakan suatu sidik-jari molekular untuk mengidentifikasi dan mengetahui informasi protein yang bersangku- tan yang kemudian dapat digunakan untuk mengidentifikasi dan mengldoning gen (-gen) yang menyandinya.
Kromatografi Kolom Kromatografi kolom protein menggunakan suatu kolom (sebagai fase diam) yang mengandung selulosa, akrilamid, atau silika modifikasi berbentuk manik-manik kecil bulat y*uig permukaannya biasanya telah dilapisi oleh gugus fungsional kimia. Matriks fase diam ini berinteraksi dengan piotein berdasarkan muatan, hidrofobisitas, dan sifat pengikatan-li gannya. Suatu campuran protein dimasukkan kc dalam ko lom dan fase cair (bergerak) tersaring melaluinya. Sebagian kecil fase bergerak atau ELUANT dikumpulkan sewaktu keluai (Gambar 4-2).
Kromatografi Parti si Pemisahan kromatografi kolom bergantung pada afinitas relatif berbagai protein terhadap fase diam tertentu c an terhadap fase bergerak. Ikatan antara setiap protein tan matriks bersifat lemah dan sementara. Protein yang berinteraksi lebih kuat dengan fase diam akan tertahan lcbi i lama. Lama waktu suatu protein berikatan dengan fase diam merupakan fungsi komposisi fase diam dan bergerak. Oleh karena itu, pemisahan optimal suatu protein dari protein lain dapat dicapai dengan memanipulasi komposisi kedua fase secara cermat.
PROTEAN & PEPTIDA HARUS DIMURNIKAN SEBELUM DIANALISIS Untuk meneliti sifat-sifat fisik dan fungsional suatu protein secara rinci, diperlukan protein yang sangat murni. Sel mengandung ribuan protein yang berlainan, masing-masing dengan jumlah yang sangat bervariasi. Oleh karena itu, isolasi suatu protein spesifik dalam jumlah yang memadai
22
«v Ph0 His
,s ® G|u
Ho Thr
t
3
Pro Ala
Asn
Cys
9 Penguraian Ub Ub
7'Penuaan" (mis. oksidasi, deamidasi, denatures!)
CS>
Katalisis Produk Substrat
u
6 Pengaktifan
23
BAB 4: PROTEIN: PENENTUAN STRUKTUR PRIMER /
24/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
25
Ct
I
5 Translokasi G A M B A R 4 - 3 . Kromatografi eksklusi ukuran. A: Campuran molekul-molekul besar (kotak) dan molckul kecil (lingkaran) dimasukkan ke bagian atas suatu kolom filtrasi gel. B: Saat memasuki kolom, molekul kecil memasuki pori di matriks fase-diam, sedangkan molckul besar tidak demikian. C: Sewaktu fase bergerak mengalir ke bawah kolom, molekul besar akan ikut mengalir, sedangkan molekul kecil, yang secara temporer terlindung dari aliran ketika berada di dalam pori, semakin jauh tertinggal di belakang.
I
Membran
Camtar 4-1. Diagram siklus hidup suatu protein hipotetis. .1) Siklus hidup dimulai dengan sintesis di ribosom suatu rantai polipeptida yang stmktiir prime,nya ditentukan oleh mRNA. (2. Seiring dengan herlanjutnya sintesis. polipeptida mu a, mengalam, pelipatan membentuk siruKiiii |>r
Gambar 4-2. Komponen perangkat kromatografi cair sederhana. R: Reservoar cairan fase bergerak, yang disalurkan karena gravitasi atau dengan menggunakan pompa. C: Kolom kaca atau plastik yang mengandung fase diam. F: Kolektor fraksi untuk mengumpulkan bagian- bagian, yang disebut fraksi, cairan pengelusi di tabung-tabung reaksi terpisah.
muncul istilah ’’pertukaran ion.” Sebagai Contoh, protein mengikat dietilaminoetil (DEAE) selulosa dengan meng- ganti ion pesaing (biasanya Cl' atau CH^COO ) yang me- netralkan amin berproton. Protein yang terikat akan digeser secara selektif dengan peningkatan bertahap konsentrasi ion monovalen dalam fase bergerak. Kekuatan protein untuk mengelusi berbanding terbalik terhadap kekuatan interaksi- nya dengan fase diam. Karena muatan netto pada suatu protein ditentukan oleh pH (lihat Bab 3), elusi sekuensial protein dapat dicapai dengan mengubah pH fase bergerak. Alternatifnya, suatu protein dapat menjalani kromatografi pertukaran ion ber- turutan beberapa kali, masing-masing pada pH yang ber- beda, sedemikian rupa sehingga protein yang ber-ko-elusi pada satu pH akan mengelusi pada konsentrasi garam yang berbeda dan pada pH yang lain.
Kromatografi (Interaksi Hidrofobik Kromatografi
interaksi
hidrofobik
memisahkan
kecenderungannya berikatan dengan suatu matriks
protein
berdasarkan
fase diam yang telah dilapisi oleh gugus hidrofobik (mis. fenil Sepharose, oktil Sepharose). Protein dengan permukaan hidrofobik terpajan akan melekat pada matriks melalui interaksi hidrofobik yang meningkat jika digunakan fase bergerak dengan kekuatan ionik tinggi. Protein yang tidak melekat akan terbilas. Polaritas fase bergerak kemudian ditu- runkan secara bertahap dengan mengurangi konsentrasi garam. Jika interaksi antara protein dan fase-diam sangat kuat, dapat ditambahkan etanol atau gliserol ke fase bergerak untuk menurunkan polaritasnya dan semakin memperlemah interaksi hidrofobik.
Kromatografi Afinitas Kromatografi afinitas memanfaatkan tingginya selektivitas kebanyakan protein terhadap ligannya. Enzim dapat dimurnikan dengan kromatografi afinitas dengan menggunakan substrat, produk, koenzim, atau inhibitor yang telah diimobilisasi. Secara teoretis, hanya protein yang berinteraksi dengan ligan yang telah diimobilisasi akan melekat. Protein yang terikat kemudian dapat dielusi melalui
11 ) ligan larut atau yang kurang selektif melalui r, f, nnmiiiusanpelarut protco i ikorganik sekuens lerdepan cor,„rii gradien menggunakan yang {leader dapat sequence) bercampur kompetisimu dengan t-nnformasi as inva warna terang). (3) Pelipatan dapat discrtai proses lam seperti pLmuius.m [ i , , dengan air, misalnya asetonitril atau metanol. koniormasi iisimy i . i i i/ n vwlitikisi kova en sc amutnya sebagai contoh akan berlekatan pemutusan interaksi protein-ligan menggunakan urea, guanidin m iprminal (warna ue apa au pembentukan ikatan disulfida (S—S).(4) ModiriKasi kov.iicii j r f hidroklorida, pH yang sedikit asam, ataui,-limnrlifikasi konsentrasi garam yang /v-terminaMwaiuci in kc membran. 6) Pengika an kc suatu efek or rlr-MLMn sebuah mo ckul asam lemak untuk (5) translokasi peptida yang telah dimoaitiKasi n.Ki. IIU Kemurnian Protein Dinilai oleh h tinggi. Matriks fase-diam yang tersedia di pasaran mengandung ocngan ii cnr-,r-. is s aktif (7) Seirmg dengan waktu, protein mengalami 1 Elektroforesis Gel Poliakrilamid alosterik (lingkaran yum,,, ........... ,lnstf»rik (linckaran berwarna gelap dapat memicuadopsi konformasi yang secara KaidiibisciRn. , , , . . . ligan, seperti NAD atau nerw.mi.i analog Al P. v...,,..................—................................... Matriks yang digunakan kcrusakan akibat proses kimiawi, deamidasi, atau denalurasi, dan (8) mungkin "dilabel" oleh melekatnya beberapa molekul ,,,, ubikuitin (Ub) untuk memurnikan protein rekombinan yang telah dimodifikasi yang asam-asam paling sering digunakan yang untuk secara kovalen. (9) Protein yang telah mengalami ubikuitinasi ini kemudianMetode diuraikan menjadi amino komponennya dapat menentukan adalah matriks n g a n afinitas yang paling kuat dan baru. paling luas kembalid edigunakan unluk membentuk protein-protein kemurnian suatu protein adalah SDS-PAGE—elektroforesis gel digunakan. Matriks tersebut antara lain matriks Nr* yang poliakrilamid (POLYACRYLAMIDE GEL ELECTROPHORESIS., PAGE) kinkan protein yang diinginkan berikatan dengan fase-diam mengikat protein dengan TAG polihistidin danUkuran matriks glutation Kromatografi Eksklusi dengan menggunakan deterjen anionik natrium dodesil sulfat sedemikian kuat sehingga koefisien partisinya mendekati satu. yang mengikat protein rekombinan yang berhubungan dengan (SODIUM DODECYL SULFATE, SDS). Elektroforesis memisahkan Kromatografi eksklusi ukuran—atau filtrasi gel—memisahkan Molekul-molekul yang tidak melekat mula-mula dielu- si glutation 5-transferase. biomolekul-biomolekul bermuatan berdasarkan laju migrasi protein-protein berdasarkan radius Stokes protein tersebut, yaitu (ELUTED) dan dibuang. Protein kemudian secara sekuensial biomolekul tersebut dalam medan listrik. Pada SDS-PAGE, garis tengah bola yang ditempati protein ini sewaktu masuk Peptida Dimurnikan dengan dibebaskan dengan mengganggu gaya-gaya yang menstabilkan akrilamid mengalami polimerisasi dan pengikatan-silang untuk dalam Phase larutan. Radius Stokes adalah fungsi dari massa dan ReversedHigh-Pressure kompleks fase diam-protein, terutama dengan menggunakan menghasilkan matriks berpori. SDS mendenaturasi dan mengikat bentuk molekul. Protein berbentuk memanjang menempati Chromatography gradienperbandingan konsentrasi satu garam. Komposisi fasedua bergerak protein dengan molekul SDS per ikatan diubah volume yang lebih besar dibandingkan protein bulat dengan secara bertahap sedemikian sehingga molekul dibebaskan peptida. Jika digunakan bersama 2- merkaptoetanol atau secara Matriks fase diam yang Kromatografi digunakan pada kromatografi massa setara. eksklusi ukuran kolom menggunakan urutan penurunan terhadap fase diam. ditiotreitolselektif untuksesuai mereduksi dan me- afinitasnva mutus ikatan disulfida klasik adalah bahan berspons kompresibilitasnya manik-manik berporiyang (Gambar 4-3). Pori-porimembatasi ini analog dengan (Gambar 4-4), SDS memisahkan komponen polipeptida dari aliran fase-bergerak. Kromatografi cairsungai. bertekanan tinggi (HIGH indentasi (cekungan) di tepi Sewaktu obyek bergerak ke Kromatografi Pertukaran Ion protein multimerik. Jumlah molekul SDS anionik yang besar, PRESSURE LIQUID CHROMATOGRAPHY , HPLC) menggunakan manikarah hilir, obyek yang masuk ke cekungan akan tertahan sampai Pada kromatografi pertukaran ion, protein-protein berinteraksi masing-masing bermuatan -1, di masing-masing polipeptida manik halus silika atau alumina dapatutama. dimampatkan obyek tersebut mengaliryang baliktidak ke arus Demikian juga, dengan fase diam interaksi antarmuatan. Protein dengan mengalahkan muatan yangmelalui ditimbulkan oleh gugus fungsional sebagai fase diamdengan dan tekanan ribubesar psi. Matriks protein radiushingga Stokes beberapa yang terlalu untuk masuk ke muatan positif netto pad? pH tertentu melekat pada manikasam amino. Karena perbandingan muatan-terhadap-massa yang tidakpori dapat dimampatkan ini memungkinkan lajudalam aliran fase yangbergerak (protein yang tereksklusi) tetap berada manik dengan gugus fungsional bermuatan negatif, misalnya masing-masing kompleks SDS-polipeptida kira-kirasama, tinggi danyang peningkatan HPLC dapat memisahkan mengalir resolusi. dan muncul di depan protein yang dapat sulfat (penukar kation).peptida Demikian juga, protein resistensi karboksilat fisik yang atau dijumpai masing-masing sewaktu campuran memasuki kompleks pori lipid(protein atau peptida yang sifat-sifatnya hanya yang terinklusi). Oleh karena itu, protein bergerak dengan melintasi muatan matriks negatif akrilamid netto melekat menentukan pada manik-manik laju migrasi. dengan sedikit berbeda. R EVERSED-PHASE HPLC memanfaatkan pohrner muncul dari kolom filtrasi gel sesuai urutan penurunan radius Karena kompleks besar menemui resistensi yang lebih besar, gugus fungsional bermuatan positif, biasanya amin tersier atau alifatik dengan panjang 3-18 atom karbon sebagai fase diam Stokesnya. polipeptida-polipeptida akan terpisah massa molekul hidrofobik. Campuran peptida dielusi dengan kuaterner (penukar anion). berdasarkan Protein yang bersifat polianion, relatif polipeptida Kromatografi Absorpsi bersaing dengan ion-ion monovalen untuk berikatan dengan fase diam sehinggga Pada kromatografi absorpsi, campuran protein dimasukkan ke suatu kolom yang berada dalam kondisi yang memung
MODIFIKASI
! PENINGKATAN MASSA (DA)
FOSFORILASI
: 80
HIDROKSILASI METILASI
: 16 : 14
ASETILASI MIRISTILASI
42 : 210
PALMIFOILASI
: 238
GLIKOSILASI
I 162
BAB 4: PROTEIN: PENENTUAN STRUKTUR PRIMER /
26/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM 28/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
\ O
NH
tersebut (M).Setiap polipeptida yang terperangk.ip dalam gel akrilamiddivisualisasikan dengan pulasan /.it pcw.un.i, seperti COOMASSIE BLUE (Gambar 4-5). Tabel 4-1. Peningkatan massa akibat modiiikasi
pH = 3
IEF
27
pH = 10 ►-
pascatranslasi yang umum. HN
v
Isoelectric Focusing (IEF) menghasilkan SUATU gradien pH di d.il.im matriks poliakrilamid, digunakan penyangga ionik v.mg disebut amfolit (AMPHOLYTES) dan mcdan listrik. Protein akan bermigrasi sampai mencapai rcgio matriks tctnp.it pi I sama dengan tirik isoelektrik protein (pi), yaitu pi I saat muatan netto MOLEKUL nol. I El- digunakan bcrsama dengan SOS- IAGE untuk elektroforesis dua dimensi yang memisahkan polipeptida-polipeptida berdasarkan pi di satu dimensi DAN BERDASARKAN Mf di dimensi kedua (CJambar 4-6). ELEKTROFORESIS dua DIMENSI sangat cocok untuk memisahkan komponen-komponen suatu campuran protein yang KOMPLEKS. UNTUK
Fenilisotiosianat (reagen Edman) dan sebuah peptida
/
G A M B A R 4 - 4 . Pemutusan oksidatif ranlai-rantai polipeptida berdekatan yang 1 disatukan dengan ikatan disulfidaR(berwarnaOgelap) oleh asam performat (kiri) atau pemutusan reduktif olehasam p-merkaptoetanol (kanan) membentuk dua peptida Sebuah feniltiohidantoat yang masing- masing mengandung residu asam sisteat atau residu sisteinil. H\ nitrometan
H,0
E
C
HNH, O
in m
Sebuah feniltiohidantoin dan sebuah peptida yang lebih pendek satu residu
73
G A M B A R 4 - 7 . Reaksi Edman. Fenilisotiosianat menghasilkan turunan residu terminal-amino sebuah peptida sebagai asam feniltiohidantoat. Pemberian asam dalam pelarut nonhidroksilat membebaskan sebuah feniltiohidantoin yang kemudian diidentifikasi berdasarkan mobilitas kromatografiknya, dan sebuah peptida yang lebih pendek satu residu. Proses ini kemudian diulang.
m 48 3
SPEKTROMETRI MASSA MENDETEKSI 4 MODIFIKASI KOVALEN
2
Berkat sensitivitas, kecepatan, dan kegunaannya yang lebih baik, spektrometri massa (SM) telah menggantikan metode GEdman A M B A R sebagai 4 - 5 . Pemakaian SDS-PAGE untuk mengamati pemurnian suatu c a r a u t a m a untuk menentukan sekuens peptida protein rekombinan secara berturut-turut. Gel dipulas dengan C protein OOMASSIE dan protein. Demikian juga, modifikasi pascatranslasi B L U E . Tampak standar protein (lajur S) dengan massanya, ekstrak sel kasar (E), melalui penambahan atau pengurangan gugus karbohidrat, fosforil, sitosol (C), cairan supernatan berkecepatan tinggi (H), dan fraksi D F.A E hidroksil, lainProtein akanrekombinan menambah atau massa mengurangi S E P Hatau A R O Sgugus E (D). memiliki sekitar 45massa kDa. spesifik yang mudah diidentifikasi (Tabel 4-1). Oleh karena itu, spektrometri massa yang membedakan molekul hanya berdasarkan beratnya, dapat
SANGER ADALAH ORANG PERTAMA YANG MENENTUKAN SEKUENS SUATU POLIPEPTIDA Insulin matur terdiri dari rantai A 21-residu dan rantai B 30- residu yang dihubungkan dengan ikatan disulfida. Frederick Sanger mereduksi ikatan disulfida (Gambar 4-4), yang memisahkan rantai A dan B, dan memutus masing-masing rantai menjadi peptida-peptida yang lebih kecil dengan menggunakan tripsin, kimotripsin, dan pepsin. Peptida yang terbentuk kemudian diisolasi dan diberi asam untuk menghidrolisis ikatan peptida dan menghasilkan peptida dengan hanya dua atau tiga asam amino. Masing-masing peptida direaksikan dengan l-fluoro-2,4-dinitrobenzen (ieagen Sanger) yang menghasilkan turunan gugus a-amino yang terpajan pada residu terminal amino. Kemudian dilakukan pengukuran kandungan asam amino masing- masing peptida. Sementara gugus s-amino Iisin juga bcreaksi dengan reagen Sanger, lisin terminal-amino dapat dibedakan dari lisin di posisi lain karena lisin ini bereaksi dengan 2 mol reagen Sanger. Sanger, dengan merunut kc belakang ke fragmen yang lebih besar, dapat menentukan sekuens lengkap insulin, suatu pencapaian yang menyebabkannya dianugerahi hadiah Nobel pada tahun 1958.
REAKSI EDMAN MEMUNGKINKAN SEKUENS PEPTIDA & PROTEIN DITENTUKAN Pehr Edman memperkenalkan fenilisotiosianat (reagen Edman) untuk secara selektif melabel residu terminal amino suatu peptida. Berbeda dari reagen Sanger, turunan
SDS
PAGE
G A M B A R 4 - F > . IEF-SDS-PAGE dua-dimensi. Gel dipulas dengan C O O M A S S I E B L U R . Suatu ekstrak bakteri mentah mula-mula menjalani I S O E L E C T R I C F O C U S I N G (IEF) pada gradien pH 3-10. Gel IEF kemudian diletakkan secara horizontal di atas gel SDS, dan protein kemudian diuraikan lebih lanjut dengan SDS-PAGE. Perhatikan peningkatan pesat resolusi polipeptida-polipeptida dibandingkan dengan gel SDS-PAGE biasa (Gambar 4-5).
fcniltiohidantoin (P 1 H) dapat disingkirkan dalam kondisi ringan untuk menghasilkan residu terminal amino yang baru (Gambar 47). Oleh karena itu, derivatisasi berturut-turut dengan reagen Edman dapat digunakan untuk menentukan sekuens banyak residu dari satu sampcl peptida. Sementara 20-30 residu pertama dari suatu peptida mudah ditcntukan dengan metode Edman, sebagian besar polipeptida mengandung beberapa ratus asam amino. Oleh karena itu, kebanyakan polipeptida mula-mula harus dipotongpotong menjadi peptida yang lebih kecil sebelum menjalani penentuan sekuens dengan cara 'Edman. Pemotongan ini juga mungkin harus dilakukan untuk mengatasi modifikasi pascatranslasi yang menyebabkan gugus a-amino protein ’’terhambat,” atau tidak bereaksi dengan reagen Edman. Biasanya perlu dihasilkan beberapa peptida dengan menggunakan lebih dari satu metode pemutusan. Hal ini mencerminkan inkonsistensi dalam jarak antara tempat- tempat pemutusan (secara kimiawi atau enzimatis) maupun perlunya set peptida-peptida yang sekuensnya tumpang- tindih sedemikian rupa sehingga kita dapat menyimpulkan dari sekuens polipeptida mana peptida tersebut berasal. Setelah pemutusan, peptida-peptida yang terbentuk kemudian dimurnikan dengan REVERSED-PHASE HPLC dan ditcntukan sekuensnya.
BIOLOGI MOLEKULAR MEMPERCEPAT PENENTUAN STRUKTUR PRIMER Pengetahuan tentang sekuens DNA memungkinkan kita menyimpulkan struktur primer polipeptida. Penentuan sekuens DNA hanya memerlukan sejumlah kecil DNA dan mudah menghasilkan sekuens ratusan nukleotida.
Untuk mengldon dan mcngetahui sekuens DNA yang mcnyandi protein tertentu, diperlukan beberapa cara untuk mcngidcntifikasikan klon yang tepat, misalnya pengetahuan tentang sebagian sekuens nukleotidanya. Oleh karena itu, muncullah pendekatan hibrid. Penentuan sekuens cara Edman digunakan untuk menghasilkan sekuens asam amino parsial. Kemudian, digunakan PRIMER oligonukleotida yang disesuaikan dengan sekuens parsial ini untuk mengidentifikasi klon atau memperbanyak gen yang sesuai dengan reaksi berantai polimerase (PCR) (lihat Bab 39). Jika klon DNA otentik telah berhasil diperoleh, sekuens oligonukleotidanya dapat ditcntukan dan kode genetik digunakan untuk menyimpulkan struktur primer polipeptida yang bersangkutan. Pendekatan hibrid ini meningkatkan kecepatan dan efisiensi analisis struktur primer dan ragam protein yang dapat ditcntukan sekuensnya. Teknik ini juga mengatasi kendala seperti adanya gugus penghambat terminal-amino atau ketiadaan peptida kunci yang tumpang-tindih. Hanya beberapa segmen dari struktur primer yang harus ditcntukan dengan analisis Edman. Penentuan sekuens DNA mengungkapkan urutan bagaimana asam-asam amino ditambahkan kc rantai polipeptida yang baru sewaktu disintesis di ribosom. Namun, penentuan ini tidak memberikan informasi mengenai modifikasi pascatranslasi, misalnya pemrosesan proteolitik, metilasi, glikosilasi, fosforilasi, hidroksilasi prolin dan lisin, dan pembentukan ikatan disulfida yang menyertai pematangan protein. Untuk sementara, penentuan sekuens cara Edman dapat mendeteksi sebagian besar proses pascatranslasi, namun keterbatasan teknis sering menghambat identifikasi suatu modifikasi spesifik.
30
BAB 4: 4:PROTEIN: PROTEIN: PENENTUAN STRUKTUR PRIMER /31 BAB PENENTUAN STRUKTUR PRIMER / 29
/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
Banyak protein mengalami modifikasi pascatranslasi sewaktu pematangan menjadi bentuk yang secara fungsional kompeten atau sebagai suatu cara untuk mengatur sifat-sifat protein yang bersangkutan. Oleh karena itu, pengetahuan tentang genom manusia hanya mencerminkan awal dari tugas menjabarkan organisme hidup secara molekular dengan terperinci dan memahami dinamika berbagai proses, misalnya pertumbuhan, penuaan, dan penyakit. Karena tubuh manusia mengandung ribuan jenis sel yang masing- masing mengandung ribuan protein, proteom (proteome)— kumpulan semua protein yang diekspresikan oleh sebuah sel pada waktu tertentu—merupakan suatu tujuan yang dimensi nya cukup besar.
untuk secara langsung memeriksa fungsi potcnsial suatu protein secara massal masih bcrada dalam tahap awal. Namun, kemajuan terkini dalam bidang bioinformatika memungkinkan para peneliti mcmbandingkan sekuens- sekuens asam amino untuk menemukan petunjuk tentang sifatpotensial, peran fisiologis, dan mekanisme kerja protein. Algoritme memanfaatkan kecendcrungan alam untuk menggunakan variasi suatu tema struktural untuk melakukan fungsi serupa di beberapa protein (misalnya Rossmann nucleotide binding fold untuk mengikat NAl)[ P] H, nuclear targeting sequences, dan lengan EF untuk mengikat Ca**J. Domain-domain ini biasanya terdctcksi dalam struktur primer melalui konservasi asam amino tertentu di posisi- posisi kunci. Oleh karena itu, pemahaman tentang sifat Elektroforesis Dua-Dimensi & Gene dan peran fisiologis suatu protein yang baru ditemukan dapat Array Chips Digunakan untuk Menyurvei diperkirakan dengan membandingkan struktur primernya Ekspresi Protein dengan struktur primer protein yang telah diketahui. mendeteksi perubahan fisik yang relatif ringan pada protein yang terjadi sewaktu siklus hidup sel atau organisme. Sampel dalam Salah satu tujuan proteomika adalah mengidentifikasi protein RINGKASAN yang tingkat ekspresinya berkorelasi dengan proses- proses medis vakum diuapkan dalam kondisi saat protonasi dapat terjadi sehingga penting. Anggapannya adalah bahwa protein yang hilang • dihasilkan Polimerpanjangasamaminoatau polipeptida merupakankation unit muatan positif. Kemudian medan listrik mendorong timbulnya berkaitan dengan kondisi fisiologis atau penyakit melalui suatu medan yang incmbclokkan kation-kation struktural dasar magnet dari protein, dan struktur protein tertentu akan memberi petunjuk tentang penyebab dan tersebut tegak lurus dari a rah semula mekanisme dan memfokuskannya ke suatu memberikan petunjuk rentang protein tersebut mekanisme dasar kondisi atau penyakit yang bersangkutan. Untuk detektor (Gambar melaksanakan fungsinya. menentukan karakteristik proteom masing-masing jenis sel 4- 8). magnet yang diperlukan membelokkan lintasan masing• Gaya Protein, selama perjalananuntuk hidupnya, mengalami perubahan diperlukan isolasi dan identifikasi masing-masing protein dengan masing substrat ionik detektor yangfungsi diukurserta sebagai arus yang pascatranslasi yangkememengaruhi menentukan efisiensi yang tinggi. Saat ini pendekatan yang digunakan adalah diaplikasikan nasibnya kc clcktromagnet direkam. Untuk ion-ion yang muatan dengan automasi robot untuk mempercepat persiapan sampel dan nettonya idcntik, gaya umumnya ini setara dengan Padaspektrometri spektrometcr • Metode Edman telah massanya. diganti oleh gel dua-dimensi besar untuk menguraikan protein-protein sel. massa time-suatu of-flight, listrik diaktifkan untuk secara massa, alat suatu yangmedan sensitif danyang serba-guna Kemudian masing-masing polipeptida diekstraksi dan dianalisis singkat akan mempercepat ke arah suatu detektor yang mencatat menentukan strukturionprimer* untuk mengidentifikasi dengan spektroskopi massa atau penentuan sekuens cara Edman. waktu saat masing-masing ion tiba. molckul yang kelainan modifikasi pascatranslasi, danUntuk untuk mendeteksi Sementara, hanya sekitar 1.000 protein yang dapat diuraikan pada metabolik. satu gel, elektroforesis dua-dimensi memiliki keunggulan besar, • Pengklonan' DNA dan biologi molekular disertai oleh ilmu yaitu metode ini melakukan sendiri pemeriksaan protein. kimia protein merupakan pendekatan gabungan yang sangat Pendekatan alternatif yang sekaligus melengkapi adalah meningkatkan kecepatan dan efisiensi penentuan struktur penerapan gene arrays, yang kadang disebut DNA chips untuk primer protein mendeteksi ekspresi mRNA yang menyandi protein. Sementara • Genomika—analisis sekuens oligonukleotida keseluruhan perubahan ekspresi mRNA yang menyandi suatu protein tidak pada materi genetik lengkap suatu organisme—merupakan selalu mencerminkan perubahan kadar protein yang langkah maju berikutnya bersangkutan,.namun gene arrays merupakan detektor yang lebih • Algoritme komputer mempermudah kita mengidentifikasi sensitif daripada gel dua-dimensi dan karenanya dapat memeriksa open reading frames yang menyandi suatu protein dengan lebih banyak produk gen. menggunakan sebagian sekuens serta penentuan profil massa peptida untuk mencari database sekuens. Bioinformatika Membantu • Para ilmuwan kini sedang mencoba menentukan sekuens Kita Mengidentifikasi Fungsi primer dan peran fungsional setiap protein yang Protein diekspresikan di sel hidup, yang dikenal sebagai proteom-nya B A R 4 - 8utama . Komponen dasar spektrometerprotein massa sederhana. Gimpuran • G A MTujuan adalah identifikasi (dan modifikasi Saat ini, fungsi sebagian besar protein yang dikode oleh genom manusia molekul diuapkan dalam keadaan terionisasi dalam kamar sampel, S. Molekulpascatranslasinya) yang hilang timbulnya berkaitan dengan molekul ini kemudian dipercepat menelusuri tabung aliran oleh suatu potensial belum diketahui. Pengembangan protein faali, penuaan, penyakit listrikfenomena yang diaplikasikan pada G R I atau D akselerator, A.tertentu. Suatu elektromagnet yang dapat disesuaikan, E, memberikan medan magnet yang membelokkan perjalanan masing-masing ion sampai ion-ion tersebut menumbuk detektor, Semakin besar massa ion, semakin besar medan magnet yang diperlukan untuk memfokuskannya ke detektor.
muatannya idcntik, REFERENSI
kecepatan molekul-molekul tersebut— dan karenanya waktu yang diperlukan untuk mencapai detektor—akan Austin CP: The impact of the completed human genome sequence on the bcrbanding terbalik dengan massanya. development of novel therapeutics for human disease. Annu Rev Med Spektrometcr massa konvensional umumnya digunakan untuk 2004;55:1. massa molckul sebcsar 1000 Da atau kurang, menentukan Cutler P: Protein arrays: the current state-of-the-art. Proteomics 2003:3:3. sedangkan spektrometer massa TIME-OF-FLIGBT cocok untuk Deutscher MP (editor): Guide to Protein Purification. Methods menentukan massa protein yang besar. Analisis peptida danEn/.ymol protein 1990;spektometri 182. (seluruhmassa volume.) dengan pada awalnya diperumitoleh kcsulitan Geveart K, Vandckcrckhove J: organik Protein identification methods indalam mcnguapkan molekul besar. Namun, MATRIX proteomics. Electrophoresis 145. ASSISTED LASER -DESORPTION2000;21:1 (MALDI) dan CLEETROSPRAY Khan J et al: DNA technology: the anticipated on the DISPERSION (mis.microarray NANOSPRAY ) memungkinkan massaimpact polipeptida study of human disease.(>100.000 Biochim Biophys Acta 1999;1423:M yang besar sckalipun Da) dapat ditcntukan 17. dengan tingkat biasa (± 1tools Da).and Dengan menggunakan Patnaik SK,keakuratan Blumenfeldyang OO: luar Use of on-line databases for routine ELECTROSPRAY DISPERSION , peptidapeptida sequence analyses. Anal Biochem 2001 ;289:1.yang dikeluarkan dari kolom P, REVERSED -PHASE HPLCD:dimasukkan secara langsung ke Rinaldo Iortorelli S, Matcrn Recent developments and new dalam spektrometer massa untuk segera diketahui massanya. applications of tandem mass spectrometry in newborn screening. Curr Peptida-peptida di 16:427. bagian dalam spektrometcr massa dapat Opin Pediatrics 2004; diuraikan menjadi satuan-satuan yang lebih kecil melalui tumbukan dengan atom helium netral (penguraian yang dipicu oleh tumbukan), dan massa masing-masing fragmen kemudian dapat ditcntukan. Karena ikatan peptida j a uh lebih labil daripada ikatan antarkarbon, fragmcn yang paling banyak akan berbeda satu sama lain sebcsar unit yang ckuivalen dengan satu atau dua asam amino. Karena massa molckul masing-masing asam amino—kecuali leusin dan isoleusin—bersifat unik maka dari massa fragmenfragmennya kita dapat merckonstruksi sekuens peptida.
Spektrometri Massa Tandem Campuran peptida yang kompleks kini dapat dianalisis tanpa pemurnian terlebih dahulu dengan TANDEM MASS SPECTROMETRY (spektrometri massa tandem) yang menggunakan ekuivalen dua spektrometer massa yang dihubungkan dalam rangkaian. Spektrometer pertama memisahkan masing-masing peptida berdasarkan perbedaan massanya. Dengan menyesuaikan kekuatan medan magnet pertama, suatu peptida dapat diarahkan ke dalam spektrometer massa kedua, tempat fragmen-fragmen dihasilkan untuk kemudian ditentukan massanya.
Spektrometri Massa Tandem Dapat Mendeteksi Kelainan Metabolik Spektrometri massa tandem dapat digunakan untuk menapis sampel darah dari bayi baru lahir untuk melihat ada tidaknya dan konsentrasi asam amino, asam lemak, dan metabolit lain. Kelainan dalam kadar metabolit dapat digunakan sebagai indikator diagnostik untuk berbagai penyakit genetik, misalnya fenilketonuria, ensefalopati etilmalonat, dan asidemia glutarat tipe 1.
Rodland KD: Proteomics and cancer diagnosis: theKITA potential of mass GENOMIKA MEMUNGKINKAN spcctromctry. Clin Biochem 2004;37:579. MENGIDENTIFIKASI PROTEIN DARI Schena M et al: Quantitative monitoring of gene expression patterns with a SEJUMLAH KECIL DATA SEKUENS complementary DNA microarray. Science 1995:270:467.
Analisis struktur primer telah mengalami Scmsarian C, Seidman CE: Molecular medicinercvolusi in the 21"dengan century.adanya Intern genomika, yaitu Med J 2001 ;31:53. penerapan
metode
penentuan
sekuens
oligonukleotida secara on otomatis sertasociety: pengambilan dan analisis Temple LK, et al. Essays science and defining disease in the data-genomics terkomputcrisasi untuk;293:807. mengctahui sekuens komplemen era. Science 2001 genetik lengkap suatu organisme. Sejak diketahuinya sekuens Wilkins MR et al: High-throughput mass spcctromctric discovery of genom H AEMOPHILUS INFLUENZAE secara mcnycluruh pada tahun protein post-translational modifications. J Mol Biol 1999:289:645. 1995, genom ratusan organisme lain telah diungkapkan. Woodage T, Broder S: The human genome andberhasil comparative genomics: Jika understanding sekuens genom diketahui, secara praktis tugas untukJ human evolution, biology, and medicine. mengctahui sekuens primer protein yang berasal dari DNA Gastroenterol 2003; 15:68. menjadi lebih sederhana. Pada hakikatnya, paruh kedua pada pendekatan hibrid telah selcsai. Tugas yang rcrsisa hanyalah mencari informasi memadai untuk mengetahui OPEN READING FRAME (ORF) yang menyandi protein, dari DATABASE genom yang dapat diakscs dari Internet dan mengidentifikasikannya. Pada sebagian kasus, suatu segmen sekuens asam amino yang memiliki panjang hanya empat atau lima residu sudah cukup untuk mengidentifikasi ORF yang tepat. Berbagai algoritme pencari terkomputerisasi telah membantu kita mengidentifikasi gen yang menyandi suatu protein. Pada penentuan profil massa peptida, contohnya suatu peptida diintroduksikan ke dalam spektrometer massa dan ukurannya ditentukan. Suatu komputer kemudian digunakan untuk menemukan suatu ORF yang perkiraan produk proteinnya akan menghasilkan satu set peptida dengan massa yang menyamai massa peptida yang diamati oleh spektrometer massa, jika pcrkiraaan produk protein tersebut diuraikan menjadi peptidapeptida dengan metode pemutusan yang dipilih.
PROTEOMIKA & PROTEOM Tujuan Proteomika Adalah Mengidentifikasi Komplemen Keseluruhan Protein yang Dihasilkan oleh Suatu Sel dalam Berbagai Kondisi Meskipun sekuens genom manusia telah diketahui, namun gambaran yang diberikan oleh genomika saja bersifat statis dan belum lengkap. Proteomika (PROTEOMICS) bertujuan untuk mengidentifikasi komplemen protein keseluruhan yang dikeluarkan oleh sebuah sel dalam berbagai kondisi. Ketika gen ’’dihidupmatikan”, terjadi sintesis protein di jenis sel tertentu pada periode pertumbuhan atau diferensiasi tertentu, sebagai respons terhadap rangsang eksternal. Sel otot mengekspresikan protein yang tidak diekspresikan oleh sel saraf, dan jenis subunit yang terdapat di tetramer hemoglobin mengalami perubahan pra- dan pascapartum.
BAB 5: PROTEIN: STRUKTUR ORDO TINGGI / BAB 5: PROTEIN: STRUKTUR ORDO TINGGI /
34/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
Protein: Struktur Ordo Tinggi Peter J. Kennelly, PhD & Victor W. Rodwell, PhD
PERAN BIOMEDIS Di alam, bentuk mengikuci fungsi. Agar suatu polipeptida yang baru dibentuk dapat matang menjadi protein yang berfungsi secara biologis dan mampu mengatalisis suatu reaksi metabolik, menggerakkan sel, atau membentuk makromolekul sebagai kerangka yang menentukan intcgritas struktural rambut, tulang, tendon, dan gigi, polipeptida tersebut harus mengalami pelipatan membentuk susunan tiga-dimensi tertentu, atau konformasi. Selain itu, selama pematangan dapat terjadi penambahan gugus kimiawi baru atau pengeluaran segmen peptida yang dibutuhkan sementara melalui modifikasi pascatranslasi. Defisiensi genetik tersebut atau gizi yang mengganggu pematangan protein berefek buruk pada kesehatan. Contoh defisiensi genetik adalah penyakit CreutzfeldtJakob, SCRAPIE, penyakit Alzheimer, dan BOVINE SPONGIFORM ENCEPHALOPATHY (“penyakit sapi gila”). Skorbut merupakan contoh defisiensi gizi yang mengganggu pematangan protein.
KONFORMASI VERSUS KONFIGURASI Gambar 5-2. Orientasi atom-atom rantai utama pada suatu peptida mengelilingi
Istilah konfigurasi dan konformasi sering membingungkan. sumbu heliks a. Konfigurasi merujuk pada hubungan geometrik antara susunan tertentu atom-atom, Contohnya, susunan yang membedakan asam Lmemungkinkan molekul polar antara tertentuberbagai menembus membran sel amino dari D-amino. Pertukaran alternatif BENTUK hidrofobik. BENTUK KONFIGURASI memerlu- kan pemutusan ikatan kovalen. Konformasi merujuk pada hubungan spasial setiap atom dalam Lem molekul. bar Beta sebuah Pertukaran bentuk-bentuk konformasi terjadi tanpa pemutusan ikatan kovalen, dengan pemeliharaan konfigurasi, dan Struktur melalui sekunder reguler keduaikatan-ikatan (karena itu tunggal. diberi nama ’’beta”) biasanya rotasi di sekitar yang dapat dikenali dalam protein adalah lembar p (FI SHEET). Residu-residu asam amino pada lembar p, jika dilihat dari tepi, PROTEIN PADA AWALNYA membentuk pola zigzag atau lipatan dengan gugus R residu-residu DDKLASIFDKASDKAN berdekatan yang mengarah berlawanan. Tidak seperti rantai utama BERDASARKAN pada heliks a yang padat,KARAKTERDSTMK tulang punggung peptida pada lembar P BCASARNYA sangat melebar. Tetapi, seperti heliks a, stabilitas lembar P terutama disebabkan ikatanmeneliti hidrogen antara oksigen karbonil dan Para ilmuwanoleh semula hubungan struktur-fungsi dalam hidrogen amida ikatan peptida. Namun, berbeda dengan heliks protein dengan memisahkan protein menjadi kelas- kelasa, ikatan-ikatan ini terbentuk dengan segmen-segmen lembar P yang berdasarkan sifat, seperti kelarutan, bentuk, atau adanya gugus berdekatan (Gambar 5-5). nonprotein. Contohnya, protein yang dapat Lembar-lembar P yang saling berinteraksi dapat tersusun membentuk lembar P paralel, dengan segmen-segmen rantai polipeptida berdekatan yang memiliki arah amino
diekstraksi dari sel dengan menggunakan larutan air pada kekuatan ionik dan pH faali diklasifikasik.m sebagai larut. Untuk mengekstraksi protein membran integral, membran perlu dilarutkan dengan detcrgen. Protein globular adalah molekul padat yang agak bulat dan memiliki rasio aksial (rasio ukuran tcrpendek terhadap ukuran terpanjang) tidak lebih dari 3. Sebagian besar enzim adalah protein globular. Scbaliknya, banyak protein struktural mcngadopsi konformasi yang sangat memanjang. Berbagai protein Gambar 5-3. Pandangan ke bawah melalui sumbu suatu heliks u. Rantai samping fibrosa ini di memiliki rasio aksial sebcsar 10 atau (R) terletak bagian luar heliks. Radius van der Waalslebih. atom-atom lebih besar Lipoprotein dan glikoprotein masing-masing daripada yang diperlihatkan di sini; karena itu, di dalammengandung heliks hampir lipid tidak terdapat ruang bebas (Sedikit dimodifikasi dan diproduksi ulang, dengan i/in, dari dan karbohidrat yang terikat secara kovalen. Mioglobin, hemoglobin, Strycr I : Hint hrmistryf metalopro3rd ed. Freeman, 1995.mengandung Hak Cipta O ion 1995I ogam VV.H. sitokrom, dan banyak tein lain Freeman and Company.) yang terikat crat. Kini telah terdapat skema klasifikasi yang lebih tcliti berdasarkan kc- miripan atau homologi sekuens asam amino dan struktur tiga-dimensi. Namun, banyak istilah klasifikasi lama ke karboksil yang sama, atau lembar antiparalel, yang segmenmasih tetap digunakan. segmen nya tersebut berjalan dalam arah berlawanan (Gambar 5-5). Kedua konfigurasi ini memungkinkan terbentuknya jumlah ikatan hidrogen yang maksimal antara segmen-segmen, atau untai lembar tersebut. Sebagian besar lembar P tidaklah benar-benar datar, tetapi cenderung agak terpuntir ke kanan. Kelompok-kelompok untai PROTEIN DIBENTUK lembar 3 yang terpuntir membentuk inti banyak protein globular DENGAN MENGGUNAKAN (Gambar 5-6). Diagram skematis mcnggambarkan lembar P sebagai PRINSIP MODULAR tanda panah yang menunjukkan arah amino ke terminal karboksil. Protein melaksanakan fungsi fisik dan katalitik yang kompleks Gelungan & Tekukan dengan mencmpatkan gugus-gugus kimia tertentu di susunan tigadimensi tepat. Pcrancah (POLYPEPTIDE ) Sekitar yang separuh residu pada polipeptida protein globular ’’tipikal” SCAFFOLD terletak di yang mengandung gugus-gugus ini harus mcngadopsi konformasi heliks a dan lembar P dan separuh di gelungan (LOOPS ), belokan yang efisien secara(BENDS fungsional kuatkonformasi secara fisik. Secara scpintas, (TURN ), tekukan ), dandan fitur tambahan lainnya. biosintesis polipeptida yang terdJri dari puluhan ribu amino atom Belokan dan tekukan merujuk pada segmen pendek asam tampaknya merupakan tugas yang sangat sulit. Jika kita memandang yang menyatukan dua unit struktur sekunder, misalnya dua untai SH bahwa polipeptida dapat mcngadopsi konformasi lembarsebuah [3 antiparalel yangbiasa berdekatan. Belokan p >10 melibatkan cmpat berbeda, maka membentuk lipatan menjadi konformasi yang sesuai residu aminoasil, yang residu pertamanya berhubungan melalui dengan fungsi biologis jauhterbentuk lebih SULK . belokan Seperti ikatan hidrogen ke residuagaknya keempat akan sehingga suatu diuraikan Bab 3(Gambar dan 4, 5-7). pembentukan rantai tajam 180diderajat Prolin dan glisinutama seringpolipeptida terdapat di protein menggunakan sekumpulan kecil BUILDING OC S atau mo u , belokan p. asam-asam aminoadalah yang disatukan melalui suatu ikatanresidu umum,melcbihi ikatan Gelungan regio yang mengandung peptida. jalur modular bertahap menyederhanakan pelipatan dan jumlah minimal yang diperlukan untuk menghubungkan regio-regio pemrosesan polipeptida yang baru DIBENTUK menjadi protein yang berdekatan pada struktur sekunder. Gelungmatang.
32
35 33
EMPAT ORDO STRUKTUR PROTEIN Sifat modular pada sintesis dan pelipatan protein terdapat dalam konsep ordo struktur protein: struktur primer, sekuens asam amino dalam suatu rantai polipeptida; struktur sekunder, pelipatan segmcnsegmen pendek (3 sampai 30 residu) polipeptida yang bcrdekatan menjadi unit-unit yang tcratur secara geomctris; struktur tersier, penyusunan unit struktural sekunder menjadi unit fungsional yang lebih besar misalnya polipeptida matang dan domain-domain komponennya; dan struktur kuaterner, jumlah dan tipe unit polipeptida pada protein oligomcrik dan susunan spasial nya.
STRUKTUR SEKUNDER Ikatan Peptida Membatasi Kemungkinan Konformasi Sekunder Rotasi bebas hanya dapat terjadi mengelilingi dua dari tiga ikatan kovalen rantai utama polipeptida: ikatan a-karbon (Ca) ke karbon karbonil (Co), dan ikatan Ca ke nitrogen (Gambar 3-4). Karakter ikatan-rangkap parsial pada ikatan peptida yang menghubungkan Co dengan a-nitrogen mengharuskan karbon karbonil, oksigen karbonil, dan a- nitrogcn tetap koplanar sehingga rotasi tidak dapat terjadi. Sudut yang mengelilingi ikatan Ca—N disebut sudut phi (cl>), dan yang mengelilingi ikatan Co—Ca disebut sudut psi (\|/). Untuk asam amino selain glisin, sebagian besar kombinasi sudut phi dan psi tidak dapat terjadi karena hambatan sterik (Gambar 5-1). Gambar 5-4. Ikatan hidrogen (garis titik-titik) yang terbentuk antara atom H Konformasi prolin bahkan lebih terbatas karena tidak adanya rotasi dan O menstabilkan suatu polipeptida dalam konformasi a-heliks. (Dicetak bebas ulang pada denganikatan i/in dari Haggis GH, et al: Introduction to Molecular Biology.
Gnmbnr 5-1. Plot Ramachandran sudut-sudut phi (O) d.in psi (T) rantai utama untuk sekitar 1000 residu non-glisin di 8 protein yang strukturnya diuraikan dengan resolusi tinggi. Titik-titik mewakili kombinasi yang dapat terjadi dan ruang kosong mewakili kombinasi sudut phi dan psi yang tidak mungkin terjadi. (Diproduksi ulang dengan jzin dari Richardson IS: The- analomy and Gambar 5-5. Jarak dan pada ikatan lembarHak |i terlipat taxonomy of protein strutsudut Hires.ikatan Adv Protein Chem hidrogen 1981;34:1C>7. cipta (' antiparalel dan ulang paralel. Tandai/inpanah menunjukkan arah masing-masing untai. 1981. Dicelak dengan dari Elsevier.) Atom a-nitrogen pendonasi hidrogen diperlihatkan sebagai lingkaran berwarna. Ikatan hidrogen ditunjukkan dengan garis putus-putus. Agar penyajian jelas, gugus R dan hidrogen dihilangkan. Atas: Lembar |3 antiparalel. Pasangan ikatan amino, berselang-seling dengan heliks aantara kinansaling (RIGHTberdekatan HANDED) sebagai heliks yang hidrogen dan berjauhan serta lebih stabil, dan hanya heliks A kinan terdapat di Lembar protein. berorientasi agak tegak lurus terhadap rantai utama yang polipeptida. Bawah: Diagram skematis protein heliks a arah berlainan. |5 paralel. Ikatan hidrogen berjarakmcmperlihatkan teratur tetapi miring dengan
sebagai silinder. Stabilitas suatu heliks a terutama disebabkan oleh ikatan Regio-regio struktur sekunder yang teratur, terbentuk jika hidrogen yang terbentuk antara oksigen pada karbonil ikatan serangkaian residu aminoasil mcngadopsi sudut phi dan psi yang peptida dan atom hidrogen pada nitrogen ikatan peptida residu di terminal amino hilir ataurantai karboksil ekstrem dan ditandai oleh Segmcn-segmenireguler panjangmemiliki polipeptida (mis. lengkung) dapat keempat di sebelah polipeptida (Gambar anserupa. yang konformasinya peran biologis penting. fleksibilitas konformasi yang tinggi. Pada banyak keadaan, BAGIAN memiliki berbagaigelungan sudut yang tersebut. Sudut-domain-domain sudut yang 5- 4). Kemampuan untuk membentuk ikatan hidrogen dalam jumlah Pada banyak enzim, menjembatani yang’’berantakan” ini menjadi teratur setelah berikatan dengan mendefinisikan dua tipepengikatan paling umum struktursering sekunder, hcliks a (a HELIX)maksimal, yang diperkuat oleh interaksi van der Waals di bagian yang berperan dalam substrat mengandung ligan. Fleksibilitas ini memungkinkan bagian inikekuatan bekerja inti pada struktur struktural yang terkemas rapat ini, merupakan dan lembar P (p SHEET masingdalamprotein kuadran residu aminoasil yang), ikut sertamasing dalamtermasuk katalisis.di Pada sebagai tombol pengendali ligan yang memengaruhi struktur dan pendorong termodinamik bagi terbentuknya heliks a. Karena kiri bawah dan atas pada plot Ramachandran (Gambar 5-1). motif pengikat DNA, misalnya represor dan faktor transkripsi, fungsi protein. nitrogen ikatan peptida pada prolin tidak memiliki sebuah atom HELIKS-GELUNGAN-HELIKS membentuk bagian pengikat hidrogen untuk disumbangkan ke ikatan hidrogen, prolin hanya Heliks Alfa oligonukleotida. Motif struktural, misalnya motif he 1 i KSStruktur Tersier & Kuaterner dapat diakomodasikan secara stabil pada putaran pertama hcliks a. Rantai utama padadisuatu a berpuntir sama GELUNGAN -He 1 polipeptida iks yang berada antaraheliks struktur sekunder dan Jika berada di tempat lain, prolin pada mengganggu konformasi heliks. Istilah ’’struktur tersier” merujuk konformasi tiga- dimensi besarnya mengelilingi masing-masing karbon. Karena a dengan sudut di phi tersier sering dinamai STRUKTUR SUPERSEKUNDER terletak Karena ukurannya yang kecil, glisinruang jugatigaserins; menyebabkan keseluruhan suatu polipeptida. Dalam dimensi, struktur sekitar -57 derajat sudut psi sekitar -47 Satubanyak putaran permukaan protein dan sehingga terpajan olehderajat. pelarut, penekukan di heliks a. ini menunjukkan bagaimana gambaran struktur sekunder heliks, gelungan tekukan membentuk bagian3,6yang mudah diakses, sempurnadan heliks mengandung rata-rata residu aminoasil, dan Banyak heliks belokan, a memiliki R yangtersusun dominanmembentuk hidrofobik lembaran, tekukan, dangugus gelungan atau epitop untuk pengenalan dan pengikatan antibodi. jarak per putaran (PITCH- nya) adalah 0,54 nm (Gambar 5-2). Gugus di salah satu sisi sumbu dan dominan hidrofilik di sisi yangsama lain. Meskipun tidak memiliki yang heliks jelas, a domain dan bagaimana domain-domain ini berhubungan satu R pada masingmasing residuregularitas aminoasil struktural dalam sebuah HELIKS AMFIFATIK ini beradaptasi baik terhadap pembentukan namun gelungan dalamProtein konformasi spesifik yang lain dalam ruang. Domain adalah suatu bagian dari struktur protein menghadap keluar terdapat (Gambar 5-3). hanya mengandung asam pertemuan regiotugas polarkimia danatau nonpolar, misalnya bagian distabilkan melalui ikatan hidrogen, jembatan garam, dan interaksi yang mampu antara melakukan fisika tertentu, misalnya Linterior protein yang hidrofobik dengan lingkungan airnya. hidrofobik dengan bagian lain protein. Namun, tidak semua bagian mengikat substrat atau ligan lain. Domain lain dapat berfungsi Kelompok-kelompok heliks amfifatik dapat menciptakan suatu protein selalu teratur. Protein dapat mengandung bagian-bagian menghubungkan protein dengan membran atau kanal, atau pori yang yang ’’berantakan”, sering
Wiley, 1964. Dicetak ulang dengan i/in Pearson Education Limited.) N—Ca.
BAB 5: PROTEIN: STRUKTUR ORDO TINGGI /
36/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
37
tipikal (80-120 kkal/mol), secara kolektif interaksi ini mcnimbulkan derajat stabilitas yang tinggi pada konformasi protein yang fungsional secara biologis, seperti VELCRO FASTENER yang memanfaatkan kekuatan kumulatif banyak simpul dan kait. Sebagian protein mengandung ikatan disulfida (S—S) kovalen yang menghubungkan gugus-gugus sulfhidril residu sisteinil. Pembentukan ikatan disulfida melibatkan oksidasi gugus sulfhidril sisteinil dan memerlukan oksigen. Ikatan disulfida intrapolipcptida semakin meningkatkan stabilitas konformasi bcrlipat suatu peptida, sementara ikatan disulfida antarpolipeptida menstabilkan struktur kuaterner protein oligomerik tertentu.
COOH
CH OH
STRUKTUR TDGA-DflMENSI] DI1TENTUKAN DENGAN KRISTALOGRAFI] SINAR-X ATAU SPEKTROSKOP1 NMR G A M B A R 5 - 7 . Suatu belokan [5 ((5-turn) yang menghubungkan dua segmen pada lembar p antiparalel. Garis putus-putus menunjukkan ikatan hidrogen antara asam amino pertama dan krrmpat pada segmen empat-residu Ala-Gly-Asp-Ser.
Gambar 5-6. Contoh struktur tersier protein. Atas: Enzim triosa fosfat isomerase. Perhatikan susunan yang elegan dan simetris dari lembar f3 dan heliks a yang berselang-seling. (Sumbangan J Richardson.) Bawah: Dua struktur domain dari subunit suatu enzim homodimerik, HMG-KoA reduktase kelas II bakteri. Seperti ditunjukkan oleh residu bernomor, polipeptida tunggal berawal di domain besar, masuk domain kecil, dan berakhir di domain besar. (Sumbangan C Lawrence, V Rodwell, clan C Stauffacher, Purdue University.)
•
berinteraksi dengan molekul regulatorik yang memodulasi fungsi protein tersebut. Suatu polipeptida kecil misalnya triosa fosfat isomerase (Gambar 5-6) atau mioglobin (Bab 6) dapat mengandung satu domain. Sebaliknya, protein kinase mengandung dua domain. Protein kinase mengatalisis pemindahan sebuah gugus fosforil dari ATP ke peptida atau protein. Bagian terminal amino pada polipeptida, yang kaya
akan lembar (i, mengikat ATP, sementara domain terminal karboksil, yang kaya akan heliks a, mengikat peptida atau substrat protein (Gambar 5-8). Gugus yang mengatalisis pemindahan fosforil terletak di gelungan yang berada di pertemuan kedua domain. Pada sebagian kasus, protein tersusun oleh lebih dari satu polipeptida, atau protomer. Struktur kuatcrncr menentukan komposisi polipeptida pada suatu protein dan, untuk protein oligomerik, hubungan spasial antara subunit-subunitnya atau protomer-protomernya. Protein monomerik terdiri dari satu rantai polipeptida. Protein dimerik mengandung dua rantai polipeptida. Homodimer mengandung dua salinan dari rantai polipeptida yang sama, sedangkan pada heterodimer polipeptidanya berbeda. HurufYunani (ex, [3, y, dst) digunakan untuk mcmbedakan subunitsubunit yang berbeda pada suatu protein heterooligomcrik, dan subskrip menunjukkan jumlah masing-masing jenis subunit. Sebagai contoh, a4 menunjukkan protein homotetramerik, dan P2y adalah suatu protein dengan lima subunit dari tiga tipe berbeda. Karena bahkan protein kecil mengandung ribuan atom, penggambaran struktur protein yang menunjukkan posisi setiap atom umumnya terlalu rumit untuk diinterpretasi. Oleh karena itu, diagram skematis sederhana digunakan untuk melukiskan fitur-fitur kunci pada struktur tersier dan kuaterner protein. Diagram pita (Gambar 56 dan 5- 8) menelusuri konformasi rantai utama polipeptida, dengan silinder dan tanda panah masing-masing menunjukkan regio heliks O. dan lembar (3. Pada penggambaran yang lebih sederhana lagi, segmen-segmen garis yang menghubungkan
Kristalografi Sinar-X
G A M B A R 5 - 8 . Struktur domain. Protein kinase mengandung dua domain. Domain terminal amino atas mengikat donor fosforil ATP (warna terang). Domain terminal karboksil di sebelah bawah diperlihatkan mengikat suatu substrat peptida sintetik (warna gelap).
karbon a menunjukkan jalur rantai utama polipeptida. Diagram skematis ini sering mencakup rantai samping asam- asam amino tertentu yang menekankan hubungan spesifik antara struktur dan fungsi.
BANYAK FAKTOR YANG MENSTABILKAN STRUKTUR TERSIER & KUATERNER Ordo-ordo tinggi pada struktur protein distabilkan terutama—dan sering secara eksklusif-—oleh interaksi nonkovalen. Hal yang utama dari berbagai interaksi tersebut adalah interaksi hidrofobik yang mendorong kebanyakan rantai samping asam amino hidrofobik ke bagian interior protein yang melindunginya dari air. Kontributor signifikan lain adalah ikatan hidrogen dan jembatan garam antara karboksilat asam aspartat dan glutamat dan rantai samping dengan muatan berlawanan dari residu lisil, arginil, dan histidil berproton. Sementara secara individual relatif lemah dibandingkan ikatan kovalen
Setelah John Kendrew bcrhasil mcmecahkan misteri struktur tigadimensi mioglobin pada tahun 1960, kristalograsi sinar-X mulai digunakan untuk mengctahui struktur ribuan protein dan banyak virus. Agar strukturnya dapat diketahui dengan kristalografi sinarX, suatu protein mula-mula harus diendapkan dalam kondisi yang dapat membentuk kristal-kristal besar teratur. Untuk menciptakan kondisi yang sesuai, dilakukan percobaan dengan menggunakan beberapa mikroliter larutan protein dan suatu matriks variabel (suhu, pH, keberadaan garam atau zat terlarut organik misalnya polictilen glikol) untuk menciptakan kondisi optimal bagi pembentukan kristal. Kristal yang telah diletakkan pada kapiler QUARTZ mula-mula diradiasi dengan sinar-X monokromatik dengan panjang gelombang sekitar 0,15 nm untuk memastikan bahwa kristal tersebut adalah protein bukan garam. Kristal protein kemudian dibekukan dalam nitrogen cair untuk pengumpulan data beresolusi-tinggi selanjutnya. Pola difraksi yang terbentuk sewaktu sinar-X dibiaskan oleh atom dalam perjalanannya direkam pada sebuah lempeng fotografik atau ekuivalen komputernya sebagai pola titik-titik melingkar dengan intensitas beragam. Data yang didapatkan dalam titik-titik ini kemudian dianalisis dengan menggunakan pendekatan matematis yang disebut SINTESIS FOURIER yang menjumlahkan fungsi gelombang. Amplitudo gelomb ang berkaitan dengan intensitas titik, tetapi karena gelombang tidak berada dalam fase yang sama, hubungan antara fase-fasenya harus ditentukan. Pendekatan tradisional yang dilakukan untuk mengatasi ’’masalah fase” adalah dengan menggunakan ISOMOIPHONS DISPLACEMENT. Sebelum iradiasi ke dalam kristal dimasukkan atom dengan karakteristik sinar-X tertentu di posisi-posisi tertentu di struktur primer protein.
BAB 5: PROTEIN: STRUKTUR ORDO TINGGI / 39 38
/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
Isomorphous displacement atom berat biasanya menggunakan air raksa atau uranium, yang mengikat residu sistein. Pendekatan alternatif adalah dengan menggunakan protein rekombinan yang disandi oleh plasmid dengan selenium yang menggantikan sulfur pada metionin. Ekspresi menggunakan suatu pejamu bakteri yang auksotrofik untuk biosintesis metionin dan medium tertentu dengan selenometionin yang menggantikan medonin. Pendekatan paling mutakhir adalah dengan memanfaatkan semakin banyaknya struktur tiga-dimensi yang telah diketahui. Jika struktur yang sedang diteliti serupa dengan struktur yang telah dipecahkan, maka digunakan molecularreplacement pada model yang sudah ada sebagai pengganti isomorphous displacement dengan memakai atom berat serta merupakan cara menarik untuk memperoleh data. Yang terakhir, hasil dari penentuan fase dan penjumlahan Fourier adalah profil densitas elektron atau peta tiga-dimensi mengenai mekanisme pengikatan atau hubungan atom satu sama lain.
Kristalografi Sinar-X Laue Kemampuan sebagian enzim yang telah mengkristal untuk mengatalisis reaksi kimia merupakan petunjuk kuat bahwa struktur yang diketahui melalui kristalografi memang mewakili struktur yang terdapat bebas dalam larutan. Namun, kristalografi klasik memberikan gambaran suatu protein yang pada dasarnya statik yang dapat mengalami perubahan struktural bermakna seperti yang menyertai katalisis enzim. Pendekatan Laue menggunakan difraksi sinar-X polikromatik, dan banyak kristal. Proses memutar kristal dalam berkas sinarX yang memakan waktu dapat dihindari sehingga waktu pajanan dapat berlangsung sangat singkat. Untuk mendeteksi gerakan residu atau domain suatu enzim sewaktu katalisis digunakan kristal yang mengandung analog substrat inaktif atau ’’terkurung” yang menjadi substrat hanya setelah terpajan oleh cahaya tampak. Hal ini memicu katalisis. Data yang diperoleh bahkan dalam waktu sesingkat beberapa nanodetik kemudian dapat dianalisis untuk memperlihatkan perubahan struktur yang terjadi selama katalisis.
Spektroskopi Nuclear Magnetic Resonance Spektroskopi nuclear magnetic resonance (NMR), suatu pelengkap kristalografi sinar-X yang sangat bermanfaat, mengukur absorbance energi elektromagnetik frekuensi radio oleh nukleus atom tertentu. Isotop ”aktif-NMR” dari unsur- unsur yang secara biologis relevan antara lain adalah *H, 13C, I5N, dan 31 P. Frekuensi, atau pergeseran kimia, saat suatu nukleus tertentu menyerap energi adalah fungsi dari gugus fungsional tempat nukleus tersebut berada dan kedekatan dengan nukleus aktifNMR lainnya. Spektroskopi NMR
dua-dimensi memungkinkan kita memperoleh gambaran tigadimensi suatu protein yang akan dibuat dengan menentukan kedekatan nukleus-nukleus ini satu sama lain. Spektroskopi NMR menganalisis protein dalam larutan air yang menghindari keharusan membentuk kristal. Karena itu, dengan menggunakan spektroskopi NMR kita dapat mengamati perubahan dalam konformasi yang menyertai pengikatan ligan atau kataJisis. Namun, hanva spektrum protein yang relatif kecil, bcrukuran <30 kDa, yang dapat dianalisis dengan teknologi yang ada sekarang.
Pembentukan Model Molekul Metode lain yang semakin sering digunakan untuk melengkapi penentuan empirisstruktur tiga-dimensi protein adalah pemakaian teknologi komputer untuk membentuk model molekular. Jika struktur tiga-dimensi telah diketahui, program dinamika molekul (molecular dynamics) dapat digunakan untuk menyimulasikan dinamika konformasi suatu protein serta cara faktor, seperti suhu, pH, kekuatan ionik, atau substitusi asam amino dalam memengaruhi gerakan-gerakan tersebut. Program moleculardocking menyimulasikan interaksi yang terjadi ketika suatu protein menjumpai substrat, inhibitor, atau ligan lain. Penapisan virtual untuk mencari molekul yang kemungkinan besar berinteraksi dengan bagian-bagian kunci suatu protein yang penting dari segi biomedis saat ini digunakan secara luas untuk mempermudah penemuan obat baru. Pada homology modeling, struktur tiga-dimensi suatu protein digunakan sebagai cetakan untuk membuat sebuah model protein lain. Pada akhirnya, para ilmuwan berharap dapat merancang suatu program komputer yang dapat memerkirakan konformasi tiga-dimensi suatu protein secara langsung dari sekuens primernya.
PELIPATAN PROTEIN Protein adalah molekul yang konformasinya dinamis dan dapat mengalami pelipatan {folding,) dan penguraian dalam kisaran waktu milidetik, serta dapat mengalami pelipatan- penguraian ratusan atau ribuan kali selama hidupnya. Bagaimana proses pelipatan yang luar biasa ini dicapai? Pelipatan membentuk keadaan asli tidak memerlukan pencarian yang melelahkan terhadap semua struktur yang mungkin terbentuk. Protein yang mengalami denaturasi bukanlah sekadar gulungan acak. Kontak-kontak asli tetap disukai, dan regio-regio struktur asli akan menetap bahkan pada keadaan denaturasi. Ribosom dapat ikut serta dalam pelipatan awal suatu protein, tetapi tidak pada pelipatan berikutnya atau setelah protein dipindahkan ke dalam suatu organel. Konsentrasi protein yang sangat tinggi di dalam sel juga dapat memengaruhi kinetika pelipatan protein.
Di bawah akan dibahas faktor-faktor yang mempermudah pelipatan dan penguraian lipatan, serta konsep terkini dan kemungkinan mekanismenya didasarkan pada lebih dari 40 tahun eksperimen yang umumnya in vitro.
Konformasi Asli Suatu Protein Menguntungkan Secara Termodinamis Jumlah kombinasi sudut phi dan psi yang menentukan kemungkinan konformasi bahkan suatu polipeptida yang relatif kccil—15 kDa—sangatlah besar. Protein dituntun melalui labirin kemungkinan yang sangat luas ini oleh termodinamika. Karena konformasi suatu protein yang sccara biologis relevan—atau asli—umumnya merupakan konformasi yang sccara cnergetis menguntungkan, pengetahuan tentang konformasi asli diperinci dalam sekuens primer. Namun, jika kita menunggu suatu polipeptida menemukan konformasi aslinya melalui eksplorasi acak terhadap semua kemungkinan konformasi, proses ini memerlukan waktu miliaran tahun untuk selesai. Jelaslah, pelipatan protein di sel berlangsung secara lebih teratur dan terarah.
Pelipatan Bersifat Modular Pelipatan protein umumnya terjadi melalui proses bertahap. Pada tahap pertama, sewaktu polipeptida yang baru dibentuk keluar dari ribosom, segmen-segmen pendek protein tersebut mengalami pelipatan membentuk unit struktural sekunder yang menghasilkan regio-regio lokal struktur teratur. Pelipatan kini direduksi menjadi pemilihan susunan yang sesuai untuk elemen struktur sekunder yang jumlahnya relatif sedikit. Pada tahap kedua, gaya-gaya yang mendorong regio hidrofobik ke bagian dalam protein menjauhi pelarut mendorong polipeptida yang telah sebagian terlipat menjadi ’’globulus cair” tempat modul-modul struktur sekunder tertata-ulang untuk mencapai konformasi matang protein. Proses ini teratur, tetapi tidak kaku. Terdapat cukup fleksibilitas dalam cara dan urutan bagaimana elemen- elemen struktur sekunder dapat ditata ulang. Secara umum, setiap elemen struktur sekunder atau supersekunder mempermudah pelipatan dengan mengarahkan proses pelipatan menuju konformasi alami dan menjauhi alternatif- alternatif yang tidak produktif. Untuk protein oligomerik, masing-masing protomer cenderung mengalami pelipatan sebelum protomer tersebut berikatan dengan subunit lain.
bahan kaotropik, atau detergen. Namun, tidak seperti proses pelipatan in vivo, pelipatan ulang dalam kondisi laboratorium tersebut berlangsung jauh lebih lambat. Selain itu, sebagian protein gagal melipat kembali secara spontan in vitro sering membentuk agregat tak-larut, yaitu kompleks acak polipeptida yang tidak melipat atau hanya melipat sebagian serta disatukan oleh interaksi hidrofobik. Agregat ini mencerminkan jalan buntu yang tak-produktif dari proses pelipatan. Scl-scl menggunakan protein tambahan {auxiliary proteins) untuk mcmpcrcepat proses pelipatan dan menuntunnya menuju kesimpulan yang produktif.
Chaperones Protein chaperones (pendamping) ikut serta dalam pelipatan lebih dari separuh protein mamalia. Famili chaperone hsp70 (heat shock protein 70-kDa) mengikat sekuens pendek asam- asam amino hidrofobik di polipeptida yang baru disintesis yang melindungi polipeptida ini dari pelarut. Chaperone mencegah agregasi sehingga memberikan kesempatan untuk terbentuknya elemen struktural sekunder yang sesuai serta penataan selanjutnya menjadi globulus cair. Famili chaperone hsp60 yang kadangkadang disebut chaperonins, berbeda dalam sekuens dan struktur dari hsp70 dan homolognya. Hsp60 bekerja pada tahap lanjut proses pelipatan, sering bersama dengan chaperone hsp70. Rongga di bagian tengah chaperone hsp60 yang berbentuk donat memberikan suatu lingkungan terlindung tempat suatu polipeptida dapat melipat sampai semua regio hidrofobik terbenam di bagian interiornya sehingga tidak terjadi agregasi.
Disulfida Isomerase Protein Ikatan disulfida antara dan di dalam polipeptida menstabilkan struktur tersier dan kuaterner. Namun, pembentukan ikatan disulfida tidaklah spesifik. Dalam kondisi oksidasi, suatu sistein dapat membentuk ikatan disulfida dengan —SH residu sisteinil manapun yang dapat diakses. Dengan mengatalisis pertukaran disulfida, pemutusan ikatan S—S dan penyambungannya kembali dengan pasangan sistein yang berbeda, protein disulfida isomerase mempermudah
Protein Tambahan Membantu Pelipatan Pada kondisi in vitro yang sesuai, banyak protein akan secara spontan kembali melipat setelah sebelumnya didenaturasi (yi. penguraian lipatan) dengan pemberian asam atau basa,
Gambar 5-9. Isomerisasi ikatan N - a, prolil peptida dari konfigurasi TRANS
secara relatif terhadap rantai utama polipeptida.
CIS
ke
BAB 5: PROTEIN: STRUKTUR ORDO TINGGI / 40/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
pembentukan ikatan disulfida yang menstabilkan konformasi asli protein.
Prolin-ciS/ frans-lsomerase Semua ikatan peptida X-Pro—tempat X mewakili semua residu —disintesis dalam konfigurasi trans. Namun, pada ikatan X-pro protein matang, sekitar 6% adalah cis. Konfigurasi cis paling sering pada belokan p. Isomerisasi dari trans menjadi cis dikatalisis oleh enzim prolin-cis,trans- isomerase (Gambar 5-9).
Pelipatan Adalah Suatu Proses Dinamik Protein adalah molekul yang secara konformasional dinamis serta dapat melipat dan terurai ratusan atau ribuan kali dalam masa hidupnya. Bagaimana protein kembali melipat dan memulihkan konformasi fungsionalnya setelah lipatannya terurai? Pertama-tama, penguraian lipatan jarang menyebabkan randomisasi total rantai polipeptida di dalam sel. Oleh karena itu, protein yang telah terurai tersebut mempertahankan sejumlah kontak dan regio struktur sekunder yang mempermudah proses pelipatan ulang. Kedua, protein ’’pendamping” dapat ”menyelamatkan” protein yang telah terurai yang secara termodinamis terperangkap dalam ”jalanbuntu” pelipatan dengan menguraikan regio-regio hidrofobik dan memberikan kesempatan kedua agar protein tersebut kembali melibat secara produktif, dan glutation dapat mengurangi ikatan disulfida yang tidak sesuai dan terbentuk sewaktu terjadi pajanan oleh bahan pengoksidasi misalnya 0 2, hidrogen peroksida, atau superoksida (Bab 51).
GANGGUAN KONFORMASI PROTEIN DAPAT MEMILIKI KONSEKUENSI PATOLOGIS Prion Ensefalopati spongiform yang dapat menular, atau penyakit prion adalah penyakit neurodegeneratif fatal yang ditandai oleh perubahan spongiform, glioma astrositik, dan lenyapnya neuron akibat pengendapan agregat protein tak- larut dalam sel neuron. Ensefalopati ini mencakup penyakit Creutzfeldt-Jakob pada manusia, scrapie pada domba, dan bovine spongiform encephalopathy (penyakit sapi gila) pada hewan ternak. vCJD, suatu varian dari penyakit Creutzfeldt- Jakob yang mengenai pasien lebih muda, berkaitan dengan gangguan perilaku dan psikiatrik yang timbul dini. Penyakit prion dapat bermanifestasi sebagai penyakit infeksi, genetik, atau sporadik. Karena tidak ada gen virus atau bakteri yang menyandi protein prion patologis yang dapat ditemukan, sumber dan mekanisme penularan penyakit prion selama
ini tidak diketahui. Saat ini, diketahui bahwa penyakit prion adalah penyakit konformasi protein yang ditularkan melalui perubahan konformasi, dan karenanya sifat fisik, suatu | protein yang endogen bagi tubuh manusia. Pada manusia. J protein terkait-prion, PrP, adalah suatu glikoprotein yang f disandi oleh lengan pendek kromosom 20 dan dalam keadaan J normal bersifat monomerik serta kaya heliks ct. Protein prion patologis berfungsi sebagai cetakan bagi perubahan konformasi PrP normal yang dikenal sebagai PrPc, menjadi PrPsc. PrPsc kaya akan lembar dengan banyak rantai samping aminoasil hidrofobik yang tcrpajan oleh pelarut. Oleh karena itu, molekul PrPsc berikatan secara kuat satu sama lain yang membentuk agregat rcsistcn protease tak- 1 larut. Karena satu prion patologis atau protein terkait-prion dapat menjadi cetakan bagi perubahan konformasi banyak molekul PrPc, penyakit prion dapat dirularkan hanya melalui protein tanpa keterlibatan DNA atau RNA.
Penyakit Alzheimer Pelipatan ulang atau kesalahan pelipatan protein lain yang endogen bagi jaringan otak manusia, [3-amilaid adalah gambaran utama pada penyakit Alzheimer. Sementara kausa utama penyakit Alzheimer masih belum diketahui, namun plak senilis khas dan berkas ncurofibril {neurofibrillarybundles) mengandung agregat protein P-amiloid, suatu polipeptida 4,3-kDa yang dihasilkan oleh pemutusan proteolitik protein yang lebih besar yang dikenal sebagai protein prekursor amiloid. Pada pasien penyakit Alzheimer, kadar P-amiloid meningkat, dan protein ini mengalami transformasi konformasional dari keadaan kaya-heliks Ct yang mudah larut menjadi keadaan yang kaya akan lembar P yang rentan mengalami penggumpalan. Apolipoprotein E diperkirakan berperan sebagai mediator potensial perubahan konformasi ini.
Talasemia Beta Talasemia disebabkan oleh cacat genetik yang mengganggu sintesis salah satu subunit polipeptida hemoglobin (Bab 6), Selama “ledakan” sintesis hemoglobin yang terjadi sewaktu pembentukan sel darah merah, suatu molekul pendamping (chaperone) spesifik yang disebut a -hemoglobin-stabilizing protein (AHSP) mengikat subunit a hemoglobin bebas yang menunggu penyatuan ke dalam multimer hemoglobin. Tanpa molekul pendamping ini, subunit-subunit othemoglobin bebas akan menggumpal, dan endapan yang terjadi menimbulkan efek sitotoksik pada eritrosit yang sedang terbentuk. Penelitian dengan menggunakan mencit yang telah dimodifikasi secara genetis mengisyaratkan adanya peran AHSP dalam memodulasi keparahan talasemia—P pada manusia.
KOLAGEN MERUPAKAN CONTOH PERAN PENGOLAHAN PASCATRANSLASI DALAM PEMATANGAN PROTEIN Pematangan Protein Sering Melibatkan Pembentukan & Pemutusan Ikatan Kovalen Pematangan protein menjadi struktur akhirnya sering melibatkan pemutusan atau pembentukan (atau keduanya) ikatan kovalen, suatu proses modifikasi pascatranslasi. Banyak polipeptida pada awalnya disintesis sebagai prekursor berukuran besar yang disebut proprotein. Segmen-segmen polipeptida "tambahan” pada proprotein ini sering berfungsi sebagai leader sequence (sekuens pemimpin/pendahulu) yang membawa polipeptida ke organel tertentu atau mempermudah polipeptida melewati membran. Segmen-segmen lain menjamin bahwa aktivitas protein yang berpotensi membahayakan, misalnya protease tripsin dan kimotripsin tetap terhambat sampai protein tersebut mencapai tujuan akhirnya. Namun, jika kebucuhan- kebutuhan transien tersebut telah terpenuhi, regio-regio peptida yang mubazir tersebut kemudian dihilangkan dengan proteolisis selektif. Modifikasi kovalen lain dapat terjadi yang menyebabkan fungsi kimia protein yang bersangkutan berrambah. Pematangan kolagen merupakan contoh kedua proses tersebut.
Kolagen Adalah Protein Fibrosa Kolagen adalah protein fibrosa (berserat) yang paling banyak dan membentuk lebih dari 25% massa protein dalam tubuh manusia. Protein fibrosa penting lainnya adalah keratin dan miosin. Protein-protein fibrosa ini merupakan sumber utama kekuatan struktural sel (yi. sitoskeleton) dan jaringan. Kulit memperoleh kekuatan dan kelenturannya dari jalinan serat kolagen dan keratin yang bersilangan, sementara tulang dan gigi diperkuat oleh jaringan serat kolagen yang anaJog dengan kawat baja yang memperkuat beton. Kolagen juga terdapat di jaringan ikat, misalnya ligamentum dan tendon. Perlunya kekuatan regang yang tinggi untuk memenuhi kebutuhan peran struktural ini memerlukan bentuk protein memanjang yang ditandai oleh sekuens asam amino berulang dan struktur sekunder yang reguler.
Kolagen Membentuk Heliks Tripel yang Unik Tropokolagen terdiri dari tiga serat, masing-masing mengandung sekitar 1000 asam amino, yang disatukan dalam suatu konformasi unik, heliks tripel kolagen (Gambar 5-10). Serat kolagen matang membentuk suatu batang memanjang dengan rasio aksial sekitar 200. Terdapat tiga untai polipeptida yang saling menjalin, memuntir ke kiri, dan saling membung-
41
kus satu sama lain secara kinan untuk membentuk heliks tripel kolagen. Puntiran yang saling bertentangan (kidal-kinan) pada superheliks dan polipeptida-polipeptida komponennya menyebabkan heliks tripel kolagen sangat resisten terhadap penguraian (unwinding,)—prinsip serupa digunakan dalam kabel baja penyangga jembatan gantung. Heliks tripel kolagen memiliki 3,3 residu per puntiran dan satu kenaikan per residu hampir dua kali lipat dibandingkan dengan kenaikan- nya pada heliks a. Gugus R masing-masing untai polipeptida pada heliks tripel terkemas sedemikian rapat sehingga supaya pas, salah satunya harus glisin. Oleh karena itu, setiap residu asam amino ketiga pada kolagen adalah residu glisin. Pengaturan bergiliran ketiga untai menghasilkan posisi yang sesuai untuk glisin di seluruh heliks. Kolagen juga kaya akan prolin dan hidroksiprolin, sehingga terbentuk pola Gly-X-Y berulang (Gambar 5-10) dengan Y yang umumnya berupa prolin atau hidroksiprolin. Heliks tripel kolagen distabilkan oleh ikatan hidrogen antara residu di rantai polipeptida yang berbeda. Gugus hidroksil residu hidroksiprolil juga ikut serta membentuk ikatan hidrogen antar-rantai. Stabilitas juga diperkuat oleh ikatan silang kovalen yang terbentuk antara residu lisil modifikasi baik di dalam maupun di antara rantai polipeptida.
Kolagen Disintesis Sebagai Suatu Prekursor Besar Kolagen pada awalnya disintesis sebagai sebuah polipeptida prekursor besar, yaitu prokolagen. Banyak residu prolil dan lisil prokolagen mengalami hidroksilasi oleh prolil hidroksilase dan lisil hidroksilase, yang enzim yang memerlukan asam askorbat (vitamin C; lihat Bab 27 & 44). Residu hidroksiprolil dan hidroksi-lisil menghasilkan ikatan hidrogen tambahan yang mampu menstabilkan protein matang. Selain itu, glukosil dan galaktosil transferase melekatkan residu glukosil atau galaktosil pada gugus hidroksil residu hidroksilisil tertentu. Bagian tengah polipeptida prekursor ini kemudian berikatan dengan molekul lain untuk membentuk heliks tripel yang khas. Proses ini disertai oleh pengeluaran
Sekuens
asam amino “ X - Y - Gly - X - Y - Gly - X — Y -
Struktur 2°
Cambar 5-10. Struktur primer, sekunder, dan tersier kolagen.
BAB 5: PROTEIN: STRUKTUR ORDO TINGGI
42/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
REFERENSI Structure.
folding. Annu Rev
ializcd hut cssent
KDMGBCASAM
Protein dapat diklasifikasikan berdas bentuk, fungsinya, atau keberadaan s prostetik, misalnya heme. Uatn Struktur primer suatu polipeptida yaripjadalah sekuens asam-asam aminonya. f ^' olc terbentuk akibat pelipatan polipCpt|d Cru^Ur Se^, motif yang disatukan oleh ikatan hid ^Mi , heliks A, lembar terlipat p, tekul
1
Slen
« vitamin C. sK«
tidak rncny
Cris
^falopati
^ Pcnyakit Creut'^ ‘form encephalopathy 1
spong’
Per
^ahan struktur *1' PrPc.
Jika
PrPc
PrPSc, k° las
b
h
ya,
n
dominan helH
untuk PrPSc.
BAB 6: PROTEIN: MIOGLOBIN & HEMOGLOBIN /
Protein: Mioglobin & Hemoglobin Peter J. Kennelly, PhD & Victor W. Rodwell, PhD ———
PERAN BIOMEDIS Protein heme mioglobin dan hemoglobin mempertahanka pasokan oksigen yang esensial untuk metabo isme o si a Mioglobin, suatu protein monomerik otot me: > menyimpan oksigen sebagai cadangan untu mengia kekurangan oksigen. Hemoglobin, suatu protein tetramc eritrosir, mengangkut O, ke jaringan dan mengem a 1 an CO, dan proton ke paru-paru. Sianida dan ar on monoksida bersifat mematikan karena masingmasing mengganggu fungsi fisiologis protein heme sitokrom oksidase dan hemoglobin. Struktur sekunder-tersier subunit su i hemoglobin mirip dengan mioglobin. Namun, stru tu tetramerik hemoglobin memungkinkan zat ini me a interaksi kooperatif yang sangat penting bagi ungs ) Sebagai contoh, 2,3-bisfosfogliserat (BPG) mendorong pembebasan O, secara efisien dengan menstabilkan stru tu kuaterner deoksihemoglobin. Hemoglobin dan miogo menggambarkan hubungan struktur-fungsi protein serta dasar molekular penyakit genetik, seperti penyakit se sa it dan talasemia.
HEME & BESI FERRO MEMHUKI KEMAMPUAN MENYIMPAN & MENGANGKUT OKSIGEN
_
oksidasi Fe2, mioglobin aiau hemoglobin menjadi merusak aktivitas biologik kedua nya.
Mioglobin Kaya Akan Heliks
Gambar 6-7. Heme. Cincin-cincin pirol dan karbon jembatan metilen terletak koplanar, dan atom besi (Fe-'-) terletak di bidang yang hampir sama. Posisi koordinasi kelima dan keen am Fe*’* mengarah tegak lurus terhadap—dan tepat di atas dan di bawah— bidang cincin heme. Perhatikan sifat gugus-gugus substituen di |
GJuk
Gambar 6-2. Model mioglobin dengan pembesaran lemah. Hanya atom-atom akarbon yang diperlihatkan. Regio a-heliks dinamai A
sampai H. (Didns.irk.in p.id.i Dickerson RE d.il.im: Thr Proteins. 2nd ed. Vol posisi koordinasi keenam, besi bergerak dalam jarak 0,01 nm (0,1 A) pada bidang cincin heme. Jadi, oksigenasi mioglobin disertai oleh gerakan besi, His F8, dan residu-residu yang berikatan dengan His F8.
Apomioglobin Membentuk Lingkungan yang Menghambat Besi Heme isi
Mioglobin dan hemoglobin mengandung heme, suatu tetrapirol siklik yang terdiri dari empat molekul pirol yang disatukan oleh jembatan a-metilen. Jaringan planar ikatan ikatan rangkap ini menyerap sinar tampak dan mewarnai heme menjadi merah tua. Substituen di posisi p- erne adalah gugus metil (M), vinil (V), dan propionat (Pr) ya% terususun dalam urutan M, V, M, V, M, Pr, Pr, M ( am ar 1). Satu atom besi ferro (Fe2*') terletak di bagian tenS tetrapirol planar. Protein lain dengan gugus P™st^U tetrapirol yang mengandung logam adalah sitokrom ( e an Cu) dan klorofil (Mg) (lihat Bab 31). Oksidasi dan reduksi atom-atom Fe dan Cu pada sitokrom sangat penting bagi fungsi biologis zat ini sebagai pembawa elektron. Sebaliknya,
44
Histidin F8 & E7 Melakukan Peran Unik dalam Mengikat Oksigen Heme pada mioglobin terletak di suatu celah antara hclj E dan heliks F yang berorientasi dengan gugus propior^ polarnyayang menghadap permukaan globin (Gambar Sisanya terletak di bagian interior nonpolar. Posisi koordir*-^ kelima pada besi berikatan dengan nitrogen cincin histi
Besi Berpindah Menuju Bidang Heme Ketika Oksigen Terikat Besi pada mioglobin tidak-teroksigenasi terletak 0,03 rin (0,3 A) di luar bidang cincin heme, kc arah His F8. OL^ sebab itu, heme agak ’’mengerut”. Ketika O, menempat
Ketika O, mengikat mioglobin, ikatan antara atom oksigen pertama dan Fe2' menjadi tegak lurus terhadap bidang cincin heme. Ikatan yang menghubungkan atom oksigen pertama dan kedua terletak pada sudut 121 derajat terhadap bidang heme yang mengarahkan oksigen kedua menjauhi histidin distal (Gambar 6-3, kiri). Heme yang terisolasi mengikat karbon monoksida (CO) 25.000 kali lebih kuat daripada oksigen. Karena CO terdapat dalam jumlah kecil di atmosfer dan terbentuk dalam sel dari katabolisme heme, mengapa CO tidak menggantikan O, sepenuhnya dari besi heme? Penjelasan yang diterima adalah bahwa apoprotein mioglobin dan hemoglobin menciptakan suatu HINDERED ENVIRONMENT (’’lingkungan yang takramah”). Sementara CO dapat mengikat heme terisolasi dalam orientasi yang diinginkannya, yi, dengan ketiga atom (Fe, C, dan O) tegak lurus terhadap bidang heme, histidin distal secara steris mencegah orientasi ini pada mioglobin dan hemoglobin. Pengikatan dengan sudut yang kurang menguntungkan akan mengurangi kekuatan ikatan heme-CO menjadi sekitar 200 kali lipar daripada ikatan hemeO, (Gambar 6-3, kanan) dan
pada kadar tersebut, jumlah O, yang biasanya mendominasi sangat berlcbih dibandingkan CO. Bagaimanapun, sekitar 1% mioglobin biasanya berikatan dengan karbon monoksida.
KURVA DISOSIASI OKSIGEN
UNTUK MIOGLOBIN & HEMOGLOBIN MENGGAMBARKAN PE RAN FISIOLOGIS KEDUANYA MENGNPN mioglobin tidak cocok digunakan sebagai protein pengangkut O,, tetapi sangat cocok untuk menyimpan O,? Hubungan antara konsentrasi, atau tekanan parsial, O, (PO,) dan jumlah O, yang terikat dinyarakan sebagai isoterm saturasi O, (Gambar 6-4). Kurva pengikatan oksigen untuk mioglobin berbentuk hiperbola. Jadi, mioglobin secara cepat membebaskan O, pada PO, jaringan kapiler paru (100 mmHg). Namun, karena hanya membebaskan sebagian kecil dari O, yang diikatnya pada nilai PO, yang biasanya dijumpai di otot aktif (20 mmHg) atau jaringan lain (40 mmHg), maka mioglobin adalah kendaraan yang kurang efektif untuk menyalurkan O,. Namun, ketika olah raga berat menurunkan PO, jaringan otot menjadi sekitar 5 mmHg, mioglobin membebaskan O, untuk sintesis Al P di mitokondria sehingga aktivitas otot dapat berlanjut.
45
BAB 6: PROTEIN: MIOGLOBIN & HEMOGLOBIN /
47
46/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
regio heliks, polipeptida a hemoglobin juga mirip dengan
j
mioglobin. I
Oksigenasi Hemoglobin Memicu Perubahan ; Konformasi Apoprotein
Gambar 6-3. Sudut-sudut pengikatan oksigen dan karbon monoksida ke
besi heme pada mioglobin. Histidin E7 distal menghambat pengikatan CO di sudut yang disukai (180 derajat) terhadap bidang cincin heme.
SIFAT ALOSTERIK HEMOGLOBIN DISEBABKAN OLEH STRUKTUR KUATERNERNYA Sifat masing-masing hemoglobin merupakan konsekuensi struktur kuaterner serta struktur sekunder dan tersiernya. Struktur kuaterner hemoglobin juga memberi sifat tambahan yang tidak terdapat pada mioglobin monomerik sehingga hemoglobin dapat beradaptasi dengan peran biologisnya yang unik. Selain itu, sifat alosterik (Yn alios "lain”, steros ’’ruang”) hemoglobin merupakan model untuk memahami protein-protein alosterik lain (lihat Bab 18).
Hemoglobin mengikat empat molekul O, per tetramer. satu j per heme. Satu molekul O, akan lebih mud.ih mengikat tetramer hemoglobin jika molckul O, lainnya Midah terikat (Gambar 6-4). Fenomena ini yang disebut cooperative binding, memungkinkan hemoglobin memaksimalkan baik jumlah O, yang ditampung pada PO, paru maupun jumlah Oz yangdibebaskan di PO, jaringan perifer. Interaksi kooperatif, suatu sifat eksklusif protein rmiltimerik, sangat penting bagi kehidupan aerob.
Pso Menyatakan Afinitas Relatif Berbagai Hemoglobin Terhadap Oksigen Kuantitas P^, suatu ukuran konsentrasi O,, adalah tekanan parsial 0 2 yang menyebabkan saturasi hemoglobin menjadi setengahnya. P^ dapat sangat bervariasi, bergantung pada organisme, tetapi pada semua kasus bcsaran ini akan melcbihi P0 2 jaringan perifer. Sebagai contoh, nilai PM) untuk HbA dan HbF janin masingmasingadalah 26 dan 20 mm Hg. Di plasenta, perbedaan ini memungkinkan HbF mengekstraksi oksigen dari HbA di darah ibu. Namun, HbF bersifat suboptimal pada masa pascapartum karena afinitas yang tinggi terhadap oksigen sehingga menyebabkan hemoglobin ini kurang dapat menyalurkan 0 2 ke jaringan.
Hemoglobin Bersifat Tetramerik
Heliks F
Penolakan sterik Bidang porfirin'
Oksigenasi Hemoglobin Disertai oleh Perubahan Konformasi Besar Terikatnya molckul O, pertama ke deoksiHb menggeser besi heme kc arah bidang cincin heme dari posisi sekitar 0,6 nm di belakangnya (Gambar 6-6). Gerakan ini disalurkan ke histidin proksimal (F8) dan ke residu-residu yang melekat padanya, yang selanjutnya menyebabkan putusnya jembatan garam antara residu-residu terminal karboksil di keempat subunit. Akibatnya, satu pasang subunit a/p berputar 15 derajat relatif terhadap yang lain sehingga tetramer menjadi lebih kompak (Gambar 6-7). Perubahan mencolok pada struktur sekunder, tersier, dan kuaterner menyertai transisi hemoglobin (yang dipicu oleh afinitas O, yang tinggi) dari keadaan T (taut, tegang) berafinitas rendah menjadi keadaan R (relaxed, rileks) berafinitas tinggi. Perubahan ini meningkatkan secara bermakna afinitas heme yang belum teroksigenasi terhadap O, karena pengikatan selanjutnya mensyaratkan putusnya jembatan garam yang berjumlah lebih sedikit (Gambar 6-8). Istilah T dan R juga digunakan masing-masing untuk merujuk ke konformasi enzim alosterik berafinitas rendah dan berafinitas tinggi.
Hemoglobin adalah tetramer yang terdiri dari pasangan dua subunit polipeptida yang berlainan. HurufYunani digunakan untuk menamai masing-masing jenis subunit. Komposisi subunit hemoglobin utama adalah a2P2 (HbA; hemoglobin dewasa normal), a2y2 (HbF*, hemoglobin janin), a2S2 (HbS; hemoglobin sel sabit), dan a282 (HbA^ hemoglobin dewasa minor). Struktur primer rantai p, y, dan 8 pada hemoglobin manusia bersifat tetap.
Gambar 6-7. Selama transisi hemoglobin dari bentuk T ke bentuk R, satu
pasang subunit (a2/p,) berputar sebesar 15 derajat relatif terhadap pasangan lain (a/P,). Sumbu rotasi terletak eksentrik, dan pasangan a/P_, juga agak bergeser ke arah sumbu. Dalam diagram, pasangan a/p, yang tidak-berarsir tampak terfiksasi sementara pasangan a/p, yang berarsir mengalami pergeseran dan perputaran.
Mioglobin & Subunit p Hemoglobin Memiliki Struktur Sekunder dan Tersier yang Hampir Identik Meskipun jumlah dan jenis asam amino yang ada berbeda, mioglobin dan polipeptida P hemoglobin A memiliki struktur sekunder dan tersier yang hampir identik. Kemiripan tersebut mencakup lokasi heme dan delapan regio heliks serta adanya asam amino dengan sifat serupa di lokasi-lokasi yang sepadan. Meskipun memiliki tujuh (bukan delapan)
Histidin F8
Komposisi subunit tetramer hemoglobin mengalami perubahan kompleks selama perkembangannya. Janin manusia pada awalnya membentuk tetramer Pada akhir trimester pertama, subunit C, dan c telah diganti oleh subunit a dan y, membentuk HbF (a,y,), hemoglobin masa kehidupan janin lanjut. Sementara sintesis subunit p dimulai pada trimester ketiga, subunit P belum mengganti seluruh subunit y untuk membentuk HbA dewasa (ct,P,) sampai beberapa minggu setelah lahir (Gambar 6-5).
Setelah Membebaskan 02 di Jaringan/ Hemoglobin Mengangkut C02 & Proton ke Paru-Paru
Tekanan gas oksigen (mm Hg) Gambar 6-4. Kurva pengikatan-oksigen untuk hemoglobin dan mioglobin.
Tekanan oksigen arteri adalah sekitar 100 mmHg; tekanan oksigen vena campuran adalah sekitar 40 mmHg; tekanan oksigen kapiler (otot aktif) adalah sekitar 20 mmHg; dan tekanan oksigen minimal yang diperlukan untuk sitokrom oksidase adalah sekitar 5 mmHg. Ikatan rantai-rantai menjadi struktur tetramerik (hemoglobin) menyebabkan penyaluran oksigen menjadi jauh lebih besar dibandingkan seandainya hanya terdapat rantai tunggal (Dimodifikasi dengan izin dari Scriver CR, et al led). The Molecular and Metabolic Basis of Inherited Disease, ed ke-7. McGrawHill, 1995).
Gambar 6-5. Pola perkembangan struktur kuaterner hemoglobin janin dan neonatus. (Diproduksi ulang dengan izin dari Ganong WF: Review of Medical Physiology, 20th ed. McGraw-Hill, 2001.)
Selain mengangkut 02 dari paru-paru ke jaringan perifer, hemoglobin mengangkut C02> produk-sampingan respirasi, dan proton dari jaringan perifer ke paru-paru. Hemoglobin membawa C02 sebagai karbamat yang terbentuk dengan nitrogen terminal amino rantai polipeptida.
< >
BAB 6: PROTEIN: MIOGLOBIN & HEMOGLOBIN /
48/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM 50
/
49
BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
C02 + Hb — NH3+ ^=±2H+ + Hb — N — C — O '
H II
Oksi A
dengan bikarbonat untuk membentuk asam karbonat Dehidrasi H2C03 yang dikatalisis oleh karbonik anhidrase, Deoksi S OksiS membentuk C0 yang kemudian dihembuskan kcluar. 2 Olehsebab itu, pengikatan oksigen mendorong pcngcluaran C02 (Gambar 6-9). Penggabungan (coupling) timbal-balik pengikatan proton dan O, ini disebut efek Bohr. Kfek Bohr bergantung pada interaksi kooperatif antara heme pada tetramer hemoglobin. Mioglobin, suatu monomer, tidak memperlihatkan efek Bohr.
O
Deoksi A
Karbamat mengubah muatan terminal amino dari positif ke negatif yang mempermudah pembentukan ikatan garam antara rantai a dan (3. Karbamat hemoglobin merupakan sekitar 15% C0 2 dalam darah vena. Sebagian besar C0 2 lainnya diangkut sebagai bikarbonat yang terbentuk dalam eritrosit oleh hidrasi C0 2 menjadi asam karbonat (H2C03), suatu proses yang dikatalisis oleh karbonik anhidrase. Pada pH darah vena, H 2C03 terurai menjadi bikarbonat dan proton.
KARBONI K
COj + H,0: ANHIDRAS
H21 (Gambar 6-10). Oleh karena itu, BPG menstabilkan hemoglobin terdeoksigenasi (keadaanT) dengan membentuk jembatan-jembatan garam tambahan yang harus diputuskan sebelum terkonversi ke keadaan R. Residu H21 pada subunit y hemoglobin janin (HbF) adalah Ser dan bukan His. Karena Ser tidak dapat membentuk jembatan garam, BPG berikatan lebih lemah dengan HbF daripada dengan HbA. Stabilisasi lebih rendah yang terjadi pada keadaan T oleh BPG merupakan penyebab lebih tingginya afinitas HbF terhadap 02 daripada HbA.
2CO, + 2H,0
KARBON IK ANHIDR ASE
2H,CO,
Proton Terbentuk dari Putusnya Ikatan Garam Ketika Oa Terikat
(Spontan)
. H,CO,
j ! j j ! } ! j
•HCOj+H-
Asam karbona t
Deoksihemoglobin mengikat satu proton untuk setiap dua molekul 02 yang dibebaskan dan berperan signifikan menentukan kapasitas pendaparan darah. pH jaringan perifer yang agak rendah, ditambah dengan karbamasi, menstabilkan keadaan T sehingga meningkatkan penyaluran 02. Di paruparu, prosesnya terbalik. Sewaktu 02 berikatan dengan deoksihemoglobin, proton dibebaskan dan berikatan
Proton yang berperan dalam efek Bohr berasal dari putusnya jembatan garam sewaktu pengikatan O, ke hemoglobin pada keadaan T. Konversi menjadi keadaan R teroksigenasi memutuskan jembatan garam yang melibatkan residu rantai p His 146. Disosiasi proton yang terjadi kemudian dari His 146 mendorong perubahan bikarbonat menjadi asam karbonat (Gambar 6-9). Pada waktu pelepasan O,, struktur T dan jembatan-jembatan garam nya kembali terbentuk. Perubahan konformasi ini meningkatkan p/f residu His 146 rantai P, yang mengikat proton. Dengan mempermudah pembentukan kembali jembatan garam, peningkatan konsentrasi proton meningkatkan pembebasan 02 dari hemoglobin teroksigenasi (keadaan R). Sebaliknya, peningkatan P0 2 mendorong pembebasan proton.
Struktur T
Adaptasi di Ketinggian Perubahan fisiologis yang terjadi saat berada di tempat yang terletak tinggi dalam waktu lama antara lain mencakup peningkatan jumlah eritrosit serta konsentrasi hemoglobin dan BPG-nya. Peningkatan BPG menurunkan afinitas HbA untuk 02 (penurunan P50) yang meningkatkan pembebasan 02 di jaringan. siklus Krebs
Gambar 6-9. Efek Bohr. Karbon dioksida yang dihasilkan di jaringan perifer berikatan dengan air untuk membentuk asam karbonat yang terurai menjadi proton dan ion bikarbonat. Deoksihemoglobin bekerja sebagai dapar dengan mengikat proton dan menyalurkannya ke paru-paru. Di paruparu, penyerapan oksigen oleh hemoglobin membebaskan proton untuk berkombinasi dengan ion bikarbonat, membentuk asam karbonat yang jika mengalami dehidrasi oleh karbonik anhidrase akan menjadi karbon dioksida yang kemudian dihembuskan keluar.
2.3Bisfosfogliserat (BPG) Menstabilkan Struktur T Hemoglobin P02 yang rendah di jaringan perifer mendorong pembentukan 2.3- bisfosfogliserat (BPG) dari zat antara glikolisis, yaitu 1.3- bisfosfogliserat di eritrosit. O"
Struktur R Gambar 6-8. Transisi dari struktur T ke struktur R. Dalam model ini, jembatan garam (garis tipis) yang menghubungkan subunit-subunit di struktur T terputus secara progresif seiring dengan penambahan oksigen, dan bahkan jembatan garam yang belum putus akan melemah secara progresif (garis bergelombang). Transisi dari T ke R tidak langsung terjadi begitu sejumlah tertentu molekul oksigen terikat, tetapi menjadi semakin besar kemungkinannya seiring dengan semakin bertambahnya oksigen op'r ter'*
Tetramer hemoglobin mengikat satu molekul BPG di ruang sentral yang dibentuk oleh keempat subunitnya. Namun, ruang antara heliks-heliks H rantai P yang melapisi ruang tersebut cukup lebar untuk mengakomodasi BPG hanya jika hemoglobin berada dalam keadaan T. BPG membentuk jembatan garam dengan gugus amino terminal kedua rantai p melalui Val NA1 dan dengan Lys EF6 dan His
terakhir. Oleh sebab itu, pengukuran HbA, memberikan KETERANGAN berharga untuk penatalaksanaan diabetes
antara lain adalah induksi ekspresi hemoglobin janin untuk mencegah polimerisasi HbS, transplantasi sci tunas, dan, di masa mendatang, terapi gen. Ordway GA. Garry D]. Myoejobuv. An esscntui kmo^otcw vn ^naicd musclc. ] Exp B\o\ ^0 Mor\7 .v\\\ % «. •&. P&sssjsoc.oS Wmo^ob'm: Rupture of a * «. ^ Nfemnc oeWd oS Wmo^oVm: Rupture of pcrsons nA. II I ’ “ ' Irrt. I rasa o& ^T-^\V\OMX.\\\A , In,a,c on (ot Kcuxo^lobm J»sOKt ‘SOTSSJSxSSSssd Y\,^\^^\RS\X'^SK
melitus.
Enzim: Mekanisme Kerja
REFERENSI
~~ ^ ^B^jjSsjgjj 1c.- \
(yprtl W
VN \R5\R»^; ■w^ -a.'^ssssSS.'^,,^ ossN^vcjivw
«. .***«>>#.Ann,, „' ..***»“ '" 'W
^cd 200S;56:1S"\ ;Ij ........................ ipro^ -s^n.iJnjgnaiaC: Pathophysiological *u IQO3;^‘^! ip ^catment ofsicklc-ccll disease. Annu Rcv ^
’ "’ Deoksi A Deoksi S 2001;25:183. . Wathcrall DJ, „ a\: The hcmog\ob\nopaihtcs- ' ‘ li(.* The Lukin JA, Ho C:The structurc-function relationship A Mfwbolic\ and Molecular Bases Gambar 6-11. Rcpresentasi sticky patch ( ) di hemoglobin S dan "reseptor"-nv.i
BANYAK HEMOGLOBIN MUTAN PADA MANUSIA TELAH BERHASIL DflDDENTIFIKASI Mutasi di gen-gen yang menyandi subunit a atau [i hemoglobin berpotensi memengaruhi fungsi biologis hemoglobin. Namun, hampir semua dari lebih 900 hemoglobin mutan pada manusia yang telah diketahui sangat jarang ditemukan dan jinak tanpa' menimbulkan masaJah klinis. Jika suatu mutasi memang menimbulkan gangguan fungsi biologis, keadaannya disebut hemoglobinopati. URL http://globin. cse.psu.edu//(Globin Gene Server) menyediakan informasi mengenai—dan akses tentang— hemoglobin normal dan mutan. Beberapa contoh diberikan berikut ini.
Methemogllobon & Hemoglobin M Pada methemoglobinemia, besi heme adalah ferri dan bukan ferro. Jadi, methemoglobin tidak dapat mengikat atau mengangkut 02. Secara normal, enzim methemoglobin reduktase mereduksi Fe3* methemoglobin menjadi Fe2*. Methemoglobin dapat terbentuk oleh oksidasi Fe 2’ menjadi Fe3’ sebagai efek samping obat, seperti sulfonamid, dari hemoglobin M herediter, atau akibat berkurangnya aktivitas enzim methemoglobin reduktase. Pada hemoglobin M, histidin F8 (His F8) diganti oleh tirosin. Besi pada HbM membentuk kompleks ionik ketat dengan anion fenolat tirosin yang menstabilkan bentuk Fe 3’. Di varian hemoglobin M rantai a, keseimbangan R- T menguntungkan keadaan T. Afinitas oksigen berkurang,
dan efek Bohr tidak dijumpai. Varian hemoglobin M rantai [5 memperlihatkan pertukaran R-T sehingga terjadi efel< Bohr. Mutasi yang menguntungkan keadaan R (misalnya hemoglobin Chesapeake) meningkatkan afinitas O,, Jadi, hemoglobin ini tidak dapat menyalurkan O, secar^ memadai kc jaringan perifer. Hipoksia jaringan yang terjadi menyebabkan polisitemia, suatu peningkatan konsentrasi eritrosit.
Hemoglobin S Pada HbS, asam amino nonpolar valin menggantikan residu permukaan polar Glu6 subunit [i yag membentuk suatu "sticky patch'' (bercak lengket) hidrofobik pad;\ permukaan subunit (3 baik oksiHbS maupun deoksiHbS. Baik HbA maupun HbS mengandung satu STICKY P‘*TCT) komplementer pada permukaan yang terpajan hanya pad;\ keadaan terdeoksigenasi, yaitu keadaan R. Jadi, pada PO^ rendah, deoksiHbS dapat mengalami polimerisasi menjadi serat panjang yang tidak-larut. Pengikatan deoksiHbA mengakhiri polimerisasi serat karena HbA tidak memiliki STICKY PATCH kedua yang diperlukan untuk mengikat molekul Hb yang lain (Gambar 6-1 1). Serat heliks yang terpuntir ini menyebabkan distorsi eritrosit menjadi bentuk khas sabit sehingga sel ini menjadi rentan mengalami lisis di interstisium sinusoid limpa. Serat-serat ini jugu menimbulkan banyak efek klinis sekunder. Pada PO, rendah seperti di ketinggian, kecenderungan pembentukan polimer akan meningkat. Terapiterapi baru bagi penyakit sel sabit
51
RINGKASAN
DAMPAK BOOMEDIS
Mioglobin bersifat monomerik; hemoglobin adalah suatu tetramer dari dua
Mioglobinuria Peter J. Kennelly, PhD & Victor W. Rodwell, PhD
tipe subunit (ci.p, pada HbA). Meskipun memiliki struktur primer
Setelah terjadinya suatu ccdcra merusak yang masif, mioglobin yang dibebaskan dari serabut otot yang rusak akan mewarnai urine menjadi mcrah tua. Setelah terjadinya infark miokardium, dapat didcteksi adanya mioglobin di dalam plasma, tetapi pemeriksaan enzim serum (lihat Bab 7) merupakan indcks cedera miokardium yang lebih sensitif. PE RAN BIOMEDIS
dan tersier yang nyaris idcntik.
Enzim adalah polimcr biologis yang mengatalisis reaksi kimia
Anemia yang memungkinkan berlangsungnya kehidupan seperti yang kita kenal.yaitu Keberadaan dan jumlah pemeliharaan yang Anemia, berkurangnya sel darahrangkaian mcrah atauenzim hemoglobin lengkap dan seimbang merupakan hal yang esensial untuk dalam darah, dapat mencerminkan gangguan sintesis hemoglobin menguraikan nutrien menjadi energi (misalnya pada defisiensi besi; Bab 49) dan atauCHEMICAL gangguan BUILDING produksi BLOCK (bahan dasar kimiawi); menyusun bahan-bahan eritrosit (misalnya pada defisiensi asam folat atau vitamin B,,;dasar Bab menjadi protein, DNA, membran, sel, dan jaringan; serta 44).tersebut Diagnosis anemia dimulai dengan pengukuran kadar hemoglobin memanfaatkan energi untuk melakukan motilitas sel, fungsi darah secara spektroskopik. saraf, dan kontraksi otot. Dengan pengecualian molekul RNA Talasemia katalitik atau ribozim, enzim adalah protein. Kekurangan jumlah atau aktivitas katalitik enzim-enzim kunci dapat terjadi akibat Cacat genetik yang dikenal sebagai talasemia terjadi akibat ketiadaan kelainan genetik, kekurangan gizi, atau toksin. Defck enzim parsial atau total satu atau lebih rantai a atau P hemoglobin. Lebih v dapat disebabkan oleh mutasi infeksi oleh tetapi irus atau dari 750 mutasi berbeda telah genetik berhasilatau diidentifikasi, hanya bakteri (misalnya VBaik IBRIO CHOLERAE). Para tiga yangpatogen sering ditemukan. rantai a (talasemia alia) maupun (5 lnmwan kedokteran mengatasi ketidakseimbangan enzim ) (talasemia beta) dapat terkena. Huruf atasaktivitas ( SUPERSCRIPT dengan menggunakan bahan farmakologis untuk menghambat menunjukkan apakah suatu subunit sama sekali tidak ada (a° atau enzim-enzim tertentusintesisnya dan sedangberkurang meneliti terapi (3°) atau apakah (a' gen atausebagai (V). cara Selain untuk mengobati defisiensi transplantasi sumsum tulang,jumlah terapi bersifat sinnomatik. atauHemoglobin fungsi enzim.mutan tertentu sering ditemukan pada banyak populasi, dan pasien mungkin mewarisi lebih dari satu tipe. Oleh sebab itu, ADALAH gangguan KATALIS hemoglobinYANG merupakan suatu&pola fenotipe ENZIM EFEKTIF klinis yang kompleks. Pemakaian pelacak DNA (DNA PROBE) untuk SANGAT SPESIFIK diagnosis penyakit golongan ini Enzim yang mengatalisis perubahan satu atau lebih senyawa dibahas di Bab 39. ( s u b s t r a t ) menjadi satu atau lebih senyawa lain (PRODUK) 6 Hemoglobin Terglikosilasi (HbA ‘Meningkatkan laju reaksi setidaknya 10 kali dibandingkan j'ka lc) tidak dikatalisis. Seperti semua katalis lain, enzim tidak bcrubah Ketika masuk ke eritrosit, glukosa darah menyebabkan glikosilasi secara permanen atau dikonsumsi sebagai k°nsekuensi dari gugus 8-amino residu lisin dan terminal amino hemoglobin. Fraksi keikutsertaannya dalam reaksi yang hemoglobin terglikosilasi yang dalam keadaan normal berjumlah 5%,bersangkutan. sepadan dengan konsentrasi glukosa darah. Karena waktu-paruh sangat efisien, enzim jugahemoglobin merupakan terglikosilasi katalis y ang eritrositSelain biasanya adalah 60 hari, kadar sangat selektif. Tidak seperti kebanyakan katalis yang digunakan (HbA u) mencerminkan kadar glukosa rata-rata dalam 6-8 minggu dalam bidang kimia sintetik, enzim bersifat spesifik baik bagi tipe reaksi yang dikatalisis maupun substrat atati substrat-substrat yang berhubungan erat. Enzim juga Merupakan katalis stereospesifik dan biasanya mengatalisis reaksi dari hanya satu stereoisomer suatu senyawa, misalnya, D-gula, tetapi bukan L-guIa, asam L-amino, tetapi bukan
berbeda, mioglobin dan subunit hemoglobin memiliki struktur sekunder
Heme, suatu tetrapirol siklik yang pada dasarnya planar dan 2, sedikit mengerut, memiliki Fe di bagian tengah yang berikatan dengan keempat atom nitrogen heme, dengan histidin F8, dan pada oksiMb dan oksiHb, jugadengan substrat melalui asam D-amino. Karena berikatan dengan sedikitnya “tigaO,titik perlekatan”, enzim bahkan dapat mengubah pengikatan O, untuk mioglobin berbentuk hiperbola, tetapi untuk substrat Kurva NONCHIRALmenjadi produk CHIRAL. Gambar 7-1 hemoglobin berbentuk sigmoid yikni suatu akibat interaksi kooperatif melukiskan mengapa reduksi substrat piruvat NONCHIRAL yang dalam tetramer. Interaksi kooperatif memaksimalkan kemampuan dikatalisis oleh enzim menghasilkan L-laktat dan bukan hemoglobin untuk mengangkut O, pada PO, paru-paru dan campuran rasemik D-laktat dan L-laktat. Spesifisitas enzim yang menyalurkan O, pada PO, jaringan. sangat tinggi memberi sel hidup kemampuan untuk secara • Afinitas relatif berbagai hemoglobin untuk oksigen dinyatakan sebagai Pso, bersamaan melaksanakan dan secara independen mengontrol yaitu PO, yang menyebabkan hemoglobin mengalami saturasi oksigen bcragam proses kimiawi. sebcsar 50%. Hemoglobin mengalami saturasi pada tekanan parsial organ
respiratorik yang bersangkutan, misalnya paru atau plasenta. ENZIM DIKLASIFIKASIKAN Pada OKSIGENASI hemoglobin, besi, histidin F8, dan residu-residu terkait BERDASARKAN TIPE bergerak ke arah cincin heme. Perubahan konformasi yang menyertai REAKSI
oksigenasi antara lain adalah putusnya ikatan garam dan Nama-nama yang paling sering digunakan untuk kebanyakan melonggarnya struktur kuaterner yang mempermudah pengikatan enzim menjelaskan tipe reaksi yang dikatalisis, diikuti oleh akhiran O, tambahan. -ASE. Contohnya, dchidrogeivw mengeluarkan atom-atom hidrogen, . 2,3-Bisfosfogliserat (BPG) di ruang sentral deoksiHb proterf.fr menghidrolisis protein, dan isomers mengatalisis tataMEMBENTUK ikatan garam dengan subunit p yang MENSTABILKAN ulang dalam konfigurasi. Pemodifikasi dapat teletak di depan atau deoksiHb. Pada oksigenasi, ruang sentral BERKONTRAKSI, BPG di belakang nama enzim untuk menjelaskan substrat enzim (XANTIN dikeluarkan, DAN struktur kuaterner melonggar. oksidase), sumber enzim (ribonuklease PANKREAS), pengaturannya HEMOGLOBIN juga berfungsi dalam transpor CO, dan proton dari (lipase PEKA-HORMON), atau suatu gambaran dari mekanisme jaringan kc paru-paru. Pembebasan O, dari oksiHb di jaringan kerjanya (protease SISTEIN). Jika diperlukan, ditambahkan penanda disertai oleh penyerapan proton karena berkurangnya pAT alfanumerik untuk menunjukkan berbagai bentuk suatu enzim residu histidin. (misalnya RNA polimerase ///; protein kinase • Pada hemoglobin sel sabit (HbS), Val menggantikan [36 Glu Op). HbA, menciptakan suatu "STICKY PATCH” yang memiliki Untuk menghilangkan ambiguitas, UNION OF komplemen di deoksi Hb (tetapiINTERNATIONAL tidak di oksiHb). DeoksiHbS BIOCHEMISTS (IUB) menciptakan suatu sistem terpadu tatanama mengalami polimerisasi pada konsentrasi O, rendah, enzim yaitu setiap enzim dan kode khusus membentuk seratmemiliki yang nama menyebabkan eritrosityang terdistorsi menunjukkan tipe reaksi membentuk sabit.yang dikatalisis dan substrat yang terlibat. Enzim dalam kelas: • dikelompokkan Talasemia alfakcdan betaenam adalah anemia yang masing- masing 1.disebabkan Oksidoreduktase (mengatalisis oksidasi danP reduksi) penurunan produksi subunit a dan HbA. 2.
Transferase (mengatalisis pemindahan gugus seperti gugus glikosil, metil, atau fosforil)
3. 4.
Hidrolase (mengatalisis pemutusan HIDROLITIK c—C, C —O, C—N, dan ikatan lain) Liase, mengatalisis pemutusan C—C, C—O, C—N, dan ikatan lain dengan ELIMINASI ATOM yang menghasilkan ikatan rangkap
CH?
CH |
ASP Y 1 R
ASP X
Y '\ N—H
O
II
+ C— R / HO
/ H
H V* V
I 1
1
CH,
CH.
ASP1X
1
ASP Y
\ (
\ 4VS gto
O
BAB 7: ENZIM: MEKANISME KERJA /
.LY* 35« \ ARG I 352
O/ /
58/ • BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM 60/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN &
61
7: ENZIM: MEKANISME / 57 BABBAB 7: ENZIM: MEKANISME KERJA / KERJA 55 7:BAB ENZIM: MEKANISME KERJA /
untuk rosratase tertentu ua.. ............... • . • d
menyerap sinar tampak. Namun, setelah h' ™'“ 419 I nitrofenilat yang terbentuk akan menyerap sinar pada Pendekatan yang sangat umum
PEMAKAIAN
ASPARTAT AMINOTRANSFERASE (AST, ATAU SGOT) ALANIN ATAU SGPT)
AMILASE
NAD(P)H AKAN BERGANTUNG PADA LA|U REA dehid roge nase d igabu n gkan.
ANALISIS ENZIM TERTENTU MEMBANTU DIAGNOSIS Dari ribuan enzim berbeda yang ada <*■ ^“italitas * . ; vane nv m
DIAGNOSTIK UTAMA
AMINOTRANSFERASE
AMINOTRANSFERASE
funesinya tidak-tergan • &
59
(ALT,
INFARK MIOKARDIUM ; HEPATITIS VIRUS
; PANKREATITIS AKUT ........................ ; DEGENERASI HEPATOLENTIKULAR I (PENYAKIT WILSON)
SERULOPLASMIN
KREATIN KINASE
Y-GLUTAMIL
; PENYAKIT OTOT DAN INFARK MIOKARDIUM
; BERBAGAI PENYAKIT HATI
yeraDan^ SUatu substrat slfl ^
Slnar
atau berBuor^
enzim-enzim yang >u,1b 1 , , p „ m lam atau
LAKTAT DEHIDROGENASE
; INFARK MIOKARDIUM
tertentu ^Ifisiobgis tertentu. Analisis perubahan fisiologis F . « Jcozim—dengan i i Uin din distribusi enzim dan isozii & tentangkeberadaan uan u wiktu, atau
■ KARSINOMA METASTATIK PROSTAT ; BERBAGAI PENYAKIT TULANG, .
FOSFATASE, ALKALI
PENYAKIT HATI OBSTRUKTIF
(ISOZIM) MANIK-\
—TGSH]|GST R
( MANIK \__ SEPHAROSE/
BAB 7: ENZIM: MEKANISME KERJA / 62/
63
BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
Isozim Laktat Dehidrogenase
dapat melaksanakan proses-proscs pengolahan Pas“‘”"^“ tertentu. Oleh sebab itu, suatu gen dapat dalam biakan sistem sel hewan yang me nggu na kan vek, ekspresi baculovirus untuk mentransformas.kan b.akan se serangga. Untuk rincian lebih lanjut mengena. tekmk DNA rekombinan, lihat Bab 39.
,orcnsik ,>ada tcknik i>(:R su
' fj /*r/W olipner?f yan^ lcrm°stabil yang diarahkan °c
-
Subunit
HHHH HHHM HHMM HMMM
dalam kadar v P^da awalnya tcrdap langsung. ^ tCflalu rendah untuk dideteksi Deteksi (RFLP > fr‘,S",c'“ U"P'> Polymorph**
MMM M
Impart
Subunit H dan M disandi oleh gen-gen tersend' ' ekspresinya diatur secara diferensial di berbaeai ' "• ^ Karena jantung mengekspresikan subunit H ha eksklusif, isozim I, mendominasi di jaringan ini SebVt^ isozim I5 mendominasi di hati. Dalam plasma ,1 ° ya’
kita
Protein Fusi Rekombinan
Dimurnikan dengan Kromatografi Afinitas
^uiSn LL
P
'Melibatkan ^ Pcnyakit 1 luntington. L j end °nuldease rtrikPeniUtUSan untai ganda F ringan pada DNA ' yang dapat mendeteksi pcrubaib* 1VV
Pcnppn-i.
1
Vane. ...
..oi#
,
terdapat sejumlah kecil laktat dehidroeenas*
■ r ' 0;,,~ -j:
ringan
infark miokardium atau pada penyakit hati ' arin rusakmembebaskanberhaffaihpnn,l,:„_i . ’ Jlaktat gan doW yangA^ ^ yang khas rusak membebaskan berbagai bentuk iso C llciro e ke dalam darah. Peningkatan Uj. g nase .°. yang khas ke dalam darah. Peningkatan kadar^ ’^"0860^6 ivduar
Pada DNAM’fyang daPat mendeteksi pcrub:
lebih b tcnl at tC,1 P ' -!ali
Setelah
yang menyandi suatu P^T^^^ ^p^tein modifikasi amino ke protein yang disand, terse .
iruhi
e
yang terbentuk, disebut P»““ cl
)ut me no
^° S
ELAj
°'°gi DNA ; Il0 ARI
^tin^S* en*™*"8 e"zimrcnd
*. dar.'
ENZIIM
& dna ; eiSani"tcan'lah *Uh muncul sebagai * el muncul sebaga'
.
Untuk
™ Vrlukan sampel ^ ;
J SanBa> tinggi- Mengli * j
k°n*
alat untuk mendeteksi mutasi genetik h ~ tersedia secara luas.Teknik-teknik ini meS^’^ ini nsi
mengandalkan kemampuan enzim untuk iTT*0*’ gS Seba
katalitik untuk menganalisis DNA '
PC
SUli
-bl"h
'"ilak
ksi
Jika
" ^Vt
dlSfl
(Laktat)
J
PMS tereduksi
NBT teroksidasi (tidak
miC
ani
0ba
(Piruvat)
anilung
H
protein fusi-GS cieDiagnosis g Menentukan & Pr 9 yang mengandung glutati >• B u
b
s
t
r
a
fusl )Uga
setiap saat
(
dalam darah orang normal dan men, pn untuk cn*'".
n Se Urt dll< i; disandi ol*G, i ilah ion, biasanya kita ‘ 'f
n 8
NA
matnks kromatografi ^ ^ pcngikat_substrat divalen, m.salnya N. ■ berftjngsi sebaga, pada glutat.on S-trans me)ukiskan pemurnian suatu Enzim Nonfungsional akan Membantu GSTPlasma TAG . gambar matriks afinitas
^) penguat
gai
akrif j- tein lv, chi« cob ya'^ d,sandI \A&
NAD'
kemudian mengikat
r ion logam
Enzim dan proenzim tertentu serta s
fisie rea
yang popu.er adalah
“V^S
TUNKA^E^ERUpAKA^ ALAT
ekn
berantai polimerase [ P O L Y M E R A S E C H A I N
domain
a
PENT,hiG UN
katalitik dan spesifisitas katalis enzim. C
matriks
residu hisitidin berurutan.
SB
Meskipun banyak penyakit telah lama^eorang.nZ'f^U diketnh • JU bab oleh perubahan pada DNA seseorang,- nam ' kan& Kk"* atau Renetik
m cmcn x
39 mcnyajikan r»n Bab ;;L ,M ri»c,a »n PCR dan enzim-en*1 —' diagnosis ^iuntukfcP-akai, “ lan
er u I yang terjadi dapat dideteksi dengan memiJa£^1,.1i$ suatuatau“» I,oligomer yang terjadilaktat dapat dideteksi dengan dehidrogenase dengan elektr f\ dan oligomer laktat dehirlmapnoo* . an berb mengukur aktivitas katalitiknya (Gambar 7-12)° an
EINIZHM MEMPERMUDAH DlAGNoc.r FENYAKDIGEWETBIK
JZEL •
lannya {RECO
e
Teknologi DNA rekombinan juga dapat d'8J,na^n menciptakan protein modifikasi yang mudah d murmka dengan kromatografi afinitas. Gen dar, « bersangkutan dikaitkan ke suatu sekue ns ol.gonuU-t.cU
-
a
U scl ra
^Pa T
;
Glukosa
N
8 - —”' 5
dlel
resikan dalam miki, «p '.‘^P^sikan dalam U a de ^ ngan mikroba. [l
Je
Plasmid yang menyandi GST IHEKSOKINASE dengan I tempat trombin (I)
na
*anbr TU)
■ A R 7 - 1 2 . Pola normal dan pato, 8 Sb 5ada serum dipisahkan oleh P| , ' erha ihatkan di king (NBT, „ittDbluew'^is®1 is0«m , S nai. Pola A adalah serum diri *o|iuir, n diliu 1 ^
ATP,Mg2
Sk. ADP.Mg *
GLUKOSA-6FOSFAT
Transfeksikan ke DEHIDROGENASE NADPHJ+ H+ sel, lambahkan bahan 6-Fosfoglukonolakton I penginduksi, kemud.an pecahkan sel I Masukkan ke 7 - 11. Pemeriksaan enzim kolom afint- heksokinase
Hati
0
If '
•,
'
dan
C adalah
un.uk penyakil yang
fisiologis dalam darah. Contoh enzim plasma fungsional ini antara lain adalah lipoprotein lipase pseudokohtnesterase, dan proenzim koagulasi darah dan pelarutan bekuan darah (Bab 50). Sebagian besar enzim ini disintesis dan disekresi
dalam
darah
tidak
diketahui.
Enzim plasma yang tampaknya
nonfungsional ini berasal dari erusa an normal rutin eritrosit, leukosit, dan 2
NADP*
Norr»ia|
spesifik
°^e^Plasma juga mengandung banyak enzim lain yang fungsi fisiologisnya
Glukosa 6-fosfat
+ H-
°ksic]asi
r
Catalan: Banyak enzim di atas tidak tercantum.
Gambar heksokinasp. Pembentukan g|u °
sel lain. Kerusakan atau nekrosis jaringan akibat cedera atau penyakit umumnya disertai peningkatan kadar beberapa enzim p asma
nonfungsional. Tabel 7-2 mencantumkan beberapa enzim yang digunakan dalam enzimologi diagnostik.
Bsozirm Loktat Dehidrogenase Digunakan untuk Mendeteksi Intfark Miokardium tetramerik yang L-Laktat dehidrogenase adalah enzim dua bentuk iso keempat subunitnya terdapat dalam (isoform) yang dinamai H (untuk jantung) dan M (untu otot). Subunit-subunit ini dapat berkombinasi sep diperlihatkan di bawah untuk menghasilkan isozim - a via dehidrogenase yang secara katalitik aktih
Lajuoc[AllBl
(13)
Demikian juga; untuk reaksi yang disajikan oleh A + 2B -» P
(14)
yang juga dapat ditulis sebagai A+B+BP
(15)
ekspresi laju reaksi yang sesuai Laju ex [A] IB] IB]
(16)
Laju oc lAHBl2
(17)
atau
BAB 8: ENZIM: KINETIKA / 66
67
/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
A atau B dinaikkan dua kali lipat. Jika konsentrasi A dan B digandakan, kemungkinan tumbukan akan meningkat Laju oc (11) bebas pada pembentukan produk lebih rendah daripada pada empat kali lipat. yaitu suatu gugus £ yang masuk menggantikan gugus Lyang|i Untuk reaksi kimia yang berlangsung pada suhu serine menyandi suatu tempat pemutusan untuk suatutetap protease pembentukan substrat, tanda AG° dan AG 0’ akan negatif, yang Energi aktivasi untuk reaksi yang berjalan dalam arah dan melibatkan satu molekul A dan satu molekul B, yang semula melekat pada R. jj j S I T E - D I R E C T E D M U T A G E N E S I S van* A \keluar, , yang sangat spesifik misalnya trombin d, reg.o yang menunjukkan bahwa reaksi tertulis cenderung dari kiri ke arah Ge berlawanan dengan gambar setara dengan -AGir . )'sen mengubah residu yang dicurigai pcntinTd^" , Un‘Uk ( 7 ) HM, Schoc A +duabagian B - * P protein. Hal ini memungkinkan (12) kita E + R- L ? = * E - R + l menghubungkan kanan. Reaksi semacam ini disebut sebagai reaksi spontan. Com a n P°und librar- r ^ 8 cr D, Wagner R: CCombinatory atau pengikatan substrat, memberl ISI fusienergi yang kinetik ditambahkan tersebut setelah Tanda dan besar perubahan energi bebas akan menentukan jumlah mengeluarkan molekul yang domain memiliki memadai untuk Na l,ru Pada P£mah pertengahan perjaJanan penggamian ini, challcngl ikatanf tutc D ‘CS Or reaksi P discovery: An ongoing S tentang mekanisme kerja enzim ™ BANYAK FAKTOR MEMENGARUHI LAJU G D, > tindakan pemurnian afinitas. sejauh mana reaksi akan berlangsung. Persamaan (3) mengatasi hambatan energi aktivasi akan tetap. Dengan °ddard l.p n 8 sc 2003;2*2‘>‘ ' anL telah melemah, tetapi belum antara Rdan terputus total,!' Protein fitsi rekombinan, misaln _ Kc . ’ ymond M . p ' .J REAKSI demikian, jumlah tumbukan dengan energi yang memadai GST atau enzim berlabei-His mudah dim, L 'sedangkan kromatografi ikatan baru antara E dan R belum terbentuk Peter J.juga Kennelly, PhD (& Victor W. Rodwell, Scr J CdStr Ur Mutagenesis ccn °^.Scr untukPhD menghasilkan produkSite-Directed P akan berbanding lurus dengan Ing.c L Lnzyme assays for high-through inc Teori kinetik—disebut teori tumbukan collision theory) —pada afinitas. nika denga n n AG° = -RT In K (3) sempurna. Zat antara transien ini—tidak ada substrat acaujf j eq P, B 0 jumlah tumbukan antara APemahaman dan B, dan karenanya, konsentrasi Memberikan kinetika kimia menyatakan bahwa agar dua molekul bereaksi, «-H 200-1;IS;,,., produk yang berada 2002:102:450 dalam keadaan bebas pada keadaaanf! menggambarkan hubungan antara konstanta keseimbangan Ishii 1 tCaSC mCC,lanism and specificity. Chcm ^ lsniJ'nia A, molar keduanya, yang ditandai dengan tanda keduanya harus (1) saling berdekatan dalam jarak yang Mekanistik ini disebut keadaan transisi, E***R***L. Garis tirik-| REFERENSI Yanag^ dan AG°, dengan R adalah konstanta gas (1,98 kal/mol/ K atau memungkinkan pembentukan ikatan (bond-formingdistance) satu sama utik mewakjli ikatan “parsial" yang sedang mengalami | jika kemampuan untuk mengekspresikan suatu protein dari gen Scha^^OO.^g' "’o'-ulc nanohiosciencc. TW* 8,31 J/mol/K) dan T adalah suhu mudak dalam derajat Kelvin. kurung besar, lain, atau “bertumbukan”; dan (2) memiliki energi kinetik yang ion h H Grculich Brik A, Wong C-H HIV i pembentukan dan pemutusan. I niicros^j ^' of ,h?, ' KO. Direct klon-nya telah diperoleh, residu-residu ammoas.1 spesifik dari 1 K setara dengan hasil kali konsentrasi produk-produk readksi, UrSC f A• ^ ' Proteasc: Merk, • r C°parsial/' ° -glc-„,oleculc D* cukup untuk mengatasi hambatan energi untuk mencapai Reaksi (7) dapatdianggap terdiri dari dua “reaksi jj discovery. Org Biomol Chemdibagi 2003-1-5 drug protein tersebut dapat diubah dengan mengubah kodon-kodonnya masing-masing dipangkatkan sesuai stoikiometrinya, C RB: ^ 0^^'nt Ed 200. =40.-4663 (F) s“Cklin ^: keadaan transisi. Tanda panah ganda menunjukkan reversibilitas, suatu sifat Oleh karena itu, semua yang meningkatkan PERAN BIOMEDIS Conyers GB et al: Med rcquiremc* yang pertama berkorespondensi dengan pembentukan \ dCmic f 7 Su 1 Pman menggunakan site-directed mutagenesrs. Pendekatan ini,reaksi jika hasil kali substrat yang masing- pyrophosphatase masing dipangkatkan sesuai 5 C20S"""" " ^ bstrato Tovo , & Hall. frekuensi atau energi tumbukan di antara substrat akan from < a di^ . intrinsik dari semua reaksi kimia. Oleh karena itu, untuk dan yang kedua dengan peluruhan (D) /at antara keadaan |s resonance and kinetic studies of rl, i ‘ Mao n • digunakan bersama dengan analisis kinetik dan kristalografi sinarstoikiometrinya. Kinetika adalah bidang biokimia yang berkaitan dengan 1990. r le (l), jika A dan B dapat membentuk P dan Q, maka P dan Q juga 2000;39:2347. ° Bioche transisi selanjutnya. dA meningkatkan lajuenzim reaksi yang dijalani substrat-substrat mot,cl for pr0tCl kha$f s Seperti semua reaksi, perubahan E.OrctCrC °Sclcctivitv PS 3 Bcncral >tes Tv ^A, f X, mempermudah peran-peran spesifik FershcA Untuk reaksi A + B <=± P + Q Structure and Mechanism in Prot, . pengukuran kuantitatif laju reaksi yang dikatalisis oleh enzim dan dapat membentuk Ak.ta dan mengidentifikasi B. Dengan demikian, penentuan suatu tersebut. l r°ptcindan Sci AG 200'’-11-13 M). dengan masing. ll dalam bebas, AG () berkaitan Enzyme Catalysis and Protein FnU-te,,Ce: A C, •energi J residu tertentu pada dan katalisis studi sistematik tentang faktor-faktor yang memengaruhi laju reaktanam,noasH sebagai “substrat” ataupengikatan “produk” sedikit banyaksubstrat. bersifat IPHQ1 j Frank RAW, er * A ^.ecuC ^ •masing 1% * * *reaksi parsiaJ Contohnya, kesimpulan bahwareaksi suatuyang residu aminoasil tertentu tersebut. Aktivitasenzim yang lengkap dan seimbang merupakan arbitrer karena produk suatu dituliskan dalam satu (8) I (4)Science Suhu **[A] [B] the active sites in thiamine enzymes. berfungsi sebagai asam diujidengan Namun, menggaatmya hal mendasar untuk mempertahankan homeostasis. Oleh karena arah adalah substrat bagiumum reaksi dapat yang berlawanan. istilah E+ R-L^E- -R.- L AG, ECHA >"*MS. Freeman, 1979dan untuk reaksi (5) Peningkatan akan tentang meningkatkan kinetikuntuk molekul. itu, suhu pemahaman kinetika energi enzim penting memahami “produk” sering untuktidak menandai reaktan yang dengan suatu residudigunakan aminoasil yang mampu mendonasikan (9) Seperti diperlihatkan di Gambar 8-1, jumlah total molekul yang pembentukannya menguntungkan sccara termodinamis. Reaksi bagaimana stres fisiologik seperti anoksia, asidosis atau alkalosis sebuah proton. E R L f i E R + L A G . (5) A+A energi kinetiknya melebihi hambatan energifarmakologik EJCI (batang vertikal) dengan faktor termodinamis yang sangat mendukung metabolik, toksin, dan bahan memengaruhi E + K - L ^ E - R + L AG = AG, + AG,, (10) J untuk membentuk produk, meningkat suhu rendah (A), pembentukan produk yang ditunjukkan oleh tanda panah sering keseimbangan tersebut. Analisis dari kinetik dapat mengungkapkan R1NGKASA1N1 K melalui pertengahan ke tinggi (C). Peningkatan energi kinetik dituliskan dengan tanda panah tunggal seolah-olah reaksi tersebut jumlah dan (B) urutan tahapan-tahapan transformasi substrat menjadi Untuk reaksi keseluruhan (10), AG adalah jumlah AG |; dan AGd. - [P1 (6) “ireversibel”: molekul juga meningkatkan gerakan dengan molekulSITE sehingga frekuensi Seperti semua persamaan yang terdiri dari dua suku, tidaklah produk oleh enzim. Bersama -DIRECTED MUTAGENESIS eq . Enzim adalah katalis yang sangat efektif dan spesifik. " [A]2 tumbukan juga meningkat. Kombinasi tumbukan yang lebih persamaan § mungkin untuk memperkirakan tanda atau besar dan teknik lain yang meneliti struktur protein, analisis kinetik juga • Gugus prostetik substrat^an^'^f (3) jika konsentrasi diketahui Jika AG"^ n? A + Borganik -> P + Qdan anorganik, kofaktor,(2)dan sering dandapat lebih mengungkapkan berenergi serta produktif ini akankatalitik meningkatkan AGF atau AGD dari AG. detail mekanisme suatu enzim. erdapat tWam koenzim berperan penting dalam katalisis. Koenzim yang * keseimbangan Tanda panah satu arah juga digunakan untuk menjelaskan reaksi laju Banyak reaksi melibatkan lebih dari satu keadaan transisi, ahsuatuan kane a kaniebih Keterlibatan enzim dalam hampir semua proses fisiologis banyak di antaranya berupa turunan dari vitamin besar dari satu dan , S S «fi^,a akan m^l ku- i reaksi. menyebabkannya menjadi salah satu pilihan sasaran untuk obat di dalam hidup sebagai tempat produk reaksi. (2) segera dikonsumsi B, sel berfungsi “pengangkut yang masing-masing disertai perubahan energi bebas. Untuk konsentrasi produk pada keseimbangan oleh selanjutnya yang yang dikatalisis oleh oleh enzim. Olehmencakup karena • reaksi Mekanisme katalitik digunakan enzim reaksi-reaksi ini, AG keseluruhan mencerminkan jumlah semua suw il ag positif yang menyembuhkan atau mengatasi penyakit pada manusia. ° -^ substrat akan Konsentrasi Reaktan itu, pengeluaran segera produk P atau Q secara introduksi STRAIN (untai), aproksimasi rea tan, efektif katalisis perubahan energi bebas yang berkaitan dengan pembentukan Oleh karena itu, penerapan kinetika enzim merupakan cara menguntungkan pembentukan meniadakan kemungkinan terjadinya reaksi kebalikan sehingga dan peluruhan semua keadaan transisi. Oleh karena itu, dari AG Frekuensi tumbukan molekul lurusdandengan asam-basa, dan katalisis kovalen. penting bagi ilmuwan untukberbanding mengidentifikasi menentukan persamaan SECARA FUNGSIONAL MENJADI IREVERSIBEL PADA KONDISI awal rlon ^a^wa» ^rena AG° adalah fungsi keadaan daDat m k ^ Zat7zat ^^8 keseluruhan kita tidak dapat mengctahui jumlah atau tipe konsentrasi molekul-molekul yang selektif bersangkutan. Untuklaju dua proses • Pada(2) semua kelas dari suatu enzim tertentu, resi u aminoasil karakter obat yang secara menghambat FISIOLOGIS . bereaksi, besaran ini hanya keseimba^ Cn^n. *nf°rmasi mengenai arah dan keadaan transisi yang dilalui oleh reaksi. Dengan kata lain: molekul tertentu yang berbeda A dan B, tumbukan antara yang ikut serta dalam katalisis sangat terkonservasi (tidak yang dikatalisis olehfrekuensi enzim. Dengan demikian kinetika keadaan reaksi da!?” ^^5*° tic^ bergantung pada mekanisme termodinamika keseluruhan tidak memberikan informasi keduanya akan berpeian menjadi dua kali lipat jika konsentrasi berubah selama evolusi) enzim sentral dan penting dalam penemuan obat, laiu (\c en?ya mernberikan informasi mengenai reaksi* °ieh ^na itu-dan seperti PERUBAHAN ENERGI BEBAS mengenai kinetika. • Substrat dan enzim saling memicu perubahan konformasi farmakodinamika perbandingan, dan penentuan cara kerja obat. MENENTUKAN ARAH & yang mempermudah pengenalan dan katalisis substrat memiliki AG" Ti!* AGF Mendefinisikan Energi Aktivasi tersebut t k negatif besar, namun reaksi REAKSIKIMIADIJELASKANDENGAN • Aktivitas KESEIMBANGAN katalitik enzim mengungkapkan keberadaan nya, KEADAAN \rnna- «■<»langsung meskipun dengan kecepatan mempermudah MENGGUNAKAN PERSAMAAN REAKSI KIMIAdeteksinya, dan menjadi dasar bagi berbagai Tanpa memperhatikan tanda dan besar AG, AG,; untuk sebagian yang sangat rendah. pemeriksaan ENZYME-LINKED IMMUNOASSAY. Hambatan energi KESETIMBANGAN besar reaksi kimia memiliki tanda positif. Oleh karena itu, Perubahan energienzim bebasdapat Gibbs AG (disebut juga energi bebas atau • Banyak diukur secara spektrofotometri pembentukan zat-zat antara keadaan transisi mengharuskan Suatu persamaan kesetimbangan kimia (BALANCED CHEMICAL OLEH fN£R0 energi Gibbs) ARAH suatu reaksi kimia akan DENGAN menjelaskan menggabungkannyakedehidrogenasedependen diatasinya hambatan/sawar energi. Dengan demikian, AG p sering EQUATION) mencantumkan spesies kimia (substrat) awal yang ada cenderungNAD(P)*. berlangsung maupun konsentrasi reaktan dan produk disebut energi aktivasi, Eact, energi yang diperlukan untuk dan spesies kimia baru (produk) yang dibentuk untuk reaksi kimia yang akan dalam keadaan keseimbangan. AG untuk dan • Ilmu terdapat kimia kombinatorial menghasilkan beragam aktivator mengatasi suatu hambatan energi tertentu. mgkat kemudahan— Reaksi Berlangsung tertentu, semuanya dalam proporsi yang tepat ATAUSTOIKIOMETRI. suatu reaksi kimia setara dengan jumlah energi bebas dari dan dengan demikian, frekuensi mengatasi hambatan ini inhibitor enzim potensial yang dapat mji Melalui Keadaan Transisi Sebagai contoh, persamaan kesetimbangan (1) di bawah pembentukan produk reaksi AG(i dikurangi jumlah energi bebas berbanding terbalik dengan E^. Jadi, parameter termodinamik dengan high-throughput screening. menjelaskan reaksi satu molekul dan masingmasing substrat A dari pembentukan substrat AG. AG° menunjukkan perubahan Konsep keadaan transisi (transition state) adalah hal men dasar untuk yang menentukan s e b e r a p a c e p a t suatu reaksi berlangsung • • Pengukuran enzim plasma membantu diagnosis an prognosis. energi bebas yang menyertai transisi dari keadaan standar, memahami dasar kimiawi dan termodinamik dan B untuk membentuk satu molekul dari masing-masing produk adalah nilai AQ Contohnya, infark miokardium menmg^a - kan kadar isozim I, untuk pembentukan keadaan transisi yang dilalui oleh reaksi. konsentrasi satu molar substrat dan produk, menuju dan Q. aGambar P 8-1. Hambatan energi untuk reaksi kimia I blUS I iw* d lam ser I tambahkan laktat dehidrogenase “ . • Endonuklease restriksi adalah keseimbangan. Istilah fbiokimia yang lebih bermanfaat trombin dl mempermudah ‘« penyakit genetik dengan mengungkapkan 0 A + B^P + Q 0) AG ', yang mendefinisikan AG° pada keadaan standar I O' 7 US M Enzim FRAGMENT LENGTH POLYMORPHISM . proton, pH 7,0 (Bab 11). Jika energi Untuk reaksi sederhana, dengan oc berarti “setara dengan,”
64/
BAG,AN I: STRUKTUR & FUNGS, PROTEIN & ENZIM katalisis. Persamaan (7) melukiskan suatu reaksi penggantian,| j
Enzim: Kinetika
N L
FIRTNIS
iSSi""™™
'
Cambar 7 . 1 3 _ Pemakaian protein fusi un >uk memurnikan protein rekombinan. (G ,
^ta,ion.)
65
BAB 8: ENZIM: KINETIKA /
68/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
(22)
Laju, = Laju.,
jalur reaksi yang unik.
Oleh karena itu,
(23)
k,[Aln|B]m = k ,[P] . dan
k, _ IP)
(24)
k_! [Af[B r Rasio k, terhadap k , disebut konstanta keseimbangan, K. Berikut ini adalah sifat-sifat penting suatu sistem dalam keseimbangan yang perlu diingat: (1)
(lihat Gambar 7-7) menggambarkan bagaiman.i suatu enzini menggunakan katalisis kovalen untuk menghasilkan suatu
Konstanta keseimbangan adalah rasio
KONSTANTA KONSTANTA
reaksi (bukan LAJU reaksi). Pada keseimbangan, LAJU reaksi (bukan KONSTANTA AJU dari reaksi ke depan (kanan) atau mundur (kiri) ada a i setara. (3) Keseimbangan adalah suatu keadaan DINAMIK. Mes lpun tidak terdapat perubahan NETTO konsentrasi substrat atau produk, namun masing-masing molekul substrat produk saling terkonversi secara kontinu. (4) Nilai angka konstanta keseimbangan dapat dihitung dari konsentrasi substrat dan produk pada keseimbangan atau dari rasio k,/k ,. LAJU
(2)
ENZIM TIDAK MEMENGARUHI K
cq
Enzim mempcrcepat laju reaksi dengan menurunkan hambatan aktivasi AG(. Meskipun dapat mengalami modifikasi scsaat sewaktu proses katalisis, n.mnin enzim muncul tanpa mengalami perubahan pada akhir reaksi. Oleh karena itu, adanya suatu enzim tidak berpengaruh pada AG° untuk reaksi keseluruhan yang semata-mata merupakan fungsi dari KEADAAN AWAL (LIN AKHIR reaktan. Persamaan (25) memperlihatkan hubungan antara konstanta keseimbangan untuk suatu reaksi dan perubahan energi bebas standar untuk reaksi tersebut:
AG° = -RT In K,,
Jika kita menyertakan keberadaan enzim (lav/) di dalam perhitungan konstanta keseimbangan untuk reaksi,
A + B + Enz P + Q + Enz
(26)
ekspresi konstanta keseimbangan, K
IPHQHEnzl
eq
|A||B||Enz|
KINETIKA KATALISIS ENZIMATIK
direduksi ke persamaan yang identik dengan persamaan
Enzim Menurunkan Hambatan Energi Aktivasi Suatu Reaksi
untuk reaksi tanpa keberadaan enzim:
Semua enzim mempercepat laju reaksi dengan keadaan-keadaan transisi dengan AGp yang e l Namun, enzim-enzim mungkin berbeda a am mencapai hal ini. Sementara mekanisme atau rang tahapan kimiawi di bagian aktif enzim pada ha i atnya seperti reak.1 yang'b^Pun8“^^np|^Bcn30in bagian aktif enzim menurunkan Z\VjrF u & zat-zat antara keadaan transisi. Seperti i a as . stabilisasi dapat melibatkan (1) gugus asam- ^ ^ , di tempat yang tepat untuk memindah an Pro dari zat antara pada Keadaan gugus bermuatan atau ion logam d. temp y penerapan menstabilkan muatan yang terbentu , rPu;naaa hambatan sterik pada substrat sedemikian rupa s h ngg geometri substrat mendekati geometri ea aan Protease HIV (lihat Gambar 7-6) menggambar an oleh suatu enzim yang menurunkan hambatan aktivas, dengan menstabilkan zat antara keadaan ^ Katalisis oleh enzim yang b & Mtantarakcadaan mekanisme reaksi biasanya terja (kata}isis transisi membentuk ikatan kovaic kimotripsin kovalen). Mekanisme katalitik serm proteas
(25)
(27)
1PIIQI eq
” [A1IBI
(28)
Oleh karena itu, enzim tidak berefek pada
BANYAK FAKTOR MEMENGARUHI LAJU REAKSI YANG DIKATALISIS OLEH ENZIM
garam dengan enzim. Gugus bermuatan tersering adalah gugus karboksilat negatif dan gugus am in berproton yang bermuatan positif. Oleh karena itu, penambahan atau pengurangan gugus-gugus bermuatan akan memengaruhi secara negatif pengikatan substrat sehingga katalisis akan melambat atau lenyap.
hingga 45-55 °C. Scbaliknya, enzim dari mikroorganisme termofilik yang berada di mata air panas vulkanik atau ceiah hidrotermal bawah laut mungkin stabil hingga suhu di atas 100 °C. Q,() atau koefisien suhu adalah faktor yang menunjukkan seberapa besar laju suatu proses biologis meningkat pada peningkatan suhu 10 °C. Untuk kisaran suhu dengan enzim yang stabil, laju sebagian besar proses biologis biasanya meningkat dua kali lipat untuk peningkatan suhu 10 °C (Q](1 = 2). Perubahan laju reaksi yang dikatalisis oleh enzim yang menyertai peningkatan atau penurunan suhu tubuh merupakan suatu hal penting dalam kelangsungan hidup makhluk “berdarah dingin’’, seperti kadal atau ikan yang suhu tubuhnya ditentukan oleh lingkungan eksternalnya. Namun, untuk mamalia dan organisme homeotermik lain, perubahan laju reaksi enzim sesuai suhu memiliki makna fisiologis hanya dalam keadaan-keadaan, seperti demam atau
PENGUKURAN REAKSI YANG DIKATALISIS OLEH ENZIM BIASANYA MENGUKUR KECEPATAN AWAL Sebagian besar pengukuran laju reaksi yang dikatalisis oleh enzim menggunakan periode waktu yang relatif singkat, kondisi yang menyerupai kondisi laju awal. Pada kondisi ini, laju reaksi kcbalikan dapat diabaikan karena jumlah produk yang terakumulasi sangat sedikit. Karenanya, kecepatan awal (v.; INITIAL VELOCITY) reaksi pada hakikatnya adalah laju reaksi kc depan. Pengukuran aktivitas enzim hampir selalu menggunakan substrat dengan konscntrasi molar besar (10'107) dibandingkan enzimnya. Pada kondisi ini, v ] setara dengan konsentrasi enzim. Oleh karena itu, pengukuran kecepatan awal memungkinkan kita memperkirakan jumlah enzim yang ada dalam suatu sampel biologis.
hipotcrmia.
Konsentrasi Ion Hidrogen
Laju hampir semua reaksi yang dikatalisis oleh enzim memperlihatkan ketergantungan signifikan pada konsentrasi ion hidrogen. Sebagian besar enzim intrasel memperlihatkan KONSENTRASI SUBSTRAT aktivitas optimal pada nilai pH antara 5 dan 9. Hubungan MEMENGARUHI LAJU REAKSI Untuk kasus umum jika n molekul A bereaksi dengan m molekul aktivitas dengan konsentrasi ion hidrogen (Gambar 8-2) Pada pembahasan berikut, reaksi enzim dianggap seolah-olah B, mencerminkan keseimbangan antara denaturasi enzim pada hanya satu substrat dan satu produk. Sementara nA memiliki + mB -» P (18) pH tinggi atau rendah dan efek pada keadaan bermuatan kebanyakan enzim memiliki lebih dari satu substrat, prinsipdari enzim, substrat, atau keduanya. Bagi enzim yang ekspresi laju adalah prinsip yang dibahas di bawah juga berlaku bagi enzim mekanismenya melibatkan katalisis asam-basa, residu-residu dengan banyak substrat. m Untuk suatu enzim tipikal, peningkatan(19) konsentrasi Laju oc lAHB] yang terlibat harus berada dalam keadaan terprotonasi substrat akan meningkatkan v. hingga tercapai nilai yang tepat agar reaksi dapat berlangsung. PengikatanPenggantian konstanta proporsionalitas dengan tanda yang maksimal V (Gambar 8-3). Jika peningkatan lebih dan pengenalan molckul substrat dengan gugus-gugus sama dengan memasukkan suatu proporsionalitas atau lanjut konsentrasi substrat tidak meningkatkan v., enzim disosiatif juga biasanya melibatkan pembentukan jembatan konstanta laju k yang khas untuk reaksi akan menghasilkan dikatakan “jenuh” oleh substrat. Perhatikan bahwa bentuk persamaan (20) dan (21), dengan subskrip 1 dan -1 yang masingkurva yang menghubungkan aktivitas dengan konsentrasi masing merujuk pada reaksi ke kanan dan ke kiri. substrat (Gambar 8-3) tampak hiperbolik. Pada setiap saat,
Suhu Peningkatan suhu akan meningkatkan laju baik reaksi yang tidak dikatalisis maupun yang dikatalisis enzim dengan meningkatkan energi kinetik dan frekuensi tumbukan molekul-molekul yang bereaksi. Namun, energi panas juga dapat meningkatkan energi kinetik enzim hingga ke suatu titik yang melebihi hambatan energi untuk merusak interaksi nonkovalen yang mempertahankan struktur tiga- dimensi enzim. Rantai polipeptida enzim kemudian mulai terurai, atau mengalami denaturasi, disertai hilangnya kemampuan katalitik enzim. Rentang suhu suatu enzim mempertahankan konformasi yang stabil clan secara katalitis kompeten bergantung pada—dan biasanya melebihi-— suhu normal sel tempat enzim tersebut berada. Enzim dari manusia umumnya memperlihatkan stabilitas pada suhu
69
Laju, = k,lAlnlBlm
(20)
Laju^ = kA [P]
(21)
Keq Adalah Rasio Konstanta Laju Sementara semua reaksi kimia sedikit banyak bersifat reversibel, pada keseimbangan konsentrasi keseluruhan reaktan dan produk tetap konstan. Oleh karena itu, pada keseimbangan, laju perubahan substrat menjadi produk setara dengan laju perubahan produk menjadi substrat. G A M B A R 8 - 2 . Efek pH pada aktivitas enzim. Sebagai contoh, suatu enzim bermuatan negatif (EH ) berikatan dengan substrat bermuatan positif (SH'). Dalam gambar, proporsi (%) SH* [\\\1 dan EH' |///| diperlihatkan sebagai fungsi pH. Hanya di daerah berarsir silang baik enzim maupun substrat memiliki muatan yang sesuai.
Gambar 8-3. Efek konsentrasi substrat pada kecepatan awal suatu reaksi yang dikatalisis oleh enzim.
'
70 BAG ANI:STRUnU
'
BAB 8:
^^GS,PR0TEIN&ENZ|M
ENZIM: KINETIKA /
71
(32) juga mengungkapkan bahwa KM adalah—dan dapat ditcntukan secara ckspcrimcntal dari—konscntrasi substrat saat kecepatan awal adalah separuh maksimal.
Bentuk Linier Persamaan MichaelisMenten Digunakan untuk Menentukan Km & Pengukuran langsung nilai V max
numeriK vnux> ................... y numcrik V substrat , dan karenanya pcrhirungan I< sering memerlukan konsentrasi yang
' "■ -O O sangat tinggi (sehingga sccara praktis sulit dilakukan) iinfill.untuk mencapai kondisi jcnuh memungkinm,M»r Bentukmasalah linier persamaan ;m:ii kondisi jcnuh. cngatasi ini dan Michaclis-Mcntcn mengatasi m.iaa.o............. • • i data kecepatan awal kan V dan K dickstrapolasikan dari data kecepatan awa
a
Gambar 8-4. Represenlasi suatu enzim pada k
IIUX
(i|
I
yang diperoleh pada konscntrasi substrat lebih rendah dari ,ln
_ JttUfeoenkatandenganc\u'\mdaW
a, al \kotnp e\;sESyane,^ P dmba\\men\ad\produk. C bent^ anta \cese\n\bangmuntukpembentukanarii koUSl Kedua, ‘ t\dak\ab besar tanpa-batas. 0\C\A substtai eU ko^PlekS L terdapat ke\eb\Wn substrat» K dan \\ <\\ Catenavtu,V^nyaseba$aneimmyan^mun^kmbevada Gamb^ »' »• ES. Den%an demean, d\ K kom9\eVs benU da\am , penurunan \S\ akan mtw-' n atau ataumen A. o'--■•’ van? )ulllian kompleks
enzim
terdapat
dalam
(29),
Sub ,Slr
i
at. K
dat, i> ^rpai
‘^SJ^CS.V" usttasikan do dalam c
)Wa ' ' Qqi I' [Si •
rcaksi
■i«P dibalik l, 1>l
■ngan mengcval * t\g,a kondisi- ^
^ntcn
lebih
lanjut
[S]
tidak dapat
me
Cmbc
K
^>unR <*i
fakt or m
1/
d.A*, ts^°XCtatti *ki . 1 In■ 11. . ’ n
[SI
K~ IV)
IS], n’ kcCp
& HILL MENGGAMBARKAN
V*>j»«h
KON1SENTRASS SUBSTRAT
tbI
v \n
. V/ 4
J
J K , V sccara <* ^
(J
[SI +^max*5'
(34)
u
dan d i sed e r h a n a kan
l
1 +
„
nilai [S] yang menghasilkan v. = VmJ2 adalah
[SI ^max
persamaan MkhaeSis-Mente^ ersai
Persamaan Michaelis-Menten (29 ) matematis
t^r* ts], S 8.4v
hubungan antara kecepaT^^hatL konsentrasi substrat [S] yang secara LLC^ r^i Gambar 8-3.
V.
S
v fe'a
esar daripada )■;'
+
^-^([Si ,adl
/
IS] pada h«k£ ^
n + [S] dengan ^
%h^IS|V' *'5’a)
i\^i’hJ1^ isi ■IS] Str
1
,auh
^. M^\ ,
Kr
Konstanta Michaelis K a
<\ W
n
(29) S
Ubs
^)jj. Nin |’ maksimal (^..> gl ^tan l«k:U l.niut lSf
1
I/. max
'ebih besar
Watan lebih lani
= ax
,niCngh asil kan garis lurus yang memotongy di 1/V nm dengan ec uraman K /V . Plot semacam ini disebut plot timbal- ,)al'k ganda atau plot Lineweaver-Burk (Gambar 8-5). I)engan mencmpatkan Y pada persamaan (36) di nol dan menghitung x diperoleh bahwa garis memotong di -1/A\
0 = ax
+ b; maka, x -
Oleh karena itu, KM mu
•m
V
bahWa jika [S] 5;1 ^ Se
Paruh maksi*11^
Memotong sumbu x
,dah dihitung
(40)
Jika k » k,, maka k, + k j * k ,
(41)
dan [S l»£-«JCd k-1 (42)
-b
: v-°f
^mbar 8-3^
K Na. ^lSi 51
m
?akan Fungsi dari 1/[S] sebagai .v di 1 /V w dengan ^Vi sebagai Y yang merupa^c*. -
(36)
i)'
» i'ki t!
k.-, +k2
lSl =
5
S.N* •
_ ^max IS| 'm + IS)
dengan v, adalah sepa^H jj ko„ r^uu (ymJV yang daP*t dicapai „a. enzim. Oleh karena itu, K
b
(29)
naan (35) adalah persamaan untuk garis lurus, Y ^ > dengan Y = l/v. dan X = 1 /[S]. Oleh karena itu, plot
, 1/ ^ r\I
i
Dengan kata lain, semakin kecil kecenderungan enzim dan substratnya TERURAI, SEMAKIN BESAR afinitas enzim terhadap substratnya. Sementara konstanta Michaelis KM sering mendekati konstanta disosiasi I\0 namun hal ini tidak selalu terjadi. Untuk reaksi tipikal yang dikatalisis oleh enzim,
v«yj
Pa< a
,
WS|
(/
i % 5la_xlS|
^ ini
IPERSAMAAN MICHAEUS-MRK.
k-i (38)
« * + IS] dcngan K
14: ’
(penguraian) produk dari enzimtersebut dapat mengikatlebih banyak substrat ‘ ln^-
+ 1S|
(33)
>Huk ^
pada—dan karenanya dibatasioleh—kec ^
M
(37)
f',^ti!!'3
!ak'^tnya
reaksi. Dalam kondisi jenuh ini, v. semata
(29)
-i
tidak ada enzim bebas yang tersedia untuk m * T^‘ Wna peningkatan
Km Mungkin Mendekati Konstanta Pengikatan
k
*
Cn
komi,a
bentuk
jrvax l^l Km + ISI
Gambar 8-5. Plot timbal-balik ganda atau plot Lineweaver-Burk 1/v i versus 1/| S| yang digunakan untuk mengevaluasi Km dan V n _.
Afinitas suatu enzim terhadap substratnya adalah kcbalikan dari konstanta disosiasi K{ untuk penguraian kompleks enzim substrat ES. k, E + S ES
V V'i =
yang sesuaidiv.Dititik C (Gambar 8-4)**?>j*ru^han semua
pada konscntrasi jcnuh. Dimulai dari persamaan
RRi (C), dan setara dmgan ^nl (0>-
is]
dari nilai negatif garis
Oleh karena itu, 1 IKM hanya mendekati 1 IKD pada kondisi saat asosiasi dan disosiasi kompleks ES berlangsung cepat relatif terhadap tahap pembatas-laju (RATE-LIMITING STEP) dalam katalisis. Untuk banyak reaksi yang dikatalisis oleh
akan lebih^'^^^nsuBiidcnp..^ ^ m
Persamaan Hill Menjelask0„ „ Enzim yang Memperlihatu" Kooperatif Substrat " Pengikatan
Meskipun kebanyakan e„zim m “ «W»n. seperti di c'T'^" kin , adekuar dapat dijelaskan d mbar 8-3 H Menten, namun **» P^ *» «cara secara kooperatif ana|og d ™ra&kat sub, 'chac|ishemoglobin (Bab 6) pLi..g>? Platan al m“el« banyak tempat. Ba
Crik
stlm
mdc
Pendcn T'3
'P'"giCmp'rliha'U k" P"-«ivit.i.s positif-
‘ SU,3strat dj
h
bcMr
dAn (
biasa'"jikd"n;U,k',n P"^. A $i Anitas Substn, l
su
aanJw: ,
ativ
itas
Dnhibitor Substrat
Kompetitif
Biasanya
Mirip
I-fek inhibitor kompcritifdapnt diatasi dengan meningkatkan konsentrasi substrat. Umumnya, pada inhibisi kompetitif ini, inhibitor (I) berikatan
itu kwo
menghubungkan perubahan ^ ^ fcj?" 3 berbentuk sigmoid (Gambar 8 Q n peri? 1 bah: Mentenp maupun l n L ,7 ^persam »n p ot m oc tIr sam nbal-hnl;i, ^
n . rktCn'P.>' pensikiun-^jj Mich,
ber]#H
Positif dalam mengikat « T"1*sHih«fcu, L
—i ,
Jlka
Per1pik.11.111
*"g men«ri|JT *Uatu
g» enzim yang
bstrat umPat pCngikut Satl1 tcmP-lt ™cnin^j| Se i 'n-S^aki8n b ln "rsisa “"‘“k ^ n> semakin nnggi^j N akan li 5 8,nclkl plot v versus. [S)' J fiscCTs tong In??3' "ilai m «ik tcm'" ' y l»n v /(V Sa,a„M'Va,tu konScn^‘ Vdi konsentrasi »**'<* R Snp^uh^'^'suhsrr.,, „„ngh*J *kP'"6ik"’ °lcl' karena in,. S<,’ J o^igcn „|,h|K-,n^1 I
dengan bagian dari tempat aktif yang mengikat-substrat dan menghambat akses ke substrat. Oleh karena itu, struktur kebanyakan inhibitor kompetitif klasik cenderung mirip dengan struktur substrat, dan karenanya dinamai
analog substrat. Inhibisi enzim suksinat dehidrogenase oleh malonat
digunakan untuk men "1^ *£****£ °'=b ^na itu, renrpcpnn,-; R< en^t^. . asi k0n “ l
dehidrogenase mengatalisis pe- ngeluaran satu atom hidrogen dari setiap dua karbon metilen dari suksinat (Gambar 8-8). Baik suksinat maupun analog strukturalnva malonat ( OOC-CH ,-COO ) dapat mengikat bagian aktif suksinat dehidrogenase, masing-masing membentuk suatu kompleks ES atau El. Namun, karena hanya memiliki satu karbon metilen, malonat tidak dapat mengalami dehidrogenasi. Pembentukan dan penguraian kom- plcks
l<1
d£
lu
Enzl <=> Enz + I
rasj L
k_,
(44)
'
dengan konstanta keseimbangan K . adalah
Sst? ^ 5
max'v1
8k
Persamaan (43) menyatakan , . terhadap k\ maka kecepatan
^
(43)
^ [Si
Sebuah dari U , m rendah pangkat ke-ngrafik [Sj. eaks » avvaj menghasilkan sebuah GARIS Ivra
K, =
I
(45)
Enzl be
re|
r
'‘
atjf ga
Seba v
erSUs ■amb- ^
Oo p.
A
i [S]
V
d:iL [ik v <-‘ni'
"Sf
lil tnz
ini, apakah J s™,
s
Ub«r crdasarkan . |,il’ S
TRAT
»fA
AKAN MENGATASI
111
Akibatnya, inhibitor kompetitif bekerja dengan menurun- 1{an jumlah molekul enzim bebas yang tersedia untu c mengikat substrat, yi, untuk membentuk ES, dan akhir- nya menghasilkan produk, seperti dijelascan
Plot Timbal-Balik Ganda Mempermudah Evaluasi Inhibitor Plot timbal-balik ganda (DOUBLE RECIPROCAL PLOT) membedakan antara inhibitor kompetitif dan nonkompetitif serta memper- mudah evaluasi konstanta inhibisi. Dilakukan penentuan v pada beberapa konsentrasi substrat baik dengan atau tanpa disertai keberadaan inhibitor. Untuk inhibisi kompetitifklasik, garis yang menghubungkan titik-titik data ekspcrimen bertemu di sumbuY (Gambar 8-9). Karena perpotongan garis di sumbu Y sama dengan pola ini menunjukkan bahwa jika 1 /[S] mendekati 0, v. tidak bergantung pada keberadaan inhibitor. Namun, perhatikan bahwa perpotongan garis di sumbu X bervariasi sesuai dengan konsentrasi INHIBITOR - dan bahwa karena - MIC lebih kecil daripada 1 /AT , K m * in m (“KM yang terlihat”) menjadi lebih besar jika konsentrasi inhibitor meningkat. Oleh karena itu, inhibitor kompetitif tidak berefek pada K , tetapi meningkatkan ICM, K yang tampak untuk substrat. Untuk inhibisi kompetitif sederhana, perpotongan garis dengan sumbu x adalah x=
Km
1+ —
K.
'gan +\ ^ E-l Ef
(46) E+P
(47)
Jika I
inhibitor Nonkompetitif Sederhana Menurunkan Vmax , tetapi Tidak Memengaruhi Km
H
I
H — C— COO' Gambar 8-6. Representasi kinetika
Suatu inhibitor kompetitif dan substrat menimbulkan efek timbal-balik pada konsentrasi kompleks El dan ES. Karena terikatnya substrat pada enzim menghilangkan enzim bebas yang tersedia untuk mengikat inhibitor, peningkatan [S] menurunkan konsentrasi kompleks El dan meningkatkan kecepatan reaksi. Seberapa besar [S] perlu ditingkatkan untuk mengatasi inhibisi secara total bergantung pada konsentrasi inhibitor yang ada, afinitasnya terhadap enzim K, dan K enzim untuk substratnya.
menggambarkan inhibisi kompetitif oleh analog substrat. Suksinat
El adalah suatu proses dinamik yang dijelaskan oleh
Menten
icgv, V = n 'oglSl -10 k,
73
I
satura
OOC-C-H 3
stra,si , Kicl
H
SUKSINAT DEHIDROGENASE
Suksinat
C
^ B A R 8 . 8 . Roaksi suksinat dehidrogenase.
Fumarat
Pada inhibisi nonkompetitif, pengikatan inhibitor tidak memengaruhi pengikatan substrat. Oleh karena itu, kompleks El dan EIS dapat terbentuk. Namun, sementara kompleks enziminhibitor tetap dapat mengikat substrat, namun efisiensinya mengubah substrat menjadi produk yang
BAB 8: ENZIM: KINETIKA
74/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
75
kecepatan maksimal jika substrat kedua terdapat dalam konsentrasi jenuh. Seperti pada reaksi substrat tunggal. dapat digunakan plot timbal-balik ganda untuk menentukan d i n a m i k i n h i b i ' ° r membentuk suatu < dcng.u, e V dan K . v diukur sebagai fungsi konscntrasi salah satu 1 ______\ Okhjj / ^ m BAB 8: ENZIM: KINETIKA / 73 substrat (substrat variabel) sementara konsentrasi substrat EQ EAB-EPQ EA lain (substrat-tetap) dipertahankan konstan. Jika garis yang Persamaan .4 Hill Menielaslr,, „ a8Ji inhibitr, .^"° cr r lr' medium sckit.u- • 3 niringan e ■ Enzim yang Memperlihatkan perilaku diperoleh dari beberapa konsentrasi substrat-tetap diplotkan h nb 2 Inhibitor Kompetitif Biasanya Mirip Substrat yang a ® md adalah Suatu inhibitor kompetitif dan substrat menimbulkan efek Pen ; ' ^r,a'"’Pitis secara irevcrsibe T koefisicn Hill, suatu p^H Kooperatif Substrat 9'katan ke grafik yang sama, kita dapat mcmbedakan antara suatu ^ d.iri jumlah. jeni^ banyak ten,p peng.kaunJika n 5 ] :lt SCCara timbal-balik pada konsentrasi kompleks El dan ES. Karena kimiawi. enzim ping-pong yang menghasilkan garis sejajar, dan hfck inhibitor kompetitifdapat diatasi dengan meningkatkan snbstnK^ Meskipun Km kebanyakan enzim m terikatnya substrat pada enzim menghiiangkan enzim bebas \ \ I v* S* pcnibcntukaii a.au P mekanisme yang menghasilkan pola gans-gar.s konsentrasi substrat. Umumnya. pada inhibisi kompetitif ini, sekuensial saturasi sederhana seperti di f ^ kine.x di| 13 tcm at yang tersedia untuk mengikat inhibitor, peningkatan (S] men r k ulndc Mich* Pendcn,>•"'£ "T* h3lJ*P pengikatan bcrpt^M konf 8'kat ” * aminoasil berpotongan (Gambar 8-12). adekuat dapat dijeia.lL, ** CJ inhibitor (I) berikatan dengan bagian dari tempat aktif yang 1 menurunkan konsentrasi kompleks El dan meningkatkan atau mcmp^^SS Utalakatalisis, !’M"’"n bias! "I, d'tCnuilu" P«ilakn ki Beberapa studi tentang inhibisi produk digunakan [ mengikat-substrat dan menghambat akses ke substrat. Oleh kecepatan reaksi. Seberapa besar [S] perlu ditingkatkan untuk C cla n Karcna S oleh \"” ' >ifstat| '''"’untuk mclengkapi analisis kinetik dan untuk membedakan karena itu, struktur kebanyakan inhibitor kompetitif klasik e mengatasi inhibisi secara total bergantung pada konsentrasi n lebih besar dari I. H afinitas G A M B A R 8- 9adekuat . Plot Lineweaver-Burk untuk11•"u,8‘3 perubaliai^P^^jW dapat ifelX'de^™ antara reaksi Bi-Bi acak dan teratur. Sebagai contoh, pada cenderung mirip dengan struktur substrat, dan karenanya inhibitor yang ada, afinitasnya terhadap enzim A', dan K enzim ans an koo (:r su c t S ,lal Salu Perhatikan hilangnva inhibisi senra ■ lnhpersa 'bisi knn, ubstra'i. P ativiias positif- ^ bstrat >' P ngiknt ' ’ Menten, namun • niaan |U- l reaksi Bi-Bi urutan-acak, masing-masing produk akan 1 /[SI yang rendah)" *" P*sebaeian IS] dinamai analog substrat. Inhibisi enzim suksinat dehidrogenase untuk substratnya. um ai an a yan 0 aC,ISCn8aSl1, W|Urmen Mi,n’Set "- ^tsi^ Wn btC;ham >’bat "S bahkan -sisa untuk «**% 8 ters ‘ "tap ^pat " 'lt<>nmg ' •°P nh'H secara KOOPERATIF analog D?7'™ m°ngil' tC8ak dan hemoglobin (Bab 6) Perila!^!! PengI,tatan oksjp manasatuyang menjadi substrat variabel. Namun, untuk lur^''?ari ^makin rn'l‘" scmakin,i"Bg‘l'&> "0| akan m ‘ ti!ik tenin S'K"'l,,tl SEB Plot Timbal-Balik Ganda Mempermudah substrat. Suksinat dehidrogenase mengatalisis pe- ngcluaran AG|A Medium 1 1v sifat ebWusif en J^£>-if ini J* o* I’ ” versus |Sl- J5 sekitar. mekanisme sekuensial (Gambar 8-11, atas), hanya produk Evaluasi Inhibitor atom hidrogen dari setiap dua karbon metilen dari suksinat y n men tercermin oleh V berkurang. ^U* S ‘“"g sun k*' nilai ^ '<>e v /(V banyak tempat. ,nhibi 8 gikat sub U Q yang akan menghasilkan pola yang menunjukkan inhibisi Vait v di (Gambar analog strukturalnya AK Satan”'RE "S kI0Y „A’'NG konsemrasi'sub^-11 U Cambar 8-11. Contoh liga kolas8-8). Baik suksinat maupun ^'menunjukkan mengikat enzim di bagian-bagian yan„ l [ "0nk°mpeti.;f timbal-balik ganda , [SEMENTARA DOUBLE HANYA RECIPROCAL PLOT) KOMPETITIF JIKA Plot A ADALAH SUBSTRAT VARIABEL 1 J malonat ( «OOC-CH,-COO ) .. dapat mengikat hagian aktif enzim. Reaksi Bi-Bi S Z >np >k tnak-'T SUlKt™ vans mengh-fl *>■ * horizontal "^fcngitrmencerminkan pengikat substrat umumnya „ dari baei positifdan daJam ™e„gS; stidak rPerl'^ ko„ antara POLA inhibitor kompetitif dan nonkompetitif AT H ENZIM penambahan substrat dan keluamya proc11 • , ncjen NAD(P) PRODUK P YANG membedakan AKAN MENGHASILKAN DENGAN B SC XAGAI Wd kit suksinat dehidrogenase, masing-masing membentuk suatu B U c °W< karena'itu. S. kesamaan struktural denganperubahan substrat *“ menghubungkan v'^' be‘"‘uk k^'as teratur yang khas untuk l>anyak oksic orcc . kinase dan serta mempermudah evaluasi konstanta inhibisi. Dilakukan an SUBSTRAT VARIABEL . K OMBINASI LAIN INHIBITOR PRODUK DAN okslgen oWl lK,llop|obi*> <»' ES. onatau Namun, hanya memiliki satu Untuk inhibisi nonkompetitif I\. Tcngah: Reaksi kompleks Bi-Bi acak khas „ khasEl. untuk beberapakarena dehidrogenase. berbentuk sigmoid (Gambar8-6)‘8^ PO^L** penentuan v pada beberapa konsentrasi substrat baik dengan SUBSTRAT VARIABEL AKAN MENGHASILKAN BENTUK-BENTUK INHIBISI rhan P r karbon metilen, malonat tidak dapat mengalami dehidrogenasi. Bawah: Reaksi p.ng pong, aminotransferase dan protease serin. El memiliki afinitas yang sama a,* p' ^Mu . |S1 Menten maupun p|ot timbal-Mx r„,L, S1 PU„ nb H SUBSTRAT atau tanpa disertai keberadaan inhibitor. Untuk inhibisi NONKOMPETITIF YANG KOMPLEKS. Pembentukan dan penguraian kompleks hi adalah suatu proses . ^ak i„ Vak . dtgunakan untuk mengevaluasi k *t A* tid*^ kompleks EIS menghasilkan produk P SUbstr kompetitifklasik, garis yang menghubungkan titik-titik data Pada dinamik yang dijelaskan oleh ena a s yang hamp.r dapat diabaikan (G,mu keCe* itu, para ahli * aturasj I,, Pat ''"lAl.Klc eksperimen TENTANG bertemu di KINETIKA, sumbuj/ (Gambar 8-9). Karena PENGETAHUAN representasi grafik dar; „ en21mol0gi kooPeratif MEMd* Klhlt*. nonkompetitif yang lebih kompleks ter "i- 8'l0)- InhV* perpotongan garis di sumbu sama dengan 1/Vimx, pola ini satu M IL MEKANISME, DAN INHIBISI YENZIM 33 digunakan untukafinitl menjeiT’f* ' P'lgik Hill y^^ inhibitor memengaruhi ‘ DAM K^ARAM . K A mcmicu perubahan konformasi enzim sehingga residu- residu menunjukkan bahwa jika 1/[S] mendekati 0, v. tidak bergantung MEMBANTU PENGEMBAfNGAN OBAT enzim terhadap°leh substrat, hemoglobin. me„yebabkPersamaan '*| K £ (4^1 glltatankL8 Sen>ula ^°Nkr> '^HIRKi rr Enzl Enz + I enzim dapat MENGENALI dan mengi 8 ls ) m1 pada keberadaan inhibitor. Namun, perhatikan bahwa ‘tan kuadran ketiga atau keempat nadp ni m2,!t! ^erw Hillyangdisusunda.a _ !"«tmi„^'if 0; Hi^ KOMPETITIF P (44) (ridak dinerliharkanl * Plot timU . perpotongan garis Sebagai di sumbu XInhibitor bervariasi sesuai dengan Banyak Obat Bekerja dengan konstanta keseimbangan IC adalah konsentrasi INHIBITOR dan bahwa karena -1 IK lebih kecil (tidak diperlihatkan). Inhibitor'Z * * Reaksi Ping-Pong kata,i Enzim ■Am 'ik 3 daripada MK , K tak0n an campuran inhibisi kompetitif d ^ ^Perlihatk^ untuk inhibitorTujuan farmakologi adalah mengidentifikasi bahan yang log Vlan >P'eb. ^ j-°gik ^k cn,m ,m iiK’ngl1* 1 m mm istilah "ping-pong” ber^u JjJ inhibitor ini berad °!rlpetit‘f. F ciri 15 IEnz|111 _ Jii s ters te nii,n alat risct U,UU r (“K yang terlihat”) menjadi lebih besar jika konsentrasi M °gl51lluar - log k' 'but rn Inhil V membebaskan satu atau lebi n p ■ melibatkan 1 p a ng par ke i. Merusak atau mengganggu pertumbuhan, daya C?wL„ -“-fife max" l fw *i>ik Hw P^t . *OI tor A 1:1 -1 k -”c>substrat ditambahkan ca kj inhibitor meningkat. Oleh karena itu, inhibitor kompetitif tidak [Enzl] semua cs n as 1 cnz 11 enzim yang (45) S invasif, atau perkembangan patogen invasif ^inL i etil ‘ en/i >ni, apakah ;tJ- P^NGL^DUA^DIP^ Persamaan (43) menyatakan k l berefek pada V^nas, tetapi meningkatkan K , K yang tampalc katalisis kovalen dan suatu be Reaksi Bi-Bi ping2. Merangsang mekanisme pertahanan endogen KIMIAWI, »‘ U V k_i terhadap k\ maka kecepatan r , Wa ^ [SI t ,£ untuk substrat. Untuk inhibisi kompetitif sederhana, Akibatnya, (lihat inhibitorGam kompetitif dengan menurun- an3. bersifat sementara a ((bekerja iouyie displacement Menghentikan atau menghambat proses molekular pangkat ke-n (S],
l
j'b',0r ,reversibel "Meracuni" Enxi"1
A
BSSSSi
. AU MELIBAT^
LE [
v
ECARA
A
Sebuah graft dari |og
d
menghasilkan sebuah garis 1^) v
V ? ensial
Ku n
§an Hu
(G
Sl,
sairkan 1
lt
akan mengatasi
J
^8-V:MS, en
8an
...... ^ terjadi
u
ntukin
nsial da at d O k,^Uai t^h kM P ‘Ko S‘V & b
Hisi
n
K
°nk,
X kcr
U
eriL -J ^ti substrat berik ^ ^ a ab IT' U-»k reaksi > '«k> CT ■ub.tmt bcrik*1*! >? k
CX
3
^8-h UnfT
'’''0 V'atlls b Vh\ membent^k k° ,0 /
cnzim
mungk
‘
^f
reaksi ^ A X >
J
E+P
Michaelis-AAentten
_
H
I
0
^ i„A- SaU satu PENJELASS V Sio.^
+\ E-l
adalah penggantian kedua (Gambar 8-11, bawa
dengan Kinetika
H-C-COO-
H —C—COO' -2H dengan V yang merujuk p ^ Masing. II Jika kedua substrat terdap. substrat tersebut 'OOC-C-H I SUKSINAT.j masing substrat memiliki kan scparuh H sen in m ainFHIDROGENASE -OOC — c Suksinat
dfy,L
— H G,lmfa
ar «.«. Reaksi suksinat dehidrogenase.
menyimpang
yang
dipicu
oleh
-1 lingkungan, atau — x = biologik1 + tanpa K fungsi normal sel pejamu.m v ,Ni
rangsang
banyak
genetik,
mengganggu
(47) Berkat peran fisiologisnyayangberagam dan tingginya derajat KM telahenzim ditentukan pada sasaran keadaan tanpa selektivitasJika substrat, menjadi alami inhibitor, untuk A' dapat dihitung dari persamaan (47). Nilai /('digunakan untuk pengembangan obat yang bersifat spesifik dan poten. Sebagai membandingkan berbagai inhibitor dari enzim yang sama. contoh, obat golongan statin menurunkan pembentukan Semakin rendah nilai K, semakin efektif inhibitor. Sebagai kolesterol dengan menghambat 3 -hidroksi-3 -metilglutaril contoh, obat golongan statin yang bekerja koenzim A reduktase (Bab 26), sementara emtrisitabinsebagai dan inhibitor kompetitif HMG-KoA reduktase (Bab 26) memiliki nilai K yang (46) tenofovir disoproksil fumarat menghambat replikasi virus beberapa kali lipat lebih rendah daripada K untuk substrat HMGimunodefisisensi manusia dengan menghambat REUENE KoA. TRANSCRIPTASE virus (Bab 34). Terapi farmakologik hipertensi sering mencakup pemberian inhibitor enzim pengubali
Kebanyakan Reaksi Bi-Bi Sesuai
S »5 >r. >;v;
Sl
mula dikeluarkan dariscpcnl substrat fikasi enzim produk, dijelaskan^dimodi bawah: menghasilkan produk P dan su. substrat kedua (F). Pemindahan berikutnya gigi* membentuk kembali E, B, yang membentuk produk Q bawah).
(C#&*&
X^-'A
Gambar 8-10. Plot Lineweaver-Burk sederhana.
in*1' reactions). Gugus yang yi, menga. ^ enzim substrat, untuk membentuk ES,untuk dan ale lir »ya menghasilkan
Inhibitor Nonkompetitif Sederhana Menurunkan Vmax , tetapi Tidak Memengaruhi Km
Pada inhibisi nonkompetitif, pengikatan inhibitor tidak memengaruhi pengikatan substrat. Oleh karena itu, kompleks El dan EIS dapat terbentuk. Namun, sementara kompleks enziminhibitor tetap dapat mengikat substrat, namun efisiensinya mengubah substrat menjadi produk yang
BAB 8: ENZIM: KINETIKA /
"MerC,CUni" EnZin1 itr?' . 8
Gambar 8-9. p|c Perhatikan hilangr MS] yang rendah).
, nl t
kecepatan maksimal jika substrat kedua terdapat dalam konsentrasi jenuh. SEPERTI pada reaksi substrat tunggal, dapat digunakan PLOT TIMBAL-BALIK GANDA UNTUK MENENTUKAN Vm„ dan KM- v, diukur sebagai fungsi konsentrasi salah satu substiat (substrat variabel) sementara konsentrasi substrat lain (substrat-tetap) dipertahankan konstan. Jika garis yang diperoleh dari beberapa konsentrasi substrat-tetap diplotkan ke GRAFIK yang sama, kita dapat membedakan antara suatu enzim pmg-pong yang menghasilkan garis sejajar, dan mekanisme SEKUENSIAL yang MENGHASILKAN pola garis-garis berpotongan (Gambar 8-12). Beberapa studi tentang inhibisi produk digunakan UNTUK melengkapi ANALISIS kinetik dan UNTUK MEMBEDAKAN antara reaksi Bi-Bi acak dan teratur. Sebagai contoh, pada REAKSI Bi-Bi URUTANACAK, masing-masing PRODUK akan menjadi inhibitor kompetitif TANPA mcmandang SUBSTRAT MANA yang menjadi substrat variabel. Namun, UNTUK mekanisme SEKUENSIAL (GAMBAR 8-11, atas), HANYA PRODUK Q yang akan MENGHASILKAN pola yang MENUNJUKKAN INHIBISI kompetitif jika A ADALAH substrat variabel, sementara hanya produk P yang akan menghasilkan pola dengan B SEBAGAI substrat variabel. Kombinasi lain inhibitor produk dan substrat variabel akan menghasilkan bentuk-bentuk inhibisi nonkompetitif yang kompleks.
bit<>r mc
'^tan j. me,,t>atkin Urd kuni.iwi. Modi*1^ - den"P'^-uk,,, ,-""5 ^"lasTk'1' sul>stn r,M'du •iminoa.-il vang % >> ini SSl on alisis' mcmpert*^ °el1 in|iibi,rta'ifs Pen °r>riit Uatl1 «»in, yanp tdah 8 rs " ^dib’ tCtaP ter'rPrni '"°m berhib4 dlb ^hlin "H^BA, |,LHLW s,lc|.ah >' ari ^A*.. Medium
11 lEB
°IEH ^AI
nicniicu perubahan konformasi enzim sehingga residu 'du enzim dapat mengenali dan mengikat B.
a cr
laku unuik ctr'""
Obat Snhibitor Enzim
Substrat bcrsife' k °!
u
PENGETAHUAN TENTANG KINETIKA, MEKANlSNiE, DAN INHIBISI ENZIM # MEMBANTU PENGEMBANGAN OBAT Banyak
"'atematis yang Jlg r
75
Bekeria
Sebagai
Tujuan farmakologi adalah mengidentifikasi bahan yang dapat
Periiici icnrans rc^‘ s
1.
&
MERUSAK atau mengganggu pertumbuhan, daya invasif,
atau perkembangan patogen invasif Merangsang mekanisme pertahanan endogen CN^EMIKAN ATAU menghambat proses molekular menyimpang yang dipicu oleh rangsang genetik, lingkungan, atau biologik tanpa banyak mengganggu fungsi normal sel pejamu.
ensial
ir
at harus onipleks tcrncl terjadi (C,M"[r ad.-,no Jisc*bllf [
GAMBAR 8-10. Linew< sederhana.
Plot
!
banyakan Reakst Bi-Bi Sesuai dengan ketika MichaeUs-Menten ’a8»an besar reaksi Bi-Bi sesuai dengan bentuk kinetika -haelis-Menten yang sedikit-banyak lebih kompleks 8 an Vnax yailg merujuk pada laju reaksi yang dicapai ^dua substrat terdapat dalam kadar jenuh. Masing- ;,n8 substrat memiliki sendiri nilai KM substrat tersebut S sesuai dengan konsentrasi yang menghasilkan separuh
Berkat peran fisiologisnya yang beragam dan tingginya derajat selekt.v.tas substrat, enzim menjadi sasaran ^ami untuk pengembangan obat yang bersifat spesifik dan poten. Sebagai contoh, obat golongan statin menurunkan pembentukan kolesterol dengan menghambat 3-hidroksi-3-metilglutari! ko=nz,m A reduktase (Bab 26), sementara emtmnahin dan enofovr d'soproksd Rtmarat menghambat replikasi virus ""“"odd™*ns, manusia dengan menghambat reverse TS (ftlb 34>- TeraP; farmakologik hipertensi 'g mencakup pemberian inhibitor enzim pengubah
bab 9: ENZIM:. PENGENDALIAN AKTIVITAS /
79
BAB 8: ENZIM: KINETIKA /
Enzim: Pengendalian
Peningkatan
Efek inhibitor kompetitif yang biasanya mirip dengan substrat, diatasi dengan meningkatkan konsentrasi substrat. Inhibitor nonkompetitif menurunkan V ,
Aktivitas
1
pcnemuan obat, farmakodinamika perbandingan, dan menentukan cara kerja obat.
ma x
tetapi tidak memengaruhi KM. Peter J. Kennelly, PhD & Victor W. Rodwell, PflD REFERENSI Berbagai substrat dapat bereaksi dalam rangkaian acak (semua substrat dapat berikatan pertama kali dengan Fcrsht A: Structure and Mechanism in Protein Science: A Guide to llnzyme enzim) atau mengikuti urutan-wajib (substrat A harus Catalysis and Protein Folding. Freeman, 1999. berikatan sebelum substrat B). PERAIM BllOMEDlS Fraser CM, Rappuoli R: Application of microbial genomic science to advanced Dalam reaksi ping-pong, satu atau lebih produk dibebaskan therapeutics. Annu Rev Med 2005:56:459. AL,RAN METAB °ci Ahli ILMU FAAL ABAD ke-19 CLAUDE BERNARD dari enzim sebelum semua substrat ditambahkan. LIRAN METABOLH Schultz AR: Enzyme Kinetics: From Diastas? to Multi-enzyme Systems. P “ERSIFAT AKTIF ATAU PAS'F dasar konseptual pengaturan metabolik. Aplikasi kinetika enzim mempermudah kita l ^al«^emlMl^pen^ntu^^epa^an^rate-/i'i n^rig'steptlAfdan tal^rp Cambridge Univ Press, 1994. Gambar 9-1. Respons berbeda konsentrasi substrat pada bahwa makhluk hidup berespons dengan C men8aniati ,P mengidentifikasi dan mengctahui karakter obat yang secara AKTIF ATAU PAS terhadap perubahan yang sama^ ^ ^ ^ ^ Scgcl I FI: Enzyme Kinetics. Wiley Interscience, 1975. dengan nilai A C . mendekati nol (B). sesuai secara kuantitatif dan temporer sehi^'^ yang b k ia UF konsentrasi substrat K„, IAvaj > selektif menghambat enzim tertentu. Oleh karena itu, ' " Ha laiu .-.aksin-1 Wlodawer A: Rational approach to AIDS drug design through structural yang bersangkutan dapat bertahan hidup dala^ ko?3 dapat bCrP PCn,ngkataM kt»nsc!Ur.»"‘ sl|r nl-' kinetika enzim berperan sentral dan penting dalam biology. Annu Rev Med 2002;53:595. beragam tantangan yang ditimbulkan oU^^Pi . cecara keseluruhan terdapat , pCru iki salah satu jalur lebih menguntungkan dari segi energi baik lingkungan eksternal maupun intc . Uan ............ pipa tetaplah satu arah karena . * rubahan keseluruhan v-me satunya akan disertai perubahan energ. bebas AC, ya g Cannon kemudian mengajukan istilah" V* ^ltcr perubahan tinggi yang sesuai dengan P ^ c>3). energi besar nya sama, tetapi tandanya berlawanan. Spontan,tas untuk menjelaskan kemampuan hewan Stasis’ bebas jalur metabolik u->s(.Inn kedua jalur terjadi akibat digantikannya satu atau lingkungan intrasel yang konstan Ka Uar ... vv*tnbar 9 . lebih reaksi oleh reaksi berbeda yang secara termodinamis perubahan lingkungan eksternalnya. Kinj ? p U n tCrjacjKOMPARTEMENTASI METABOLIKMEMASTIKAN bahwa organisme berespons terhadap pemk ^ ^fietah.'• yann senidan - rU^ a eb h menguntungkan dalam arah yang berlawanan EFISIENS>^GATURAN eksternJdaninternalnyamelaluiperub^Vfc ', ' «*** « 9-1). Rc lcr|iadaP fA En/im glikolitik fosfofruktokinase (Bab 8) digant, oleh &MENYEDERHANAKAN metabolik tertentu yang seimbang dan * ^i-rtaL m, UM nccrHlinkm „ . \*"v1 i'f 1 plukoneoeenik fruktosa-l,6-b,sfosfatase (Bab 20). ... j.in katabolik yang pada penyakit manusia, termasuk kanker, diabeterp’du-fianv il Kemampuan enzim membedakan koenzim yang secara Pcrt eukariot, jalur-jalur anabo i ^ k0mpartcmen ali,-. rdinasi penyakit manusia, termasuk kanker di k 1 aaU. ft, , uktunl mirip NAD' dan NADP' juga merupakan suatu ^i i>U w! ^n aliran ., ^ n aliran s k' dan penyakit Alzheimer, ditandai oleh d- (T’ ^°rs°»s saling bertukar produk dapat berlang. b enzim yang subselular C Stasis dan penyakit Alzheimer, ditandai olehV?’ >s C 1 tuk kompartementasi karena dengan kemampuan in, ^ng fl , ° di sel yang ck re yang dipicu oleh bahan patogen atau tertentu. Sebagai c°nt| ^ berada di dalam menguraikan protein dan menghadapi yang dipicu oleh bahan patogen atauNatl 'Watl , m dapat memisahkan elektron NADH yang ditakdirkan or Ll11 Sebagai gcn • s p° .^j oksidasi ebagaicontoh, contoh,banyak banyakvirus virusonko onWRcn:|'0Uta « ge„.5 an juga, biosintcsis ganel yang disebut lisosom. untuk menghasilkan ATP dari elektron NADPH yang ikut nmrein-tirosin kinase vano ,b"ni* , Ct|k, a ^rotein-tirosin kinase yang memodifiU • "‘'"gdta? asam ^n rt:. ^ resPons terhadap s" ' S"RTA dakm tahap-tahap reduksi di banyak ,alur biosmtesis. lc ^ d i b r e s P ° n s t e r h a d a p s,n)‘ regulatorik yang mengendalikan p0la ejJ ProSes.D an -AM LEMAK TERJADI DI SITOSOL, SEME**F (& 22 mak berlangsung di ikut berperan dalam inisiasi dan progr^* Scl s^ .’"Qhi.' 'as '^'inidian. u dalam nuto ^u di dalam npc 23). Pemisahan jalur-jalur Pengendalian Suato Enzim VIBRIO CHOLERUE (organisme penyebab kol^' ^cr. metabol.k ' ^ fisik eb.h ^Vh^tr x/„na Mengatalisis Keaksi encJ Se jalur-jalur peka-sensor di sel epitel uSUs? ' khusus juga merupakan °nlP ^ANTARA KNISUS erung Berl Pembatas-Kecepatan akan lan ribosilasi ADP terhadap protein pencil iyic| ? )ut. Selain itu, adanya satu atau bertentangan J Tp Mengatur yang menghubungkan reseptor di D * (pm^n 'Memungkinkan jalur-jalur yang ta tidak terdapat n aan Keseluruhan Jalur Melfabolok toN WtoL, tras: - W ID adenilil siklase. Pengaktivan siklase ini sci bef ada di tempat yang sama m» F .$[S maUpun Pemisah fisik. , i nd Ctaboli ke dalam usus, menimbulkan diare ' *1 ^ Xi?' 'k,na tdan kadar cii**'””^/ Sementara aliran metabolit melalui jalur-jalur metabolik Sebagai contoh, ^ zat antara YERSINIA PESTIS (organisme penyebab ^ air Itie 1 1 Unsdhldl bcrad; Ja melibatkan katalisis oleh banyak enzim, namun kontrol akt ^ukoneogenesis, meskipun ^ erRetjs mcnguntung^^ Htf ^'atj ’ " ” » I C J ! 'P ‘ ,'/(/ protein-tirosin fosfatase yang menghidM^^rU^i. t tt yaitu ko'>>" A ' ei\ht''Cta')0lik e"dy S,ntc'>' y'"" k°nSL' ''' homeostasis dicapai oleh pengaturan sebagian kec.l en^m. u 1 oneogenesis, mesKtpuu mengun<- . 1 di protein-protein sitoskeleton ^ SeCl1 t^u,w ^'ati-,1 al (n„aP .relatif tetapkonstan rpl_.:f ^I. Fnzim yang ideal untuk intervensi regulatorik adalah enzi enzim yang sama, secara ene.^ rcaksinya sama. yang bertanggung jawab untuk menJ^.^WHti) ln Mesl-" 9-2). * tidak mungkin terjad ) vane efisiensi katalitik atau kuantitasnya menentukan bahwa rusak atau abnormal dipercaya bet! atl pro, . SQ, ,1 Pr ' '- Oi °duL 'a ^ers‘fat i Laksi yang dikatalisis akan relatif lebih lambat diband.ngkan neurodegeneratif, seperti penyakit A|2h ^ ^ai,, h, !\XS 4S-tuU real Molek semua reaksi lain dalam jalur yang bersangkutan Oleh elUarka ul Oleh karena itu, pengetahuan tentan! n'p Njll X ^>.t " ol. besar y/ l 1 yak reaksi ang karena itu, penurunan efisiensi katalitik atau jumlah katalis mengendalikan laju reaksi yang dilt « *toNf NJ' y '/J eh Satu a untuk reaksi pembatas-kecepatan (rate-limiting reaction, penting untuk memahami dasar molej =K*i < - rah. Rang^^Ma| l ien metabolik serta1contoh-contohnya melalui seluruh jalur. Sebaliknya, peningkatan jumlah atau kecil liUnmnmkl,;. ‘ efisiensi katalitik meningkatkan aliran melalui jalur yang ^'arah melalui suatu Molek bersangkutan secara keseluruhan. Sebagai contoh, aset. aiifa f yan ke ul ivV:x 5 s— :i &6. a KoA karboksilase mengatalisis pembentukan malomt-^on, k H: ng mclalui kecil
c:-y5?»-«............
IB
5S
DAN
E
Y
&
A
7
'C >P ^L^'etai r
A rip V’V
> r c n d a h of A
Pipa sama pi 8® PerubahJ” jf1 P S tlf
‘ - Namun, alU***
Perhatikan bahwa ST* ^ idea, dalam keadaan tetap. n M e t a b o l i t b e r s i f a t satu-arah.
. • pertama pada biosintcsis asam lemak (Bab 23). Peter reaksi-reaksi J. Kennelly, selanjutnya PhD & Victor VV. Jika reaksi p^ ^ambat, - - - i s asam lemak akan terhenti karena tidak pada sina ^ Enzim yang mengatalisis reaksi-reaksi terSC\1 nskecepatan berfungsi sebagai “pengatur” alami pem at ^£taboWc. Karena itu, enzim-enzim ini merupakan aliran mebagl 0bat untuk melakukan intervensi SaSar ^atorik. Sebagai contoh, inhibisi oleh obat "statin” r£§ hadap HMG-KoA reduktase, yang mengatalisis reaksi ^embatas-kecepatan pada kolesterogenesis, menghambat-r oembentukan kolesterol. ! pembentukan kolesterol.
PENGATURAN JUMLAH ENZIM V k reaksi pembatas-kecepatan
di suatu jalur Kapas'vtas ka^' . sl\ dari konsentrasi mo\eku\ enzim dan metabo\ik adala0leb karena itu, kapasitas efisiensi katalit ^ 0\eb perubahan jumlah enzim katalitik dapat ^ef\siensi katalitik intrinsiknya. yang ada dan p a
■^4 iWin' galaktosidapermease (Gambar n 1irol-x>L’’ yang dapat dunduksi antara lain mp'0^ ins\ct-°'<:' kr A debidtase, urosin-a-ketoglutarat nsU° °' \ \ix^ enzim siklus urea, HMG-KoA rcdukt am-. *- •' ^ ^ ,yvcu£' Sebaliknya, kelebihan suatu metabolu >-X\ ^ repfCSl ^ pembentukan enzim terkait melalui V'"sL ' GV induksi maurm "— ’ ul ,\^ tndnVa maup™ reptes\ mcKbaiVa" eW« J «a\«" w ALIRAN sl1 van, KrtcuU , ...... yang, terletak *di fccu yang diatur, dan protein regulator\k METAyu ^ (trans-acting regulatory proteins'). MeU‘u"sl has dl Ral iU P dUl i , T,NS) da 11 ATAU ' induksi danRrcpresi dibahas c\\ AKTIF ^ P« “ diranesan r dan ? W? lain *%*• J’- Mekanisme , 38. lV-mbentuk»n °rmonspcsifikd S mdalui pengikatannva
GAMBAR 9-4. Tempal-lempat inhibisi umpan-balik pada jalur
^ Veru^" °'f>
engatur aktivitr kadar prorein aIK , oCTUt> *^ sedangkan sedang V perubahan efisiensi karaliriR pun..& nienghadapi perubahan fluks metabolit yang cepat dan ka
mengnkur laju penycn^n asam amino berlabel Dengan m 6 ^ la)U kehvlangan N dan protein, oleb pr °r menyimpulkan bahwa protein tubuh berada Scboenbeimc^ llkese-mbangan dinamik” karena proteindalam kea * secara ierus menerus dibentuk dan diuraikan protein terse X pergantian protein _ ^ -&tt"uanS^protein OVER). Sementara konsentrasi -suam ?T1IRN0VER). Sementara konsentrasi sebagian enzimenzim sebagian (■PROTEIN
danpr° • banyak craim lam dipen^tuW o\A tu; Voos hormon, atau mlVa„ffi —^•vAiian. berbagai taKt suaW\ut mencermmkankesp.-'enx\m suatu enzim mencerminkan] umlab a ^ ^c-irirot.^ J" keseimbangJumlah abso s-nies\s dan laju penguraiannya. Vadan net® toiar enxim tettenm da¥at P“u konstanta\a)u unmkkesdumHan pt0SK sin manusia. , u nervibana"N atau keduanya. Ss(fe)'PengU” 1 wak
L
Inhibisi umpan-balik merujuk pada inhibisi suatu enzim di dalam suatu jalur biosintesis oleh produk akhir jalur tersebut. Pada contoh berikut, untuk biosintesis D dari A yang dikatalisis oleh enzim Enz1 sampai Enz,,
Pembentukan enzim tertentu bergantu penginduksi ( I N D U C E R ) , biasanyasubstr-^8 1>ac'a kc^ yang memulai sintesis. Sebagai contoh^? ditumbuhkan pada glukosa ^ aiT^<>Pa laktosa setelah penambahan
(lihat bawah dan Bab 33). LENGKUNG UMPAN-BALIK multipel dapat menyempurnakan kontrol. Sebagai contoh, seperti diperlihatkan di Gambar 9-5, adanya produk B yang berlebihan menurunkan kebutuhan akan substrat S ,. Namun, S, juga diperlukan untuk membentuk A, C, dan D. Oleh karena itu, kelebihan B seharusnya juga menghambat sintesis keempat produk akhir. Untuk mengatasi kesulitan potensial ini, masing-masing produk akhir biasanya hanya menghambat aktivitas katalitik secara parsial. Efek kelebihan dua atau lebih produk akhir mungkin semata-mata aditif atau mungkin lebih besar daripada efek masing-masing (inhibisi umpan-balik kooperatif).
Aspartat Transkarbamoilase Adalah Suatu Model Enzim Alosterik
terjadi bukan karena “mundurnya” Aspartat transkarbamoilase (ATCase), katalis untuk reaksi antara tetapi karena kemampuan D mengikat dan pertama yang khas pada biosintesis pirimidin (Gambar 33 -7 ), Menghambat Enzr D biasanya berikatan di bagian alosterik dihambat secara umpan-balik oleh sitidin trifosfat jc °STERIC SITE) yang secara spasial terpisah dari bagian ^talitjk enzim sasaran. Oleh karena itu, inhibitor UMPANc adalah efek tor alosterik yang biasanya sedikit atau tidak ^niiliki kemiripan struktural dengan substrat.enzim yang 1 ar nbatnya. Pada contoh ini, inhibitor umpan-balik D e ^erja sebagai efektor alosterik negatif Enzr Pada jalur biosintesis yang bercabang, reaksi-reaksi awal 1 uc serta dalam membentuk beberapa produk. Gambar 9-4 'Memperlihatkan hipotesis suatu jalur biosintesis bercabang; tan da panah melengkung menunjukkan kerja inhibitor Molek ^,,Tlpan-balik pack enzim sasarannya. Rangkaian S^A, 4 ~*B, S4 ~>C, dan ul masing-masing mewakili kecil G A M B A R 9 - 5 . Inhibisi umpan-balik multipel pada jalur biosintesis ,
scS
\s.^xAiS\ ^TO\£vft-^TO\fc\fc^
Enzim
Enz, Enz,
biosintetik bercabang. S,-S, adalah zat antara dalam biosintesis produk akhir A-D. Tanda panah lurus mewakili enzim yang mengatalisisperubahan yangditunjukkan. Tanda panah melengkung mewakili lengkung umpan-balik dan menunjukkan tempattempat inhibisi umpan-balik oleh produk akhir tertentu. makromolekul (mis. asam amino untuk protein, nukleotida untuk asam nukleat), biasanya menghambat tahap pertama rangkaian biosintesis tertentu. Contoh yang banyak diteliti adalah inhibisi aspartat transkarbamoilase bakteri oleh CTP
|
BAB 9: ENZIM: PENGENDALIAN AKTIVITAS /
83
82/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM
(Cl P) dan adenosin trifosfat. CTP, suatu produk akhir jalur biosintetik pirimidin, menghambat enzim, sementara ATP mengaktifkan enzim. Selain itu, AIP kadar tinggi dapat mengatasi hambatan oleh CTP sehingga sintesis pirimidin nukleotida dapat berlanjut ketika kadar nukleotida purin meningkat.
Bagian Alosterik & Katalitik Terpisah Secara Spasial Hdak adanya kemiripan struktur antara inhibitor umpan- balik dan substrat untuk enzim yang aktivitasnya diatur oleh inhibitor tersebut mengisyaratkan bahwa efektor ini tidak isosterik dengan substrat, tetapi alosterik ( mcncmpati ruang yang lain”). Oleh karena itu, Jacques Mo nod mengajukan keberadaan bagian/tempat alosterik yang berbeda dari tempat katalitik. Enzim alosterik adalah enzim dengan aktivitas di bagian aktif dapat dimodulasi oleh eberadaan efektor di bagian alosterik. Hipotesis ini telah anyak dibuktikan, termasuk dengan kristalografi sinar X an SITE-DIRECTED MUTAGENESIS yang memperlihatkan adanya agian-bagian aktif dan alosterik yang terpisah di berbagai enzim. Sebagai contoh, ATCase ESCHERICHIA COLI adalah suatu odekamer yang terdiri dari enam subunit katalitik dan enam subunit regulatorik yang mengikat nukleotida trifosfat yang memodulasi aktivitas enzim tersebut. Secara umum, pengikatan suatu regulator alosterik memicu perubahan konformasi enzim yang meliputi bagian-bagian aktifnya. crubahan ini dapat berdampak pada efisiensi katalitik enzim (enzim seri-V), afinitas enzim terhadap substratnya enzim seri-K), atau baik katalisis maupun afinitas substrat.
Efek Alosterik Mungkin pada K atau pada V u
max
Menyebut kinetika inhibisi alosterik sebagai “kompetitif” atau nonkompetitif” dengan substrat akan menimbulkan dampak mekanistik yang menyesatkan. Oleh karena itu, dalam pengaturan ini kita merujuk pada adanya dua kelas enzim: seri K dan seri V. Untuk enzim alosterik seri-K, kinetika saturasi substrat bersifat kompetitif dalam arti bahwa KM meningkat tanpa efek pada VMIX. Untuk enzim alosterik seri-V, inhibitor alosterik menurunkan tanpa memengaruhi Km. Perubahan pada K atau VMIX mungkin terjadi akibat perubahan konformasi di bagian katalitik yang dipicu oleh terikatnya efektor alosterik bagian alosterik enzim. Untuk enzim alosterik seri-K, perubahan konformasi ini mungkin melemahkan ikatan antara substrat dan residu pengikat-substrat. Untuk enzim alosterik seri-V, efek primer mungkin adalah perubahan orientasi atau muatan residu katalitik yang menurunkan V . Namun, mungkin dijumpai C1 i max ° ' 1 erek antara pada KM dan 1/ akibat perubahan konformasi ini.
PENGATURAN UMPAN-BALIK TIDAK SINONIM DENGAN INHIBISI UMPAN-BALIK Padasel mamaliadan bakteri, produk akhir mcmbcri "umpan- balik” dan mengontrol sintesisnva sendiri. pada banyak kasus melalui inhibisi umpan-balik pada en/im biosintetik awal. Namun, kita harus membedakan antara PENGATURAN UMPAN-BALIK, yakni suatu istilah fenomenologik yang T'DAK memiliki dampak mekanistik, dan INHIBISI UMPAN-BALIK. yakni suatu mekanisme pengaturan aktivitas enzim. Sebagai contoh, sementara kolesterol dalam makanan menurunkan sintesis kolesterol oleh hati, namun pengaturan umpan- balik ini tidak melibatkan INHIBISI umpan-balik. I 1 MCJ-KOA reduktase,enzim pembataskecepatan pada kolesterologenesis, terpengaruh, tetapi kolesterol tidak menghambat sccara umpan-balik aktivitasnya sendiri. Pengaturan sebagai respons terhadap kolesterol dalam makanan melibatkan penghambatan ekspresi gen yang mengode I IMCJ-KQA reduktase oleh kolesterol atau metabolit kolesterol (represf enzim) (Bab 26).
BANYAK HORMON BEKERJA MELALUI SECOND MESSENGER ALOSTERIK Impuls saraf—dan pengikatan hormon ke reseptor di permukaan sel— memicu perubahan laju reaksi yang dikatalisis oleh enzim di dalam sel sasaran dengan menginduksi pembebasan atau pembentukan efektor alosterik khusus yang disebut second messenger. Perantara primer, atau “pertama adalah molekul hormon atau impuls saraf. SECOND MESSENGER mencakup 3\5’-cAMP yang disintesis dari ATP oleh enzim adenilil siklase sebagai respons terhadap hormon epincfrin, dan Ca“' yang disimpan di dalam retikulum ENDOPKISNIA sebagian besar sel. Depolarisasi membran akibat impuls saraf membuka suatu kanal di membran yang membebaskan ion kalsium ke dalam sitoplasma, tempat ion ini mengikat dan mengaktifkan enzim-enzim yang berperan dalam pengendalian kontraksi dan mobilisasi simpanan glukosa dari glikogen. Glukosa kemudian memenuhi peningkatan kebutuhan energi dari kontraksi otot. Perantara kedua lainnya adalah 3 ,5-cGMP dan polifosfoinositol, yang dihasilkan melalui hidrolisis fosfolipid inositol oleh fosfolipase yang diatur hormon.
MODIFIKASI KOVALEN REGULATORIK DAPAT BERSIFAT REVERSIBEL ATAU IREVERSIBEL Pada sci mamalja, dua bentuk modifikasi kovalen paling umum adalah proteolisis parsial dan fosforilasi. Karena
G A M B A R 9-6. Proteolisis selektif dan perubahan konformasi terkait membentuk bagian aktif kimotripsin yang mencakup trias katalitik Aspl02-His57-Ser195. Proteolisis yang berurutan membentuk prokimotripsin (pro-CT), jt-kimotripsin (rrCT), dan akhirnya a-kimotripsin (cx-CT), suatu protease aktif yang ketiga peptidanya tetap berkaitan melalui ikatan disulfida antar-rantai kovalen.
sel tidak memiliki kemampuan untuk menyatukan kembali dua bagian dari satu protein yang dihasilkan oleh hidrolisis suatu ikatan peptida, proteolisis menjadi suatu modifikasi ireversibel. Sebaliknya, fosforilasi adalah proses modifikasi reversibcl. Fosforilasi protein pada residu seril, treonil, atau tirosil yang dikatalisis oleh protein kinase, secara termodinamis lebih menguntungkan. Hal yang juga menguntungkan adalah pengeluaran gugus-gugus fosforil ini secara hidrolitik oleh enzim-enzim yang disebut protein fosfatase. Aktivitas protein kinase dan protein fosfatase itu sendiri diatur, jika tidak maka kerja keduanya akan tidak produktif baik secara termodinamis maupun biologis.
PROTEASE DAPAT DISEKRESIKAN SEBAGAI PROENZIM YANG SECARA KATALDTIS INAKTIF Protein tertentu disintesis dan disekresikan sebagai protein prekursor inaktif yang dikenal sebagai PROPROTEIN. Proprotein enzim disebut PROENZIM atau ZIMOGEN. Proteolisis selektif mengubah suatu proprotein, melalui satu atau lebih “pemutusan” proteolitik berturutturut, menjadi bentuk yang memperlihatkan aktivitas khas protein matang, misalnya aktivitas enzimatiknya. Protein yang disintesis sebagai proprotein antara lain adalah hormon insulin (proprotein = proinsulin), enzim pencernaan pepsin, tripsin, dan kimotripsin (proprotein masing-masing = pepsinogen, tripsinogen, dan kimotripsinogen), beberapa faktor pembekuan darah dan kaskade pencairan bekuan darah
(lihat Bab 50), dan protein jaringan ikat kolagen (proprotein = prokolagen).
Proenzim Mempermudah Mobilisasi Aktivitas Secara Cepat Sebagai Respons Terhadap Kebutuhan Fisiologik PEMBENTUKAN dan sckresi protease sebagai proenzim yang secara
katalitis inaktif, melindungi jaringan asal (mis. pankreas) dari autodigesti, seperti yang dapat terjadi pada pankreatitis. Proses fisiologi tertentu, misalnya pencernaan, berlangsung intermiten, tetapi cukup teratur dan dapat diperkirakan. PROSES lainnya, seperti pembekuan darah, pencairan (DISSOLUTION) bekuan darah, dan perbaikan jaringan “diaktifkan” hanya sebagai respons terhadap kebutuhan fisiologis atau patofisiologis mendesak. Proses pembekuan darah dan pencairannya jelas harus dikoordinasikan secara temporer untuk mencapai homeostasis. Enzim-enzim yang diperlukan secara intermiten, tetapi cepat sering disekresikan dalam bentuk yang awalnya inaktif karena proses sekresi atau sintesis baru protein tersebut mungkin kurang cepat untuk memenuhi tuntutan patofisiologis yang mendesak, misalnya perdarahan (lihat Bab 50).
Aktivasi Prokimotripsin Memerlukan Proteolisis Selektif Proteolisis selektif melibatkan satu atau lebih pemutusan proteolitik sangat spesifik yang mungkin disertai atau tanpa
ENZIM
KEADAAN AKTIVITAS’ RENDAH TINGGI
SITRAT LIASE FOSFORILASE B KINASE HMG-KOA REDUKTASE KINASE
Q_ Q- Q_ D_ III III111 III III III III til
REDUKTASE GLIKOGEN FOSFORILASE
1 ......................................................................................................................................................................................................................................... I
DEHIDROGENASE HMG-KOA
11 i UJ LU LU LU LU LU LU
GLIKOGEN SINTASE PIRUVAT
A. A. A. Q.
ASETIL-KOA KARBOKSILASE
BAB 9: ENZIM: PENGENDALIAN AKTIVITAS /
Tabel 9-1. Contoh enzim mamalia yang aktivitas katalitiknya diubah oleh fosforilasidefosforilasi kovalen
Modifikasi kovalen . ■huah residu seril. Ua,u en^
85
BAB 9: ENZIM: PENGENDALIAN AKTIVITAS /
Pilkis SJ ct al: 6-Phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphos- phatasc: A metabolic signaling enzyme. Annu Rev Biochem
1995:64:799. Scriver CR et al (editors): The Metabolic and Molecular Bases oj Inherited
Disease, 8th cd. McGraw-Hill, 2000. Sitaramayya A (editor): Introduction to Cellttl/ir Signal Transduction. Birkhauser, 1999. Stadtman ER, Chock PB (editors): Current Topics in Cellular Regulation. Academic Press, 1969 to the present.
'I:. dc*fosfocnzim; EP, lostoen/im.
efisiensi katalitik enzim, mengubah suatu protein menjadi bentuk aktif, sementara fosforilasi pada protein yang lam mengubah nya menjadi bentuk yang secara intrmsik mehsien atau inaktif (Tabel 9-1). Banyak protein dapat difosforilasi di banyak tempat atau menjadi subyek
serta melalui pengikatan ligan alosterik. FosforilasiStieglitz K et al: Monitoring the transition from theT to the R state in E. coli defosforilasi di suatu bagian protein dapat dikatalisis oleh aspartate kinase transcarbamoylase by x-ray crystallography: Crystal structures of berbagai protein atau protein fosfatase. Banyak protein the E50A mutant enzyme in four distinct allosteric states. J Mol Biol kinase (Jan sebagian besar protein fosfatase bekerja pada lebih :853.dan protein-protein sendiri mengalami dari satu 2004;34l protein Weber G (editor): in Enzyme Regulation. Pergamon Press, 1963 to the interkonversi antara Advances bentuk aktif dan inaktif melalui pengikatan present. ke zat SECOND MESSENGER atau modifikasi kovalen dengan fosforilasi-defosforilasi. Hubungan timbal-balik antara protein kinase dan protein fosfatase, antara konsekuensi fungsional fosforilasi di tempat yang berbeda, atau antara tempat fosforilasi dan tempat alosterik merupakan dasar jaringan regulatorik yang memadukan berbagai sinyal INPUT dari lingkungan untuk menghasilkan respons selular terkoordinasi yang sesuai. Di jaringan regulatorik yang canggih ini, masing-masing enzim berespons terhadap sinyal lingkungan yang berbeda. Sebagai contoh, jika suatu enzim dapat difosforilasi di satu tempat oleh lebih dari satu protein kinase, enzim ini dapat diubah dari bentuk yang secara katalitis cfisien menjadi bentuk yang inefisien (inaktif), atau sebaliknya, sebagai respons terhadap salah satu dari beberapa sinyal. Jika protein kinase diaktifkan sebagai respons terhadap sinyal yang berbeda dari sinyal yang mengaktifkan protein fosfatase, fosfoprotein yang terbentuk menjadi penentu. Efek fungsional yang umumnya
c.mbar sederhana gardu-pemenksaan icnecKpomn L., ke b pada siklus sel eukariot. Gambar 9- . ■< berbagai tahap dalam siklus sel eukariot. Genom mengalami replikasi Lingkaran mer | ‘ dua salinan genom dipisahkan dan pembelahan sel terjadi selama fase selama |ase ' . ‘f®se ini dipisahkan oleh tase G, atau fase pertumbuhan, yang ditandai oleh M. Masing-n 6 akumulasi berbagai prekursor yang diperlukan untuk menyusun kompleks
.tha(kan
|
SSS*-^toSdl"M'
JH: Co- an» he
>nical Print 'P1
87
Bioinformatika & Biologi Komputasional
10
1
Peter J. Kennelly; PhD & VictorWRod^^
86 /
BAG
——os„OTEIN&EN2|M
berupa aktivitas katalitik
Keadaan arau derajat f o s f o r i l a s i f o s f o r i l ^ , -
BAB 9: ENZIM: PENGENDALIAN AKTIVITAS /
87
tCr
sebut Illc
indibt0r
"»"Hn,,Mlk, (,s,s.
4vr
b,0ki
n>ia , bl
831 rW
tenzin’
^1^7
cks
l
yane — d**}
Ubahan
' S<;b .
P- -rl,,d,p
l iasanv
’
A
u ril ,p;
-'
' - "
°nN PC/ubahan k, [niukan Proiluk scbagJ*' ^
‘'"•ak
;ers4of ^ lT;Mt anwra -“■W
k ^ ggung^awabterhadappercljL dan cn,bekerja sebagai “tombol '"f^terseb* KUig sama lain. Enzim-enzim t e r s e b b « g a n ^ ' k a d j ‘ r dar, jaxtngan regulatorik ya„g m“ '*^Paka„ 'U"6 *atu d. dalam sel yang melahaL „ ^^n C " da*>r pr Sc yang harus diatur sebapai ° s m , Ntv “*"-K Contoh yang pali fat regulatorik semacam ini ad7, dlte'iti ten, mengontrol pembelahan sel S «1 c> iaSan maktif (quiescent), atau G ' D ah Har d tik ya„ sangat ™mit berlanjut mdXi disebut eiTlantai 8 tidak ada fase sikius yan„ j |Uan untuk I " selesai. Gambar 9-8 menieS’" SCbelun’ bak''3' dari gardu-periksa yang garif? *b''0 nis YANG disebut fase S. Suatu prof ‘ 'asi s'ba Xa berkaitan dengan genom. jika J^ase y ^ di kedua untamya, perubahan i I,,;it
untuk bekerja pada lebih dari " Pr°‘ein f r cara bagi sinyal li„gku U ^ Protein m . **<** ba merabol.k secara terkooMinasi Sd» “ h.droks, 3-me,ilglutari|.KoA ; c o n t o h , ’ r<*« karboksilase-masin m .
CSa"
„ 11 sua,u nst'"trasi Uks) metabolit ■ 'n’CkCnzi'» yan ,Vitas l
'alo'f'’tin>- S r’Wor,, C
Csi
yan
V;,n
B
scci,ra
i"
karalit'- ,,
n M1
^nr. tn- K<^ ’ ‘
C'C^h Ckt scba«:,i sua,u f A
(niis 8ls dan |Sp°ns tcr|- 'Sasi akcivi,;,s C,U"!' K ’^OTT Sat adap •• . ■-..hufj
subunit dimer ATM yang diakti'fl ktiflta° in y dan memicu ^gk^ft defosforilasiproteinyangdiperantakade) Pt„ ^ ^ protein kinase, Cdc25 protein fij ° i'hCHfCl SrjL* kompleks antara sildin dan pror ^ d*n 3JSc^'' atau Cdk. Pengaktivan komplefe "r^e transisi C, menjadi S sehingga r^kl^.^
k><>4>C/an8ikutSc!tad^;/ yaneany ti,e ns terhadap siny3' V,[/ 85p„ 6ltn_ ses d. P^ii tef c^Kj, ^dap sinyal hy 85l:5
Uai8kSplJS'sda„ Patuk m>, t%Cks Un,M en,adukan511infor^^ le,
dl1
'
ighasilkan R C S F
s 0. V UK
en a
n
' - g Ktivan kompjej,. r j ^ dCh ^s„ transisi G, menjadi S sehingga reSf^tt dapat d.gagalkan, Kegagalan di gard °NA'e',80"’
r
. cc|| a
rot
ein
Vtrrcl%" -«es A
Oft
h
u
menyebabkan mutasi DNA vanrvj “Pemer;i
=>S Cr
N,„X.iy^y^0n’Pu,ation . , I ;■
u
°nal dement
Pat ni
atau penyakit lain. Masing-masi“
fnin1> in, 8n
gkali ^an L Pat da
^6k-
in
J
''1tU>"
i
SfcS,, ''‘s;:^ tinsystem:
, C>| ,
K
’id ,
^ ,,k
t!C,s- 0?r" V a1' Vk„ tt"1& Bi°chim Bi°P ln
'6 JH: %
cipies and
n,,d Post-tra’1^,J
CHO'594 v 20n':X ’'o., S’ 'vjjj p :
<2O9 0r control by ph°sf
A ,r)
pH"
Pilkis SJ ct al: 6-Phosphofructo-2-kinasc/fructosc-2,6-bisphosphatasc: A metabolic signaling enzyme. Annu Rev Biochem 1995:64:799. Scriver CR et al (editors): The Metabolic and Molecular liases of Inherited Disease, 8thcd.McGraw-Hill,2000. SitaramayyaA(editor): Introduction to Cellular Signal Transduction. Birkhauscr, 1999. St ad t man ER, Chock PB (editors): CURRENT TOPICS IN CELLULAR REGULATION. Academic Press, 1969 to the present.
Stieglitz K et al: Monitoring the transition from theT to the R state in Zf. COLI aspartate transcarbamoylase by x-ray crystallography: Crystal structures of the E50A mutant enzyme in four distinct allostcric states. J Mol Biol 2004-,34\:853. Weber G (editor): ADVANCES IN ENZYME REGULATION. Pergamon Press, 1963 to the present.
BAB 10: BIOINFORMATIKA & BIOLOGI KOMPUTASIONAL / penuntasan 91HUMAN GENOME PROJECT merupakan Kesuksesan rangkaian linier .sederhana empat basa nukleotida. Sementara puncak dari lebih BAB enam dekade pencapaian penting di jumlah residu asam amino yang menentukan struktur primer 10: BIOINFORMATIKA & BIOLOGI KOMPUTASIONAL / 8 ta \'\lan tentang sekuens genom - dari berbagai memahami bidang biologi program molekular, genetika, dan biokimia. Kronologi untuk asam amino dengan menggunakan suatu protein jauh lebih sekuens-sekuens sedikit daripada jumlah pasangan fongsi organ\sme di bawah menjabarkan beberapa tahapan penting yang komputer untuk struktur mengidentifikasi asam amino basa dalam genom, namun deskripsi sinar-X residu-residu ntuk n Vain sangat penting untu yandingkan HapMap Project berujung pada keberhasilan enom yanglokasi terkonservasi (tidakatom berubah selama evolusi) dan penting penentuan keseluruhan sekuens protein memerlukan spesifikasi masing-masing S manusia Kemampuan untuk y Kemampuan untuk. dan memband.;n&ka„ sekuens-sekuens komponennya S«*£™ dalam£ ruang secara fungsional atau suatu struktural Tabel 7-1),oleh sertapara untuk tiga-dimensi. Beragam kriteria genom manusia. HapMap Project adalah upaya(lihat kerja sama 1944—DNA dibuktikan merupakan bahan herediter beragam or&anism®, yang berbeda akan mernban memberikan petunjuk mengenai kemampuan mengatalisis, dapat diterapkan dalam menjabarkan subjek studi biomedis: ilmuwan dari Amerika Serikat, Kanada, Cina, Jepang, Nigeria, heliks ganda dikemukakan 1953—Konsep _• • J ‘7 an sa3C ,nl tlClnggi badan; berat badan; mengatur, dan kemampuan lainnyagen-gen yang dimiliki proteingenetik atau berhasil dipecahkan jenisuntuk kelamin; indeks massa 1966—Kode ^ iproduk gen y g |I•i dan usia; Inggris mengidentifikasi yang berkaitan & an produk gen baru (lihat Babperbedaan 42). tubuh; diet; etnis; riwayat medis; profesi; pemakaian obat, respons 1972—Teknologi ... V & rt,irasi vane semakin &ei^i d dengan penyakit manusia dan terhadap obat. DNA rekombinan dikembangkan 1977—Muncul teknologi penentuan sekuens DNA yang Seperti diajukan oleh artikel yang dikutip sebelumnya, alkohol atau produk rembakau; aktivitas fisik; tekanan dikctabUl. Pcner^an perangkat kompuj- y» J„n„„,ksi merelconstruksi Peta haplotipe (HAPLOTYPE MAP, HapMap) genom manusia yang can tantangan bagimenjadi dunia biologi sebagai tinggal; status pcrkawinan; golongan darah;adalah praktis ^Unp,'H gs\0rJ*!'k^ari akan genom manusia sehingga ilmuwan darah; tempat dihasilkan akan sumber penting untukberikut: mengungkapkan me.r.un Skinkan arsitektur Ketv. ^nom nianusia dapat dipahami .________
PERAN BIOMEDIS Model ilmiah pertama tentang patogenesis misal kuman pada penyakit oleh Louis Pasteur ber tC°ri setiap penyakit memiliki satu kausa yang dapat ? .^'ner: Malaria disebabkan oleh amuba Plasmodiu ' r . ikan. tuberkulosis oleh bakteri Mycobacterium tuberculo ^^' sel sabit oleh mutasi di gen yang menyandi salah 0^^ PCnyakit hemoglobin, poliomielitis oleh poliovirus, d defisiensi asam askorbat. Oleh sebab itu HOr^Ucoleh mengobati atau mencegah penyakit dapat dTd^' esp"-menjadi suatu proses langsung berupa pt*\hanal
- _.u
-i
Untuk beragam mengidentifikasi komponen-komponen genetik yang berperan dalam variasi sensitivitas 1983—Gen untuk penyakit Huntington berhasil kadar kolesterol serum;faktor-faktor dsb.•
struktural danpemakai fungsional tersandi dalam infeksi, organisme manusia terhadap faktor lingkungan, kerentanan terhadap Kedua,tantangan mcMigantisipasi cara bagaimana ingin yang revolusi genomik menimbulkan rn^,Uan revolusi genomik menimbulkan dipetakan yang secara biologis dan komprehensif. dan responsivitas, baik yang menguntungkan maupun merugikan, n atau niencari menganalisis informasi dalam suatu DATABASE er Syat 1985— Reaksi berantai polimerase (polymerase chain ^ ^nd ^kat melebihi bidang kesehatan manusia. cv A v V
mvumuuiuV. mevt\at\faatV.adari n V tantangan a\ '‘ ini dapat dihl'iat dalam si\*\\n\uvj3iV\V)\omcd\s n
• untuk Untuk mengetahui susunanvariabel jaringan genetik dan jalur protein terhadap obatmengatasi dan vaksin.berbagai merancang algoritme REACTION, PCR) diciptakan —— serta memastikan bagaimana keduanya berperan1986— menentukan Penentuan sekuens DNA dapat dilakukan secara tersebut dapat merupakan tantangan berat. Contohnya, L, leniii**b"~*«*au J'a*‘t, '•ucrw/'iui' “v -li U/3ttmn 1 CDD fenofipe sel dan organisme. tUt bahkan tugas -.1 sederhana seperti mencari DATABASE gen sering ! ^s otomatis Vno\o£\s&a\ams\w\aWsat. onan hewan utuh, dan pemakaian sel _ &ah manusia dalam riset. te ... • Untuk pengetahuan nt menggunakan (secara tersendiri atau memperoleh berkombinasi) berbagai terperinci tentang variasi Layaknya beberapa kata yang dibentuk dari penggabungan kata untuk distrofi otot Duchenne berhasil PemaH^iTian baru .................. -I 1 ----'I*— 1986—Gen herediter dalam genom. kriteria beragam, misalnya nama gen, nama protein yang «vn ,\ AU akar atau suku kata—misalnya lalu-lintas, kristalografi, pancaroba rv-• Untuk memahami variasi evolusioner di antara spesies serta disandinya, fungsi biologis produk gen, sekuens nukleotida diidentifikasi d,ariUs^ n genetik dan m°lekul dalam sifat perilaku —banyak protein mengandung berbagai domain yang masingmendasari di dalam gen, baru sekuens asammekanisme amino diyang dalam proteinvariasi yangini. 1989— W^^r^^nnya' kebijakan baru baik tingk^t___________________________________________ serta kesehatan fisikdiatau penyakit, m^t\gharuskan ^^^kannya kebijakan masing memiliki fungsi dan asal evolusioner tersendiri. Para Gen ahli untuk fibrosis kistik berhasil diidentifikasi ^^^^rnasional yang berkaitan dengan bUJuim, ilmu 1990— HUMAN GENOME PROJECT diluncurkan di Amerika • Untuk mengembangkan pilihan kebijakan yang mempermudah disandinya, organisme yang mengandung gen tersebut, atau baik di ting^t nasional biologi komputasional mengklasifikasikan domain-domain yang J.'* 1 as IU1* •-— y — penggunaan genomika baik Serikat untuk gen penyebarluasan tersebut. Para peneliti "’“''''s' nama ilmuwan yang meneliti agrikultur, dsb. terkonservasi (CONSERVEDDOMAINS, CD) tersebut berdasarkan 1 ***** an WomA , vVt uN,\\tvV^ C\V^ $ y 4' A kepentingan riset maupun klinis. 1994—Peta genetik manusia berhasil diselesaikan y g ingin menentukan APAKAH dampak suatu polimorfisme fcXOYOSVKONtf> * J pengulangan motif atau pola sekuens. Motif-motif yang e 1996—Peta gen manusia yang pertama berhasil g netik pada usia dipengaruhi oleh sifat cuaca tempat orang terkonservasi ini dapat diidentifikasi dan didefinisikan dengan V^NGANBAGIBIOLOGI V>\°. $\ yang bersangkutan tinggal mungkin perlu membandingkan dituntaskan membandingkan dan menyandingkan sekuens berbagai protein 1 1 1999— Single v x tl^ .ilmu kedokteran hanyalah sala•^\a satu BIOINFORMATIKA ‘ ^ $aspek yjo*^ yangSUMBER diperkirakan memiliki suatu domain yang sama, suatu proses Nucleotide Polymorphism Initiative dimulai sl data dari berbagai DATABASE . enomik en eta 1 S 1 Wtk* * g * ^ ^ huan tentang seK'^ens genom 1999— Sekuens pertama sebuah kromosom lujuan utama biologi komputasional adalali menciptaALIGNMENT kan yangDAN disebut MULTIPLE SEQUENCE (penyusunan GENOMIK 0r YwwWW,tan ^ $' \N ^ai organisme sangat penting ab^8 gj j^ta untuk itme komputer yang memungkinkan ilmuwan membuat manusia, a sekuens multipel, Gambar 10-1). CDD (Conserved Domain m mullifaktor.Kemunculandanperkcmba''^rsifa8t lCr'Ap &ak\Ksu.svwwWV>\o^^ $ genorn* ^ k**1 > Peran ^^un^f'l.°nal semua Kemajuan °del ya denganNCBI perilaku berbagai MOLCKUL ng mirip nomor 22, berhasil diselesaikan Database) berisi suatu perpustakaan MULTIPLE SEQUENCE Single Nucleotide Polymorphisms et vcvt\A\\\c,xvV vc\\.ke\nev,'^vx‘b ^ ^^ penyakit yang disebutkan tadi yang tid, gan peny^an l ut J x biologi komp asion^‘ j) proses biologik baru melalui aplikasi prinsip-prinsip °iriformatika, genomika 2000— “D ALIGNMENT baik untuk domain individual maupun proteinRAFT pertama” genom manusia selesai vt\eu\W\V\\^v^ ' ,c\c' ' ^ ^ —ou'&X. »mcJow K (-oven) spesifik yang keberadaan m,. j:* .mei^iliki fisik r'sl \fi ^viysasYswvxxAsooxml^tcyjeV . ^ ^ && Meskipun dari dua orang 99,9% identik, sekuens genom manusia pertama a, kimia, dan biologi. Bila sekuens FOKUS genomik utama bioinformatika \y ^ , dan bioki rnia higiy_ ^ gh^ut t l^h *yiemperluas 2003—Penentuan t rotl x e lengkap. r-.*«.moatv%MVpe.^3k\t- l se^ ‘ \ er namun DNA manusia mengandung sekitar 10 juta tempat a lv^rnem'vWVv ^ Vn 01 L adalah pengumpulan dan evaluasi data yang ada, bio ogi *^ '■j^So kuat perangkat »6 ‘ bi^‘P 'CMW^SS.VVCVSMSVVMlVU^OVVCV-aSV ^\\^b \^^ riset yang ters ^ ecjia b^i -ki; selesai lakl t 1 ,ona ^sebUt,auPTaAaannva^\pa\uW ' Aatv'mtnK d tfi ta V ^ ti meneli i an ^eng^gjj js keseh ji yang masing-masing berbeda hanya di satu basa nukleotida. s ata v^\V\»\KnxvL&soaxw\oVas\*itd^* ^ v $v °mputasional bersifat EKSPERIMEINZL dan eksploratif. Tujuan CDART Bersamaan dengan kemajuan-kemajuan ini, penentuan an d» E\^L <^ 9eoY^;' eS^V.Y J\ubun%anumbaVWWVWV\tVs V^'^&aa. tv^^tv^2\a. ^ •A)-^ anHU uAaW’ i ^,r Utarna T e m komputasional p a t - t e m p a t ini disebut single nucleotide polymorphisms (SNP). t\ Kmei '' '&«ncuii>— v—r / para ahli biologi adalah menggunakan sekuens genom ratusan organisme lain termasuk Haemophilus Ltvcet^^., makanan,^^aWdupm*^. i^.hr vano c„L^,m. Vii\ men e Conserved Domain Architecture Retrieval Tool (CDART)SNP adalah WwaX TOftTCJ^O^V a.^^^^.^kat ^ sebelumnya $ , A'. ^Ustai 1 \e& molekular yang ^ dilakukan. satudan pendekatan Tcol^ %Cnetlet^^otVm^un^Vam^^wu s Pen§etahuan tentang Salah sekuens struktur untuk protein mendeteksi yang ■si influenzae (1995), ragi (1996), Escherichia coli (1997), : •,aa° Menggunakan definisi domain dan catatan dariPerformance DATABASE CDD a at&S dalam biSm^emar»^)dnkan kita Caenorhabditis elegans (1998), Mycobacterium ^ Das'vetv’setW atauV^W'- jng epat untukChromatography mencari protein-protein yangatau memperlihatkan arsitektur rs ^a.vvVe.'revam^umcltitctbrtsc al \\c^ ^ e ka P (DHPLC, WAVE/DHPLC), suatu amaan meneliti i esi rib » ^RNA dan ,en 8oritme KOMPUTEV yang mampu MCMPEVKIRAKAN STVUKMr Po a ekspr uar tuberculosis 1a ' ca\a>P U »n jang Dfltobase^U^cowoVv^a, t^as^?. V ^ vVtus, bu\Vano\e^^akvtmuttVtot domain serupa—urutan sekuens domain-domain terkonservasi— varian HPLC yangFUNGSI dapat mendeteksi perbedaan satu(2000), Listeria monocytogenes (2001), versi ^ Vane disan^inya dengan men8gUtiaKa<\ teknologi ^ga-diinensi dan kemungkinan-kemungkinan suatu men. (1998), beras a^a\ne,a#nYanaI^^^va'petvrn^tvta^^W r yang mengisyaratkan fungsi dan asal evolusi serupa. CDART P °tein baru berdasarkan sekuens PNMCMYA . antara Perancangan ^nus--teio,pro^ sebU ^ me^e ^nVitatenm^maVhVuWvdu^^atvp p a s a n g a n b a s a di fragmen-fragmen DNA 750 pb dan proteom.ka. draft genom mencit dan tikus (2002), dan koronavirus & tei " VaXo^? ^can^WtvAankotnpWWvuaVVWV 0bac ■• denganmenggunakankomputermemanfaatkanstruktu menggunakan RPS-BLAST (Reverse- Position-Specific BLAST), j aks me erne cara P ,S yang nyaris identik. A-' Ua r lCaku anlalui aa 14 ^udahan in£ t sekuens 6s.o'oS eno(0 Qisrl ^;r *^>cnn , P ,n l/i ^ dimensi model molekul Ig yakniprotein suatu sebagai algoritme cepat yanguntuk mendeteksi letak SARS kemiripan (2003). 0 nya men urn aan :an u aS $ Jika rangkaian SNP yang terletak di kromosom yang organisme ^tiga % *1 So^^gdir .i ’ g pu "*l r‘5f domai*1 filogefi^t^, Archaea,PROSPER. Para t 6 . „ cara g ahli biologi komputasional yang a le lc L1,n 1 melalui jarak evolusi yang signifikan dengan menggunakan profil Dua kelompok berperan dalam penentuan sekuens ^ ar‘.a fi- ,if dlSe s un tme una >■ ^erk-, ■ kan dalam j in k,ni se sama diwariskan bersama-sama dalam blok, pola SNP di a * V d a n Euk y ' rtai akse tUl lgVi 8 c a , dang mengembangkan ALGORNMC YANG ^^erangkan er urnal yan ^^etvY ^,a Vvatusmetv^vdmAWtWw^V domain prote sensitif dan bukan menggunakan perbandmgan ; t: S dilacak Ol* ^ genom manusia. HUMAN GENOME SEQUENCING CONSORTIUM u v genom dan me aata ^“ruhan aktivitas METABOLIK yang berlangsung, DAL m r Xvi^ipulasi USan> l Van^^erasal dari " musaw,mas'u^^ t\V> A\/^ dan ^indahkan masing-masing blok disebut haplotipe. Dengan membandingkan , ^lsn0n ' ratu Us Hiasing-masi^ nV‘ J cV C Ua langsung sekuens, residu terhadap residu. Arsitektur domain b 1 ^arop^ set\^n> ^n\be\uwV\taVetaWv^arv^&san& sampa\V>e\^ ^ Jtp'p^ menerapkan penentuan sekuens SHOTGUN hierarkis. , h sel pada TINGKAC SISTEM atau global, e M Y ara-*^Ww. sekuens DNA W„.^U^^s-sekuens -Utn^ Sv. _ San,^„._ ,-ib'- \ W $ . »nI’, te, J..h Menyebabkan distribusi haplotipe dalam kelompok individu dengan atau tran5^rmasi besar patogen susunan at u bahan terhadap domain serupa.lain Karena mengandalkan profil kira-kira domain dansepanjang 100-200 kb dan disisipkan ke dalam Ut um teridentifikasi. protein-protein tersebut. Banyakn^'j\ diolah untuk dipahami, ^tuk genom manual t and»ng ^k^ nom fun pem > an s iens ge ^ ptomn-ptotem tetseWx,dau^ ^^^omeP450^ i 8sise n,akinkan para dapat ilmuwan melakukan mengidentifikasi yangbeker,a berkaitan dengan dan 0fmasi fungsional yang tercatat,SNP CDART cepatkromosom bersifatsifat selengkap da,' yanH mekanisme molekular yang h.Hiid, s cara Kare^ V artifisial bakteri (BACTERIAL ARTIFICIAL CHROMOSOME, ^esies yang f C ev °lusi sangat berbed^ c^)ah menjadi BIABY eksper83,1 mCT g /domain biologi KOMPUTASIONAL & nva> I nan, ^\u^oa& ^ . ^ A 9& WBptt v> fenotipe tertentu. Proses ini dapat dipermudah dengan Peri pei| informatif. mencakup catatan ^‘ngsional dan serta cara bagaimana gangRUan ^_ nya Uku 1—2% DNA men CANWIH INProfil STLTCOdomain , biologi p at ber una en 1 i 4 BAG). BAG kemudian diposisikan pada masing-masing sang ^ Untuk m 8 denti^K^ elemenberfokus pada Tag SNP, suatu subset suatu blok iiarapan untuk mempercepat laju nsec b,omSNP ed,sPedi dengan struktur tiga-dimensi. ncarian dapatyang manu^; genom yang Secara fungslon^I dan paying dalam berkaitan kromosom dengan mencari sekuens-sekuens penanda Pengc bangan terapi baru bagi patolog, manus.a. m dapat memberi tanda khusus can untuk haplotipe tertentu. Studi V> bentuk kehidupan. penelitian ^spek-aspek disempurnakan dengan taksonomi dengan memilih domain sekuens asam amino 1 orn yang dikenal sebagai SEQUENCE-TAGGED SITES (lokus-lokus ^ War biok^ * Paratif pemahaman terperinci tentang masing-masing regio seyogianya y a. Namun, 1—2% dH^ yang berkaitan. i . berbagai pfoses ^ Penerapan genomik pendek unik dengan pemeriksaaan PCR yang mengungkapkan varian-varian gen yang berperan dalam eleksi aktif dan ^ informasi n' tentang , proses "u n^ * len penyakit atau respons tertentu. Identifikasi tampakn)^ cakup0 sckoc*15. ltx 1 ap aNv e & Pe VAiXI 1— o - mi ^■— r cau^\\\ umuV. vuct\c >um\'>u\V.an Sen "^pat tentang makanan yang direk^Vasa secara
dan
vi»- " •**-
1
t
fO **
ti^syrr-" *»sy/J formatika
’
al adalah P ^ggu^\n susunan
°UloWa’ U^°,aV'
&en (batas ekso11 ^asilkan dari & n '^ gan murasi c i'ka dikerah111’ ^°limorfi.sine 11 Ll
93
94/ BAGIAN I: STRUKTUR & FUNGSI PROTEIN & ENZIM Namun, agaknya terdapat sedikit keraguan bahwa damn k pada praktik kedokteran di abad ke-21 akan menyamai
mengalahkan dampak penemuan patogenesis bakter' ^7 abad ke-19. '1 Pac*a
CDAR
mcn
X MMDB I
ganalis*,s •, •
dimc
AS1
^ protein Ur d°main dan
A
digunakan akan *•
FEREMS| Bioinformatika menggunakan komputer untuk ngumpulkan, menata, dan menganalisis data MtscW\,SY«»V.Bas\c\oca\a\\&nmcni biomed^" \mi\5-A03. Biologi komputasional menggunakan algoritmc k ^ fcvncW SC,^EUKunVc\ty.SystemsVmo\o^ E : 2Q04*,22*.\253• Wioiedmo\ puter untuk melakukan simulasi yang berfiinoi sekT • N«Urt R;'?Nwuie ^’Kunkel J Systems biology » gSl CattoWSB;Cicncucsarvdi\\cmakwg^ eksperimen “maya”. **»& Carroll Sft Wl 20°4;22-1253 Md Kemampuan komputer menyi„,pan dan *« making of Homo
Bioenergetika & Metabolisme Karbohidrat
struktur *
RINGKAS AN
& Lipid
RE
informasi memungkinkan para ilmuwan meno , Uliru Pq ^ data dalam jumlah sangat besar, misalnva cpU °ana‘,s>s UCns er dan struktur protein. S >om
Cl ^ ,. al: a . • •
\\ voo\-
} S(t
tv
^
pi',,s'
A
j
CoWmsYS«a\-.^vvstonfortV\efuture^^
A
berkembang melalui cara yang mirip dengan yang terjadi pada gen dan protein. Di sini diperlihatkan kata Inggris "P H Y S I O L O G I C A L " dalam beberapa bahasa. penyusunan ini memperlihatkan fitur-fitur yang terkonservasi. Keidentikan dengan kata dalam bahasa Inggris diperlihatkan dalam warna gelap; kemiripan bahasa diperlihatkan dalam warna terang. Algoritme penyusunan sekuens multipel ini mengidentifikasi huruf asam amino dan nukleotida yang terkonservasi dalam DNA, RNA, dan polipeptida secara analog.
Mol iV v0
.v>cS
Kemampuan melakukan pembandinean L a-' " W|tUli» R- IV, • 7‘N VAucpnmfortV\egenomiceta.Nature berbagai kelompok data menjadikan bioi„S“ D°oli^>ry2004^7™ OCVJCS VJnutnW.Wiomfotmaucs5ioo\s : Si suatu alat penting untuk mengidentifikasi A^ ««»Ur a . ‘579* 1 n tecs. Surgery domain protein dan mengungkapkan penyebab T ""- Kim ^ Scien„ ,™' ° 200A,\35:579. » lH multifaktor. Penyakit ** SvmWarammoaddsequences.C t)oo\\u\e' RF-. BLAST digunakan untuk MEMBANDINRK wccstry>Sc\cucc\%\-2\A-.\A4). m sekuens pendek pada protein dan asam ni u" Se^Uens' }VV.WmfotmatksandaenomicmccV^" Entrez Gene dan HapMap digu^U^’ ^•A-.G2S. KoonmV-Vr\. mengidentifikasi polimorfisme nukleotid 3 * Untu^ mungkin berperan dalam penyakit. tUn8gal yan^
x
BAGIAN II
\\\^ vl
"
11
Bioenergetika: Peran ATP
Molecular Modeling Database & Cn3D
Kathleen M. Botham, PhD, DSc & Peter A. Mayes, PhD, DSc
Struktur tiga-dimensi lebih dari 28.000 protein dan polinukleotida tersimpan dalam Molecular Modeling Database (MMDB). Berkas untuk setiap struktur dikaitkan dengan kutipan bibliografi yang relevan, klasifikasi taksonomik, serta sekuens dan struktur sekitar di DATABASE NCBI yang lain. Struktur dapat diperoleh dengan KATA KUNCI, misalnya nama enzim;. dengan SEKUENS PROTEIN, atau dengan SEKUENS NUKLEOTIDA. Struktur kemudian dapat untuk melakukan kerja—yi.dan energi yang bermanfaat yang juga dilihat, diputar, dimanipulasi dengan menggunakan Cn3D, dikenal sebagai potensial kimia. yakni suatu perangkat lunak gratis untuk melihat struktur tigadimensi yang dapat diakses dari Entrez melalui DOWNLOAD. Cn3D Sistemsecara Biologis Mengikuti Hukum bersamaan memperlihatkan struktur, sekuens, dan Dasar penyusunan, Termodinamika serta memiliki fitur untuk mengedit pencatatan dan penyusunan. Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi total suatu sistem, termasuk sekitarnya, tetap konstan. VAST Hal ini mengisyaratkan baliwa di dalam sistem total, energi tidak hilang atau bertambah selama perubahan. Namun, energi dapat Algoritme komputer VAST (Vector Alignment Search Tool) dipindahkan dari satu bagian sistem kc bagian lain atau diubah mengidentifikasi “tetangga” struktural suatu protein seperti menjadi bentuk energi lain. Pada sistem hidup, energi kimia ditentukan oleh serangkaian koordinat tiga-dimensi yang dapat diubah menjadi panas atau menjadi energi listrik, radiasi, diberikan oleh pemakai. Karena “tetangga” struktural atau mekanis. prakomputasi untuk protein yang sudah ada di MMDB dapat Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi diakses melalui ENTREZ, VAST digunakan untuk mengidentifikasi total suatu sistem harus meningkat jika suatu proses terjadi secara tetangga’ struktur protein yang belum terdapat di MMDB. spontan. Entropi adalah tingkat kekacauan atau ketidakteraturan sistem dan menjadi maksimal sewaktu mendekati keseimbangan. KESIMPULAN Dalam kondisi suhu dan tekanan yang konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (AG) suatu sistem yang bereaksi dan Bidang bioinformatika dan biologi komputasional yang perubahan entropi (AS) dinyatakan oleh persamaan berikut yang berkembang pesat memberi harapan besar bagi masa depan ilmu menggabungkan kedua hukum termodinamika: kedokteran dan biologi dasar. Sebagian harapan saat ini sudah dapat dilihat dengan jelas, sementara yang lain masih samarsamar, dan yang lain lagi belum terbayangkan.
c°r ‘'
c
co ..0L Cci'cl I-ROH
*G%imMY*. S E Q U E N C E ^ 1 1 0 „ H L ,°mfta,ioiwlApproachto C O M P N R A U V F ^«vkVu\i\\sWts,2003. ^ CL A'
11 1
' ’’
PERAN BIOMEDIS
B\o\2003\\3,.570.
,. VifI vv
Bioenergetika atau cermodinamika biokimia adalah ilmu tentang perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia. Sistem biologis pada dasarnya bersifat isotermik dan menggunakan energi kimia untuk menjalankan proses-pioses kehidupan. Bagaimana seekor hewan memperoleh bahan bakar yang sesuai dari makanannya untuk menghasilkan energi ini adalah hal mendasar untuk memahami nutrisi dan Metabolisme normal. Kemadan akibat kelaparan teijadi jika cadangan energi yang tersedia habis, dan bentuk-bentuk tertentu malnutrisi berkaitan dengan ketidakseimbangan energi (marasmus). Hormon droid mengontrol laju pembebasan energi (laju metabolik), dan jika terjadi nialfungsi hormon tersebut, penyakit akan dmbul. Kelebihan s,mpanan energi menyebabkan obesitas, salah satu penyakit terse
ring di masyarakac Barat.
°ALAM SUATU SISTEM, ENERGI BEBAS ADALAH ENERGI YANG BERMANFAAT ^rubahan energi bebas Gibbs (AG) adalah bagian dari Perubahan energi total dalam suatu sistem yang tersedia
95
BAB
96
97
/
memasukkan senyawa^bart‘
dengan penguraian molekul organik kompleks dalam lingkungan organisme tersebut. Pada semua organisme in., ATP berperan sentral dalam pemindahan energi bebas dari proses eksergonik ke proses endergonik (Gambar 11-3). ATP adalah suatu nukleosida trifosfat yang mengandung adenin, ribosa, dan tiga gugus fosfat. Dalam reaks.-reaksinya di dalam sel, senyawa ini berfungsi sebagai kompleks Mg' (Gambar 11-4). Pentingnya fosfat dalam metabolisme perantara mula. tampak jelas dengan ditemukannya peran ATP, adenosin difosfat (ADP), dan fosfat anorganik (P,) dalam glikolisis
^^S^,3).VunrUneb^
(Bab 18).
AG = AH - TAS dengan AH adalah perubahan entalpi (panasi A, T . oleh kehil,
lk A- A .•
suau,
1 bla,n
■ P^J suatu proscskha;"sd*m bcn.uk bcnmk ---------panas. Hal,..'
h
srr;“;ri —-its: r SffE* “*
-*a
e 1c,Cr
'
gonik
,:inp0,!Cn
dari
*wcm
gabungan
CWHL
fc-it r’“
°' = -RT In K'
MEMPERCEPAR ^PAINYA KESEIMB^
1
. ersatna oklr / HroSCs !>*» ."'. Unu,k
dengan R adalah konstanta gas dan T
konsentrasi berbagai reaktan, terma | 8 ntu 3Su|< ion, dan protein. pelarut ^ Pada Dalam suatu sistem biokimia
teaksi dehidtogenasi dengan hidrogcnasi
gonik. R P c ^ u l ) a h a n netto keselurubann)* ^
Umum ' C ekc'8°nik discb'» kataboli*"**^ 3 oksi iika An diperoleh; yi. reaksi bersifat e„derg„nikjJ ^ dapat I" . ’g diperlihukm di J berukuran besar, sistem ini stabil den,, ain itu Ar d,scrtai i , ri kiri L-,. i njlKan ll1 ,u:in kecenderungan terjadinya reaksi. Jika AC ^ 3 t a u tanDa S a t l > n i c k 1 hilangnv, . Pms'cs kc dalam keseimbangan dan tidak terjadi n "l embera5 tCrdann an,SrT»c pCll '' , tncrg1 bebas sebagai P\ i, ^ Jika reaktan-reaktan terdaPA^ ^ ^ mungkin ^ / mol/L, AGn adalah perubahan energi^ i n *** yi.. U) obWik yang ikiU ^ reaksibiokimia,keadaanstandar A\A r staniliki "1515 W CrS°nik dan endcrgo'1''. ^ eq Un . ' S dari SHme^me i"u8 dcn6»" cara ini.
r a
Penggabungan
oleh suatu pembawa perantara.
ekscr
AG = AE-TAS
: <; ° mem 11 arcna /at antara -
M? (D> C,'1'U'nBkinl™n laju penia^11 nfu* *3 ' 'cncl"'^*!mkan kliu laju o’ksida, A f ^ Ukan la
i“ oksidasi A n J ^cA, a, >r>«orik > ' ini nLmbcri d^r
atau zat antara berenergi-tingg , & rATP) Gambar 11-3) adalah adenosin trifosfat (All
FOSFAT BERENERGI-T1NGGI B^ERAN SENTRAL DALAM PENGAMB11AN DAN PEMINDAHAN ENERGI
linekuneannva. Organisme AUT
nrnses kehidupan, semua rgi bebas dari organisme memanfaatkan
ene
erei sinar
pn
1, I SINAR proses-proses eksergonik seaer < ‘ > pe2,__^pe3* (beberapa matahari (tanaman hijau), rea^ trofik memperoleh BAKTERI). DI PIHAK LAIN, organisme te metabolismenya energi bebas dengan menggabungK.
• Uasan konsep PL
MISALNYA ENERG
PROSES ENDERGON1K BER.»
DENGAN MENGAITKANNvf EKSERGOM1K
^>5£nike"£tn^ suatu proses ^ vA..
R
^*tS”wa
e
str^:sd-
Energi bebas standar pada hidrolisis sejumlah fosfat yang secara biokimiawi penting diperlihatkan di Tabel 11-1. Perkiraan kecenderungan komparatif masing-masing gugus fosfat berpindah ke akseptor yang sesuai dapat diperoleh dan AG 0' hidrolisis pada suhu 37 °C. Nilai untuk hidrolisis fosfat terminal pada ATP membagi daftar menjadi dua kelompok. FOSFAT BERENERGI-RENDAH YANG diwakili oleh ESTER fosfat YANG ditemukan pada zat-zat antara glikolisis, memiliki nilai AG° yang lebih kecil daripada nilai ATP, sementara PADA FOSFAT BERENERGI-TINGGI nilainya lebih besar daripada nilai ATP. Komponen kelompok fosfat berenergi-tinggi ini, termasuk ATP, biasanya berupa anhidrida (misalnya 1-iosfat pada 3 -bisfosfogliserat), enolfosfat (misalnya fosfoenolpiruvat), dan FOSFOGUANIDIN (misalnya kreatin fosfat, arginin fosfat). Posisi perantara ATP memungkinkan senyawa ini berperan penting dalam pemindahan energi. Perubahan energi bebas yang tinggi pada hidrolisis ATP disebabkan oleh terbebasnya daya tolak muatan atom-atom oksigen bermuatan negatif yang berdekatan dan stabilisasi produk-produk reaksi,
d
KE
°SES Proses-proses vital—misalnya r I ■ otot, hantaran impuls saraf, tran ^ S‘ntesis energi melalui kererkaitan kimia?“r aktif~_’ *to0traL . COUPLING, dengan reaksi oksidatif. n ^ t^HlI paling sederhana, ripe Pengaitan/p^be„ >), J * diperlihatkan, seperti di Gambar 11 e8abun&) Sj ya U A menjadi metabolit B terjadi diserB1 ' tHalla"‘ l,li dan dikaitkan dengan reaksi lain P ePasan , Xb^ bebas untuk mengubah metabolit P D. Digunakan istilah eksergonik >
Nilai Intermedia untuk Energi Bebas Hidrolisis ATP Memiliki Makna Bioenergetik Penting
o"O-P-O-P-O-P-O-CH, o , ............... o o o ............... cr
G A M B A R 11- 4 . Adenosin trifosfat (ATP) yang diperlihatkan sebagai suatu kompleks magnesium. ADP membentuk kompleks serupa dengan Mg2*.
BAB 1 1: BIOENERGETIKA: PERAN ATP /
99
'BOLISME KAF hidrolisis secara biokimia’
H
Fosfoenolpiruval 1,3-Bisfosfogliserat
\ — NH ■<
1 ADP ATP C H f (AG =-12.6 kJ/mol) |
kkal/rri0|
I
—N
H C —N Kreatin ^(P)
-12,3 ; -11,8
C —NH
/
SuksinilKoA
: *14,8
KREA TIN KINASE 1 H f ^ H.N KINA
CH coo_
cooAdonosm-,
Kreatin
Kreatin fosfat
Adonosin
G A M B A R 11- 7 . Pemindahan fosfat berenergi-tinggi antara ATP dan kreatin , (p)------► Glukosa 6-fosfat ''^Fosforilasi. aktivasi, dan proses a,a
u Adenosin
AdQ
Glukosa endergonik lain
1,6-bisfosfat
nosin c*
^onosin
Gliserol 3-fosfat
berlangsung dalam reaksi yang sangat eksergonik dan bersifat ireversibel dalam kondisi fisiologis. Banyak reaksi “aktivasi” mengikuti pola ini.
Cambar 71-6. Peran siklus ATP/ADP dalam pemindahan fosfat berenergi-
Adenilil Kinase (Miokinase) Saling Mengonversi Adenin Nukleotida
tinggi
Enzim ini terdapat di sebagian besar sel dan mengatalisis reaksi berikut:
tinggi, konsentrasi ATP dapat meningkat iuntulk ^A'ngs‘ sebagai simpapan fosfat berenergt-tmgg■/ ( am ^ un£uk Jika ATP berfungsi sebagai dono membentuk senyawa-senyawa “j,8' gus fosfat LEBIH rendah pada hidrolisis (Iabc HAMPIR selain diubah menjadi gugus dengan cnc Y contohnya,
emUn Reak^ ®k,nkan Pen99a^un9an Me S* ^an9 Secara Termodinamis Kurang
9untungkan dengan Reaksi yang n 9untungkan n
S 0, asi
^ ^ glukosa-menjadi glukosa 6-fosfat, yaitu reaksi
^
tania
1:1
pada glikolisis (Gambar 18-2), sangat endergonik
r dapat
^. berlangsung, reaksi harus digabungkan dengan ■
Hal ini memungkinkan: (1) Fosfat berenergi-tinggi dalam ADP digunakan dalam pembentukan ATP. (2) AMP yang dibentuk sebagai hasil beberapa reaksi aktivasi yang melibatkan ATP, diperoleh kembali melalui refosforilasi menjadi ADP. (3) Peningkatan konsentrasi AMP jika ATP berkurang dan memungkinkan AMP berfungsi sebagai sinyal metabolik (alosterik) untuk meningkatkan laju reaksi katabolik yang pada gilirannya menghasilkan lebih banyak ATP (Bab 20).
Ketika ATP Membentuk AMP, Pirofosfat Anorganik (PP,) Dihasilkan ATP juga dapat dihidrolisis secara langsung menjadi AMP, disertai pembebasan PP. (Tabel 11-1). Hal ini terjadi, sebagai contoh, pada aktivasi asam lemak rantai-panjang (Bab 22):
dak dapar berlangsung dalam kondisi fisiologis. (1) Glukosa + P. ->Glukosa 6-fosfat + H.O (AG°'= +13,8 kJ/mol)
IO fo
sfat terminal ATP. (2) ATP->ADP + P (AG(y = -30,5 kJ/mol)
2 ADP
ASIL-KoA SINTETASE ATP
+
CoA • SH + R • COOH AMP + PP + R • CO — SCoA
Reaksi ini disertai oleh hilangnya energi bebas sebagai panas, yang memastikan bahwa reaksi aktivasi akan berjalan ke kanan; dan dibantu lebih lanjut oleh pemecahan hidrolitik PP., yang dikatalisis oleh PIROFOSFATASE anorganik, suatu reaksi yang memiliki AG° besar (-19,2 kJ/mol). Perhatikan
BAB 12: OKSIDASI BIOLOGIS / 103
102 /
BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME & LIPID
R
1 00 / BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT
KARBOHIDRAT
’ Van8 penting
pada sistem oksidasi mamalia
ENASE T,DAK DAPAT MENgg?im rb\ & LIPID
Oksidasi Biologis
SE
Tabel 12-1. Beberapa potensial redoks
H*/H2 HC
NAD'/NADH
. . ^seiumlahk lnt mc laksanaifUa ' .f CSarBSicn/,m dalam kcl. ll) Mc u,ama:
Lipoat, oks/red
r*
Oksaloasetat/malat
ADP £ >J®!^" koenzim n.-mbasv.J + Nukleosida <0cn? i im Karena i
Fumarat/suksinat. Sitokrom b; Fe3,/Fe2*
Sub "
RING
Sitokrom a; Fe3*/Fe2+ Oksigen/air
ln^'l
w0u •.
dalam sci. Reaksi jo’ ujif
KASAN S
tin8 a ksida >5* V"1* s■ir . ^ pr«,scs ‘> t» Sls P cs, cn sc
istem b
(GT k °* ^ ’ contohnya
1 ^jalankan dari vitamin RIBOFLAVIN (Bab 44). FMN I berikatan sccara erat, tetapi bukan I*'1 1^ bi bahwa aktivasi melalui jalur pirofosf hilangnya dua - P dan bukan satu, se^r^^kiii ketika terbentuk ADP masing-masing. dan P.. protein apoenz.m u
ara
1
3
iasan>ya kovak —“yu
yang terjadi flav
mengandung satu atau lebih logam seh-,„ • i ° °Prorf/ Contoh enzim flavoprotein antara lain ada! ^°fakt0r esenSM PIROFOSFATASE ANORGANIK 854,11 OKSIDASE, suatu enzim terkait-FMN yan kantf* ' PP, + H 0 dengan spesifisitas umum untuk deamhf di J**. Kombinasi asam L-amino dari reaksi-reaksi alami; XANTIN di atas OKSIDASE m ’ dapat T 0 (didaur-ulang W asa 1 0 molibdenum dan berperan penting daj g ^nganj m' ertukarka dan adenin nuk^t !!^ * (Gambar 11-8). purin menjadi asam urat (Bab 33); da am Perubahan u"^ Penti hewan urikotelik (Bab 28); dan aldehiT n& S Nukleosida Trifosfat Lain8^Ikut 6rta dehid mengandung molibdenum dan besi NZU ^alia, suatu enzim terkait-FAD yang terdapar A: ?Ro,. *o*en dalam Pemindahan Fosfat Se rer, pada substrat aldehida dan N-her^ ergi.Tj rta k oksidasi dannukleosida reduksi enzim-e *• ^ Melalui enzim difosfatnzim kinase CTP dapat disintesis dari difosfatnya, ^ ^ tlda^ah ^ Bukti mengisyaratkan adanva r„„i.'a diperlihatkan di Gambar 12- y reaksi Se pc rti ;
KSI
NUKLEOSID A AH2 DIFOSFAT % a AH. (Red) ATP+UDP
0
OKSIDASE
WfosfM)
Semua trifosfat ini ikut serta dalam Demikian juga, berbagai H.,0
mo,,
Gambar 12-1. Oksidasi suatu metabolil r,k5idase yang (A) membentuk Hfi, dan
pr
mcn
88
at
Gambar 11-8. Siklus fosfat dan pertukaran adenin nukl
elektron dan reduksi sebagai p c i n a a k S C p t o r elektron. itu, oksidasi selalu disertai o <, Miserol-3-fosfat dehidrogenase 1 ,. i sistem biokimia KoA dehidrogenase, dan giis pereduksi langsung Prinsip oksidasi-reduksi miejuga ^^ mendasari pemahaman mitokondria memindah can (Gambar 13-5)- Peran dan merupakan konsep penting yangb^^ baliwa banyak dari substrat ke rantai respiraton_ ajaiah pada reaksi lain dehidrogenase tentang sifat oksidasi bio ogis. partisipasi oksigen depenc.cn dehidrogenase) lipoat oksidasi biologis berlangsung ‘ Kehidupan hewan molekular, dchidrogenasi (oleh dihldroUpoi foilasi oksidatif misalnya dehidrogem • kan 0ksigen U a tereduksi, zat antara ^ £ ^ 1 3 dalam - 5 dan 18-5). tingkat-tinggi bergantung ™ suatu *. mpero lch energi untuk piruvat dan a-ketoglutarat adalah dengan suatu pembawa respirasi, yaitu proses sc oksigen Flavoprotein pemindah ee “°".drogcnilsc dan rantaidapat bentuk ATP dari reaksi terkendal. Secara kimiawi, oksidasi Ji^rinisi^StCStre'™
atom besi yang berubah-u a oksidasi dan reduksi. Kecualk ‘
B ot nt l Ur fterrcy i1°pia’)’s Wit.x, °lisi oksidatif 111 r ph°sphate C°\ 3 's , . A aii99 Sc Um siklus asan 1287 entropy Pcrti b-^oril \ ma^-i £;i ^5
^ oksidase (tc ai ini
PERUBAHAN dijelaskan sebelumnya),ENERGJ enzim go
diklasifikasikan res
piratorik, enzim
sebagai Dalam r ^Udgai ucmuiu^. nembawaelekrron dart BE dehidrogenase. DAPAT enzim ini •berperan sebaga sebagai pem Gksidase di p>ia : 1 npron di pihak DINYATAKAN DAIAM da n flavoprotein di satu Pih?k . rkrom diketahui terdapar
POTENSIAL RED.«*» lain (Gambar 13-5). Beberapa
^ dan 4, + a, ksidasi dan reduksi, Dalam reaksi yang melibatkan o«t ^ kecenderungan l (sitokrom oksidase). ^ito^r°^.,Usetar ^roiri P450 dan bj, dan c > perubahan energi bebas (sit° ^enerirna elektron. Oe reaktan is. retikul’um endoplasma ’^itokondi hoanhydrideb^ J ■ :a, mendonasikan atau ^ energi bebas a am 1a l i dalam sinteS",S ^ sel tumbuhan, bakteri, dan S ' h H er ^iSDA -V,.; , sebab itu, selain menyatakan P g sama kita dapat dan sintesis H Bio'»er0 y °f Bioenergft**’ 1 KL; J BH, pembawa bentuk AG° (Bab H), potensial redoks d jalur ‘ Pentosa f°s (Red n el menyatakannya suatu sistem atau ) oksidasiAH secara ^ nSial redoks (Ok s) (Red reduksi (E. ), potensial elektro a 0 V,n Der ) 9Qmuog (E0) biasanya dibandingkan Namun> untuk sistem and decarboxyla'^' J/ hidrogen (0,0 volt pada pi ►.pembawadinyatakan pada^pH H2" Ji biologis, potensial redoks " da hidrogen sebcsar , 7,0, dengan pH ■Ov. (Ok s) ----------(Red) HSSsebagian ROGE^! potensial cle sistem redoks H ‘oils IDROGENASE LpESlFlKUyiy^ E . Acad^' nergetks DEHIurv -----V, volt. Beberapa potensial redo Ua diperlihatkan di Tabe SPEStFlKUNiy*^ abo.it yang cHMa«* °> yang penting pada blokim‘V£s daiam tabel memung m an 12-1. Posisi °eri cs Gambar 12-3. er relatif sistem red Oksidasi suatu met dari satu rangkaia mi - Elsevier, 2003Pasangan dehidrogenase. kita memperkirakan aiah a i redoks lainnya. reaksi 5 %.;‘ Hi^ (at au ke) rantai xL'\\^ redoks ke rangkaian re d
dalam rantai respiratorik, y»- s|to' ,ltemUkan di lokasi lain,
ch
Vane oleh
t'Crk i n , ^Keria seu*»&* ^ ya1g
leh T komPonen' bi>r V
“ngg, (Gan> e, »at dehidroge
lts,
O
■ (H- + e)
'j"' dukt^c dan diklasifikasikan menpd. empat
PERAN B80MEDIS
nc aiif perantara asu-t^ respiratorik I untukantara membentuk air. Selain it ^an[Uan enzim yang u-nDak* PenamK B ). Reaksi <■ JO 0/ ler an cncr bcbas (A ^^no-SeBergantuog P< )adi -I B‘ \ $ ' J»ka ATp^ik. (Gambar 13-5). u.gammgkan uctr . bergabung dengan berbagai zat a ATp .... dan karsinogen digabtmgkan • scl Scb agai « , disebut oksigenase; banyak obat ^ . kelas ; yang N Sitokrom Juga Dapat Dianggap Se ^ den niClll'nd iM. ^ tu^ar energi (ent’tp11 \ & • kimia (xenobiotik) dimetabo i. pemberian oksigen f« atau „iko«in»«*.^ sf>t n Cr an Cn U (NAD P°tenc^? >crpi ergi bebas yang cdikenal Dehidrogenase sebagai sistem sito croin pasien si dengan penanganan f >kd P')--ata,, ati s Sitokrom adalah hemoprotein yang meng? 1) «bstr, ""anim Hiasin (Bah 44). selama dapat menyelamatkan REfed e^'M^'^ike-tdcng 2 i i. ..kob antara i ^ _ /rouh '4° ” i'Hn "Stor ,SPeSifik dcliidrogc'’ b#f J dengan kegagalan pernapasc RE NdSs' yang sesua, (^'V oitoKromaaaianncni^r*” * . pe’ uan ,, NSI
" ^ Tk Uk bCna dal,,.YdaU. si rt.>i sc tcrkair-I' J mq ^
H
Enzim yang berperan dalam oksidasi dan reduksi disebut
, ,22 oksidoreduksi cincin isoaloksazin Gambar 122. u , scmikuinon (radiKai
Ko
M s
“ DSC
12
HC
dalam nukleotida flavin melalui zat antara
saln a !1evcrsibenUif y kinase NAH f3 reaksi 1,1 Jii at. Wiusus. ’ adcni111 suatu monof°s ‘^ n CmUadalah VKarena ^^U ^fatl ' lli "Bkinkant 'k“' 'lltn s^ i oc‘ J 8killls 1
Ubikuinon; oks/red Sitokrom
nukleosida °Sf°rilasi
51 (H‘ + e)
3) - Dchidroe ^bungan MONOFOSFAT t.ksidasi-rcduks' t ,fi< ATPmi spcsifik untuk KINASEsui,strain SPESIFIK <|
Piruvat/laktat
N
M. B*», « S P*“ A'
1 is mi. In/" kc A
I• mind"li u" a NUKLEOSIDA '" dalam $Uat |nlu(lrogcn dari satu substrat
Asetoasetat/3-hidroksibutirat
t
NH
HC
Sistem
.O
kelompok:oksidase, dehidrogenase, hidropcrok^.dase, HIDROPEROKSIDASE MENGGUNAKAN dan oksigenase.
HIDROGEN! PEROECS11IDA OKSIDASE MENGGUNAKAN ISuPEROKSlDA ORGAN1K SEBAGAI OKSIGEN SUBSTRAT ?EBASA1 AKSEPTOR HIDROGEN
Enzim ini menghasilkan air atau h.drogen peroksida produk reaks, (Gambar peroks'da yasebagai gb bcbas12-1). yang pada
Sebagian Oksidase Mengandung Tembaga Sitokrom oksidase adalah suatu aterosklerosis (Lihat Bab 15 dan 44). hemoprotein yang terdistribusi luas dalam banyak jaringan, memiliki gugus Pproksidase Peroksido oroetik heme Mereduksi tipikal, dan terdapatdengan d, m.oglobn hemoglobin dan sitokrom lainAkseptor (Bab 6). Elektron Enzim m, adalah Menggunakan Berbagai komponen terminal pada rantai respiratorik yang terdapat Peroksidase ditemukan dalam susu dan di leukostt, bnsit dan iaringan lain di mitokondria dan memindahkan elektron yang terbentuk yang terlibat dalam metabolisme riteanoid (Bab 23). Gugus prostetik adalah tr- rotoheme Oksidasi molekul substrat oleh dehidrogenase ke akseptor P n oJam reaksi yang dikatalisis oleh peroks.dase, h.drogen neroksida Sirnya. yaitu oksigen. Enzim ini diracun. oleh karbon mengalami reduksi dengan mengorbankan beberapa bahan yang akan monoksida, sianida,' dan hidrogen sulfida. Enzim mi )uga berlaku sebagai akseptor elektron, misalnya askorbat, kuinon, dan sitokrom dinamai “sitokrom Sekarang diketahui bahwa sitokrom c. Reaksi yang dikatalisis oleh peroksidase tidaklah sederhana, tetapi reaksi „ dan a berkombinasi dalam satu protein tunggal, dan keseluruhan adalah sebagai berikut; kompleks enzim sitokrom oksidase dikenal sebaga, sitokrom ** Kompleks ini mengandung dua molekul heme, masing masing memiliki satu atom Fe yang berpindah-pmdah antara Fe3* dan Fe2* sewaktu oksidasi dan reduksi. Selain itu, terdapat dua atom Cu yang masing-masing. berikatan dengan satu unit heme. PEROKSIDASE
2H.O +A Oksidase Adalah Plavoproftem H.OLainnya + AH,
Enzim flavoprotein mengandung Bavin mo no nukleotida (FMN) Di eritrosit dan jaringan lain, enzim glutation peroks^' tetik yang atau flavin adenin dinukleotida (FAD) soagai gugus prostetik. mengandung selenium sebagai gugus [ mengatalisis destruksi hidro e dibentuk kslda P FMN dan FAD dalam tubuh H 0 dan P ^° melalui konversi glutation tereduksi 2 2 id asi menjadi tero sehingga lipid membran dan hemoglobin terlmdung oksidasi oleh peroksida (Bab 21). ♦Istilah
"oksidase"
kadang
digunakan
secara
koloklif
untuk
nu'W^kon semua enzim yang mengatalisis reaksi yang melibatkan o -sig*-'1 mo
BAB 12: OKSIDASI BIOLOGIS / 105
104/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID CN106
/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDR
radikal-bebas (Bab 15). Pembentukan superoksida terbe aanoksigen ukmSci. di u» jaringan jauugdu uan »nya a-tokofi.r«l. dari dan weneradaan keberadaansuDernU;,) sup^ a-,ok„fao| (v„ dismutase, yaitu enzim yang bertanggung j „ f <«W*» G T R ) „d:. . '1 Wavn... . awab dismutase, yaitu enzim vans bertnn
itamin K), lxkci|.i 11,1 I >•
Cyt P450 •
Flavoprot
NADPH-
,,Maa
1
ein
Peroksidasi lipid Heme oksigenase
.
r.mu ^ mcn&M
transpor elektron di Gambar
12-5.
mikrosom. Sian
ida (CN ) menghambat tahap yang
Rantai
ditandai.
oksidasi(hib*1 h,0'°8's* scPcrn Pltla 1)1
*
Hiciroksilasi
- r s:t™»
^^ 22 dan 17) .erdapat_ d tom m pcreduksi PERAN BIOMEDIS 0ksidor ek eduktalCktr°n • *i d; ada di tempat pe WGambarl2-5),yan . Selainrespiratorik itu. sistem di(ginjal bela dengan■rantai RESP yang RY mengatalisis a- 18). ^ NADPH mendonasikan scna 25okap jauH lebih gPbanyak mctab tertentu yang mengatalisis reaksi. Sisa hidrogen olUmc C, mc,lliliki lHrbag.u lu,%.rp‘ hidrol«ikolekalsiferol dalam mereduksi berbagai sitokrom int . jam suatu rangkaian mam mengumpulkan dan “1?"^ menuju reaksi akhir dari pasangan Organisme aerob P“ "^"“torik daripada organisme PCniin ,dasc Enz - Flavin - H,hidrogen + O, -> yang Enz -dikeluarkan Flavin-H +dari r»dan 24-h.droks.to pada «n 7a.hidroUsilase g dal, dan dclmlro^n.isc U gilirannya dioksidasi oleh sub^rat bagai siklus substrat tetap bebas sebagai ion hidrogen. 2* H* energi bebas dalam subst P berlangsung di dalam mengarahkan enzim ^ dan komponen tubu f( Spirasi daTl’teroTzy-hidtoksilase yang berperan dalam biosintesis asam Kdari C ; > Hidropcioksul.i^ reaksi enzimatik yang secara ko <: U.^roSom hati, sitokrom hidroksilase Superoksida dapat mereduksi sitokrom c T , \ •. lLr anaerob. Sebagian1 besar proses „ HOUSE" (“pabr.k r an olch radikal lubas; d 1 0Ksidasi empedu di hati (Bab 26)-adalah enzim 1 450. (Gambar 1 2-6). I j dan memiliki P450 ditemukan bersama dengan tronl • r^niarai ?? ' " °' * 0 T+ » Sitc(W1->01 + atc(W)) mitokondria yang peran disebut sebagdctoksili^asi. r pembentukan zat ,arinEan tcr, 7oksil«si oh.u dan steroidsite . ^ minopirin, penting dalam «^ , j hidroksilasi en a arn scb sebagai fosfat berenergi-tinggi. abka„ oil!!, ® +***& energi”) sel.morfin, Respiras! . ^ fosforilasi oks.datif. lebih mudah. yTng dihasilkan anilin, dan1digabung benzamletanun atau dihilangkan oleh superoksida dismutase SUPEROKS1DA D1SMUTASE allu Katalase Menggunakan ***** antaraberenergi-lingg" -y u: (misa nya 3 tal) dan racun sehingga kelarutan dan ekskresmy -jj^j kemampuan Terkandung D„nln: Pesoiratorik MEUNDUNG1 ORGANISME Sejumlah OBAT (misalnya amobax ,umbat fosforilasi Hidrogen Peroksida ismmasc ***, (jlu ’ Banyak obat seperti fenobarbital n-n,l ^ ROKSIDA’ Sebagai Donor'SUPEElektron & AEROB DARI TOKSISITAS sianida. karbon BEBERAPA kelainan -°Qn U ,akt^ ln Cell( r„ ok. ‘ xVBcn activation and i'1L P1SMUTA untuk menginduksi pembentu
SUai
Uaksen,n^n',a^c^ron) sel.ilu discru'(’c
M
se
ERT
tZS&SSZZ i-rr*. -*
7
Dalam reaksi ini, superoksida berfungsi seb golongan inisebab juga itu, mampu menggunakan reduktan. Oleh superoksida disC ^ satu n ’
*
ClU m
‘ 1sebagai Di ksi ° 9e sebagai berikut substrat atauaerob donor elektron da e'cu'Hp lainnya sebagaimeloksidan organisme dari efek superoksidT^ Nun "atau akseptor elekti merugikan. Enzim ini terdapat di Sem ^ berpot g°ksi9e^199abungkan ‘^olekul Hp^2 utama di mitokondria dan sitosol ^r‘nRan ******* °lekul°r ke dalam ^ KATALASE Pcrl , atlQ , ,l, c van sitosol. MPC ihnrl ap„ . M,r . ySt.A„. oleh.....-------—100% oksio-pnrlol-,— 'pUri rftL; „_ '~ . “gan b tka d DA: PUn ter U Rcv '' 'baWah: 2H.O hewan oleh 100% oksigendalam atm0sf PajaJ ' ^ 2H.0? +, ni m Va la ,X1C01 l,u °h ^ + o peningkatan adaptif superoksida dism.,^ enyek-k, v,. , V.H T ' ^ C S » , “ “ lls A, itu,U (0W Padanamun kebanyakan t- m fU paru-paru, pajanankondisi berkePainnjavivo , ^ Cera^Uta &r “ (’2l^“Ance: >CCnCSenz° ‘ M“
/
per hom 1 katalaseparu-paru tampaknya cenderung kerusakan danlebih kematian ^ * V R°ksida .Sson s£ »5. ^ ogentisat d»° tCr,a S n E,,ER ET CS ba ditemukan dalam darah, sumsum tulanP ^- Kagai ta| ^ anrLi an j_-an,, & ‘ ' i-lsevier. 20‘>3- . R, ir ° 'U‘° ?o() Tl “"aag
S,m mk n mul
' ^muC ^ ginjal, dan hat.. Fungsinya diduga mengL ,
'gan d M^' P'ro
ncr
1
dan mikrosom serta xantin oksidase harUs j°n S
' tri r/0w
29- triptofan Health itnd l)r J
-
L
5^ "S 1 ■ y5
Pertimb ^
an
Bkan
men a
i „
A.H &Ur>g. ^tfon atau kosub*'
OKSIGENASE MENGATALISK PEMINDAHAN LANGSUHQ a IPENGGABUINiGAINI OKSIGSK. BCE DALAM SUATU MOUKUI sUfcs
A Si
H- °!+?H,^A
,.^ + Z ,di ^ (J)
Oksigenase berhubungan dengan sintesi berbagai jenis metabolit. Enzim gol0n 'S ata^ pCn penggabungan oksigen ke dalam suacV 'ni
A
'“ASrv
-OH + HP
°lck
*5
isis
St
r:
at
S
't ok y^
ro
• '%np , >etf
dipindahkan
NADH
ke
koenzin
Jg
III), yang memindahkan eWf°"
nuntaskan
^Q^
rantai ini dengan memindahkan elek - I > P450-Amenyebabkan elektron tersebut tereduks H I Beberapa (Gambar 13-3). Fe‘ lebih positif daripada N A yang suksinat) menyalurkan elektron U ^ , J suksinat 2Fe,S, '
Q
reduktase
.. I lnya
(misa
D
^ bukan
(KompUks
^
o
kompleks I Keempat kompleks im te DALAM MITOKONDRIA, TETAPI
^
me
sitokrom c oltsidase (Kompto IV^"g
kecmpat
^ ^
^
^
Q DAN SITOI
Q CEPAT BERDIFUSI DI DALAM MEMBRAN, SEMENTARA SITO 2Fe,S.2’ CO
merupakan suatu protein terlarut. Aliran elektron melalui P450-A-H Kompleks 1, 111, dan IV menyebabkan proton terp P dari matriks melewati membran dalam mitokondria men J Fe — O (GAMBAR 13-7). P450-A-H I Fe-‘ — 0.5
RUANG ANTARMEMBRAN
Flavoprotein
dao
Protein
B Sebagian besar energi yang dlb^ mino terdaPat j‘ karbohidrat, asam ®^®}®J2nRal,tai (Fe-S) Sebagai A-OH Komponeini IComplleftcs lemak, dan. pereduksi dalam mikrosom. Sistem yang diperlihatkan sangat khas ciklus Respiratorik dalam mitokondria sebagai c .^ani^ar 13-2)- cr a EQUIVALENTS). vimksilase (-H ko,K sitokrom p45°'''(lrenal. Sitokrom P450 hidroksilase mikrosom hatiFlavoprotein tidak memerluka. Gambar 12-0. - jlase pada ' okdalam ‘sif|a (CO) (Bab 12) adalahkomponen penting Kompleks 1 dan II. atau elektron
ENZIM SPESIFIK BE^!^pARTEMENSEBAGA1 PENANDAK° HKAN kompartemen YANG D PISA Substrat A-H MEMBRAN M1TOKOND Mitokondria memiliki membran « menlbran dalam terhadap sebagian besar ab° bungkus roatr*s > yang permeabel selektil, dan mem diranda, 0,eb dalam nya (Gambar 13-1). M'^.KOA sintetase dan adanya berbagai r atl NAOPH enzim, tcrniasu e dan ^ " FADH., gliserolfosfat asiltransferase. ^membran. Fosfohpid kinase NADP' ditemukan di rU3^ membran dalam bersama kardiolipin terkqnsentrasi di ATp sintase dan berbag dengan enzim rantai respirator transporter membran.
.
uom
an ............................ 1,.,n h L 9e)hVan., ^Memasuki gmenggunakan '"' S?.us, Ub le Vn 0, .
merusaknya. Namun, sistem transpor eugan enzim & sebagai sumber tambahan H,Ov
dilaporkan. Pasien datang denga:, serta sering mengalami asidosis
,3:
108/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME
RANTAI RESPIRATORIK
lnksidoredL,wa
------------
. m .liran elektron melalui rantai respiratorik. Q.
*okon(
■ xj ADH ke 1'N'lN,
Pada awalnya, elektron
gandi
mon
FAD) dapat mengalami reduksi pada rpelepasan dua elektron (untuk memb FADHJ, tetapi senyawa ini jUga ^ elektron untuk membentuk semiku Protein besibelerang (protein b ' • ditemukan pada Kompleks I, \\ ^ ini dapat mengandung satu, dua, atau terikat pada atom sulfur anorganik da sistein-SH pada protein (Gambar \l dalam reaksi pemindahan satu elekt mengalami reaksi redoks antara Fe2*^'
MEMBRAN LUAR
kemudian menuju rangka.an i
Enzim di mombran li*a>,T1L
(Gambar 13-5). Di
Asil KoA sintetaso
r
.t'dan akhirnya ke Q
^.Q rcdukjase),
^
dibentuk sewakt menjadi fumarat dalam s.klus asan FADH2
'isorol(osInt asil
G
itra
°n Melalui KorfP Pr Cys
atau Komplck-s °csar berbentuk I. y*** ari Nadu ke Q, ber*lf '^elcwati membran: Q + 5H’
......... j-.nindahkan m an elektron selan,utnya^ Fe-S ke Q (Gambar 13-5). penguraian tr.as.lgl.scrol at‘P ,ektron Ue Q melalu, 8.2) dan asil KoA jalur berbeda yang melibatkan nav F d
Gambar 13-1. Struktur membran mi
Peran utama menghasilkan >
,onk Q. koenzim Q a,au ubikuinon; cyt, sitokrom.
n
Gambar 13-3. Diagr
||
/ 109
Cyt c
NADH + H*
Enzim di inatnks mitoKondi'A Enzim siklus asam Enzim oksidnsi-l' Piruval dohidrogonoso
banyak lipatan, atau krista.
OKSIDATIF
Suksinat Fumarat
Enzim di mombr.tn dal‘inl Pembawa (carnets) ATP smlaso Transporter momt>rfn
Perhatikan bahwa membran dalam
DAN FOSFORILASI
P r B 2Fe-2S. (C) Pusat 4Fe-^ W
X
/ Fe
/
Pr \
Cys \
Pr . yang paling sederhana dengan satu Fe terikat oleh empat sistein. ( )
A) Fe S
> X
Cys 'Pr
BAB 13: RANTAI RESPIRATORIK DAN FOSFOR11ASI OKSIDATIF 112 / BAGIAN I: BIOENERGETIKA
/ 113
&METAB0usme
KARBOHIDRAT &UPID
Ruang 110 antarmembran - • ■ ntU| Membran 1 Kompleks dalam mitokondria
& UPID
G A M B A R 73-8. Mekanisme pembentukan ATP oleh BAB 13: RANTAI DANenzim FOSFORILASI / 111 ATPRESPIRATORIK sintase. Kompleks terdiri ° dariOKSIDATIF sebuah subkompleks F„ yaitu sua u cakram subunit-subun.t protein Sebuah subunit y dalam bentuk “as roda bengkok melekat pada subkompleks tersebut Protonnroton yang melewati cakram unit C menyebabkan cakram dan subunit y yang melekat padanya berputar. Subunit y masuk kc dalam subkompleks F, yangterdir, dar, tiga subunit « clan tiga subunit P yang melekat pada membran dan tidak berputar. ADP dan P diserap secara bertahap oleh subunit B untuk membentuk ATP, yang dilepaskan sewaktu subunit y yang berputar memeras masing-masing teroksidasi sempurna * CT:bergantian Bentuk semikuinon (radikal bebas) subunit (kuinon) (S secara dan mengubah konformasinya. Oleh karena itu, dihasilkan tiga molekul ATP per putaran. Untuk memperjelas, tidak semua subuni t yang telah berhasil diidentifikasi Cyt c diperl.hatkan- misalnya "as roda" tersebut juga
ADP + Pi
Q ... CH30
Matriks mitokondria
CH3O NADH +
OH
H*NAD
QHr
: Bentuk tereduksi (kuinol) (QH2) Q: Bentuk Cyt c
Membran dalam mitokondria
Ruang antarmembran
2H+
Bagian luar G A M B A R 1 3 - 7 . Teori kemiosmotik tentano T gradien proton di sepanjang membra! ?nf°Sfori'asi oksi. mengalir bahk ke dalam matriks mel.i ega,if di membran terhadap ion sehingga men ^ ATp ma«nks) ^ I i„ '— meminimalkan pembebasan zat„ merusak, seperti anion i'Zat antar;
merusak, seperti anion supe^a"ti>r» yan„, rerbentuk jika 02 meneritna J* ata„ X "S0 tua i2). *udUr°S
Aliran elektron melalui rantai re • melalui proses fosforilasi obi?**rik men«>k yang dikemukakan oleh Peter J TeOri -
IW
Matriks
SEBAGIAN BESA^^mitokondria KATABOL1SME DITANGKAP SELAMA ■nu menhdi Q. satu elektronKAT dilepaskan ke cyt c melalui Rieske \ CyUi|
I levvot'(viokrom. Uln °n; cl!.pa mol‘l|ui ATP silit.ist* S'
Jj
9 yan
8 ATI»
^
sc**? 5 • a»
mendalilkan bahwa kedua prose. Pad * 'mn,MnrrtnoU„^: .. , 1111 bpfL--
^
telahd|u
5)m
\
- —u__. USUsnyah„ XD: umum dan terhadap proton, khUsu. C1 5 % di ruang antar membran yang 'nyaPr0to aP«0n bt^ proton seperti diperkirakan dalaill "’"'N.tit.N!
Fe-S —► Cyt c,
Kontrol Respiratorik Menjamin Pasokan 2H+ ATP yang Konstan
, aiu respiratorik mitokondria dapat d.kendal.kan oleh Fe-S dan cyt c,, dan ^ Zn ADP.s Hal ini( terjadi karena oksidasi dan P ----. S .v 2H* ke dalam ruang . . .i. fXcfat berenergte n l i n GAMBAR 1 3 I-k6 .fosfat Siklus proses ^ ^ membentuk ^ ] ktX^dik'paskan ke semikuinon sehingga mereduksi berenergi-tinggi) ^ „ P*P^ besiW ADP menangkapantarmembran. (dalam bentuk _ Q. koenzim Q atau ubikuinon; cyt, sitokrom. (iarn a at cukup banyak energi bebas yang , dinamai juga semikuinon menjadi QH, dan 2l I proses katabolik. A IP yang te menyalurkan eneigi P tukar” energi sel karena senyaw. g memerlukan Tereduksi rjs dim ::adaanOksigen istirahatMolekular berada di keadaan Menjadi 4, dan Air bebas untuk menjalankan Siklusproses-f Q Menggabungkan jjjjjjjj., resphasi dikontrol Melalui oleh ketersediaan ADP. Jika sel melakukan Kompleks IV
Elekttron dengan Transp Kompleks DUD
. .• nH ke sitokrom c melalui A.ct;-siin Elektron dipindahkan dari Q |, ): 2
rase
Kompleks 111 (Q-sitokrom C oksidore u
potensial ( n e g a tdisis i f d.^a i n^"‘^n .'“^SeU- 'M> potensialelektrokimia eektrokim.a(negatif ol^Hi0i** pembentukan 1 P. Seperti dil^^'M pembentukanAATP. Sepertitelah >k _ 1 dan IV bekerja sebagai pompa
atp f
QH bH +— bL
RANTAI RESPIRATORIK MENGHASILK
- J' Vf.14
Cni 0
~\
tlro-s
Membran dalam mitokondria
"'"ara
(BAB
TRANSPOR ELEKTRON MCI RESPDRATORDK MENGHAC.^I GRADIEN PROTON YAtJr ^ PEMBENTUKAN ATP MEM|CU
memiliki sebuah subunit C .
L ATP diubah menjadi ADP sehingga resp.ras. dapat meningkat yang Sitokrom selanjutnya memulihkan AT .IV (sitokrom C C tereduksi dioksidasisimpanan oleh Kompleks Dalam kondisi tertentu, fosfat 0anorganik )uga oksidase), konsentrasi disertai oleh reduksi molekul 2 menjadi dua dapat memengaruhi laju fungsi rantai respiratorik. Sewaktu air: respiratorik meningkat (seperti saat olah taga), sel8H' mendekat 4Cyt CLERCDUKSI + 02 + m1|rjks —> Ue
QH, + 2Cyt cmdukM + 2H>,ii‘> _> Tabel 13-1- Keadaan kontrol^respiratorik. _ Cyt Clumksjd3sj + 2H20 + 4H ruang anurmembran Q + 2Cyt c, • U m C , B , dan ^h’ Kondisi Pyang Memengaruhi Laju Respirasi....... EMINDAHAN empat elektron dari sitokrom C ke O, mi melibatkan Proses ini dipercayai melibatkan S‘t°jaj<_ia7j1J-1 dengan satu Keadaan" \' \ Ketersediaan ADP dan substrat dua gugus heme, A dan AY dan Cu (Gambar 13-5). Elektron pada ]' H\ Melekat pada sU‘l J 2 5 (Gambar 13.7). Di pihak lain. )‘ Komplcks serta RIESKE Fe-S (suatu ^Fe-S yang11, « ke bukan Keadaan 2 Hanya ketersediaan substrat awalnya dipindahkan ke sebuah inti Cu (Cu A) yang mengandung , HUtlM*enal Seb p yang > teroM^ ^io P:0 pada dua g ugus_ ^ dikenalKeadaan suUinat atau 3.fosfoglisera 3 Kapasitas rantai respiratorik itu send'r^,ka atom t)Fe yanguk; yUterikat sebagai 2 atom Cu yang terikat pada dua gugus protein sistein-SH (mirip :semua substrat dan komponen berada P O'ein. F„ mene>U> A III, dan IV, hanya 1,5 mol ATP P dua f S .gugus oksidatif(Gambar > sistein-SH) tiga bentuk, fosfor;lasi suatu ; Fe-S), secara berurutan pada heme A, heme A# dalam kemudian keadaan jenuh ,1 = 1,5 Reaksi reaksi C li°LlenyebtkIC SUatu kanal p> ‘ ' s i k linu! s Qdl (Gambar 1 Dengan mempertimbang atau sean 1 3-6). Qdapa mikuinon pusatketersediaan Cu kedua, ADP CuB, yang terikat pada heme AY dan akhirnya Keadaan 4 ; Hanya al^pl | an F„ berputa1'* Jj/l di tingkat rantai kuinon teroksidasi, kuinol tere sej5entarSelamasiklus, pada 0 Dari delapan H’ yang dikeluarkan dari matriks, empat M.ptaW*-W hampir 90% 2 (Gambar 13-6). Semikuinon terbentu^^bahwa Keadaan 5 ; Hanya ketersediaan oksigen_ menjadi ter 1 diantranya digunakan untuk membentuk dua molekul air dan X'i^Vi^ )S%? |1,:rub'|melalu' suatU BVA fosfetberenergi'tinggl ^melalui fosforilasi oksidati y. g Q> membebaskan 4H* ke dalam 1 ‘ . jcan 2H‘ diambil an ko formasi 1 mo1 ,ukosa dipero1 untuk tiap pasangan elektron yang melintasi lantai rerspiratorik " S iTetpiratorik (Tabel 18-05u> reduksi satu Q menjadi Q^2’ bahwa sewaktu Q ber ucr dari NADH atau FADH2, 2H* dipompa melewati membran oleh « k ^ aP«H digabungkan ' dari L . W**A ; putar dari ^ u>* dangan ranta, resprra dari matriks (Gambar 13-6)- cl iianya rnembawa satu, informasi
H
HIS ^
2
'^>vsr£>f i
molekul sitokrom C melalui siklus U-
114
/
................... asetoasetat, dan asct. .
BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & WlD "ST BAGIAN
keadaan 3 atau 5 sewaktu kapasitas rantai respiratorik m r
Olph Wnrerm iru. mebnicm,
> ..
dalam dan juga terdap.
.ntuk piruvat yang , ang memanfaatkan
22 -1 ),
BAGIAN LUAR
tersaturisasi atau PO, menurun di bawah K heme A 1 ' ^°mpkks \\\ n icu n klasik U.S. karbon terdapat kemungkinan bahwa transporter ADP/ATp 3 sianida ■d da ai mCn 1am >al memfasilitasi masuknya ADP sitosol ke dalam dan k -1 ’ ^ P men .1 ^ ' unpicks 1\ di,n „ ATP dari mitokondria, menjadi faktor penentn inhibitor I Cntlltan r«pirasi ,o,.il. M>n>‘ CC
kc
DALAM
mitokondria
1
karnitin (Gambar
gradien H dar,dan tnkarboksilat serta asam Namun, anion dikacnnrrcr atau CARRIER spesifik amino memerlukan sistem tra
. Asam
mcmbran
setara
P an.^mnerirlf at
P ■.(A Oleh AtraUtll 1?‘'f Koi''plcks 11. v.. KARENA itu, mekanisme prosK „K . . , m ,g memungkinkan energi bebas hasil dati , =nghamK m'"B1'amba, I, bahan makanan tersedia dan dapat diserap berll ' P'mil'dal«n AP" COU terkendali. bertahap, efisien, dan t0kmseperti UM,^S»« inefisien, dan tidak terkendali, mri8 *** ^ (Gambar 1, en, dan.TLtidak PKRSu , , iks'i^ J c s U nyaPnURS (“_ bebas sisanya van? • , C. ^^° f; _ . . ^- plosif. proseswn»r nonbiologis. Energi ^ k. rcsP,raiorik• •d i r - ' r " ' * nu‘nm,‘ *''* SC^J 1 (Ciaml aI sebagai fosfat berenergi-tinggi dibebaskan L ScraP ? l0H in ' '''. ' .nj/‘ J Panas nK n chal Hal ini jangan dianggap sebagai “pcmborosiVf - L ^na IT' ‘ y ^.m ic.sp«ras< llU . ^ , SIDATLF
dengan transpor fosfat .m Jipcrmkarkan dengan dalam bentuk 4 2 tranSporter dikarboksilat OH, " ■ k . memerlukan lost. b sitrat> isositrat, atau CISarah berlawanan. Ambila^rikarb^ksi^t memcrluUan malat akonitat oleh transp a-ketoglutarat |Uga dalam pertukaranny.. Transporter adenin memerlukan pertukaran^denga ATP dan ADP, dinukleouda memung^ ^^ agar
ini menjamin keseluruhan sistem respirasicuku , na Hal , n ADl‘atau p; lidak lilR« dipcngar 1,1,1 ° di
untuk digeser dari kesetimbangan sehingga ATP 1 2«Uni JfCn,ISah kol*l vanu paling & ikut Dem; . ^o Ecnin U......................................................... nen» berperan mempertahankan suhu tubuh di Kj ko rT°8Cn'n «»*»« 1—“' l’C'"
H
BANYAK RAC UNI MENGHAMRAT RANTAf RESPIRATORIK T Banyak informasi mengenai rantai re ' melalui pemakaian inhibitor, dan, s H a l l n ; • racun (Gambar 13-9). Inhibitor dT'a^^^bi^ sebagai inhibitor rantai respiratorik oksidatif, dan pemisah kopel fosforilasi L 't0r fosf0r i *! BARBITURAT, misalnya amobarbi \^‘ '^ pemindahan elektron melalui K0 me»Ha menghambat pemindahan elektron dari FePC^ 1 de ^iron(1. -ini . -,bersifat te ..olul . fatal' ^Nad^ yang memadai, senyawa memadai, senyawa ini b e i s i f a t ^ ^ ^ ^ Ayang dan DIMERKAPROL rnenghambar antiu t~K:. "“•si A dan dimerkaprol menghambar
Alibi ^
n
ATTda^ keluar dari M pemakaian nya di luar mit
^nalYUn&si mcnSlwsilkan p‘in‘^i
^Pen. i oli&»nris* hcwan yanB »^rllibc'rir,S1 d
sintasc (na dcngan m®nghamb;u ‘ oksidasi bar
p (Gambar 13-
k AT
Liam mitokondria uiuuk me 1-to ^
‘
n)
. Karena dalam pcm.^dahan iin
dikeluarkan dan matnks
l3.cj),Cn{;hanilxu aliran pr<>i°n °
u n t u
m
IP muMan yMg e m b r a n (daya
masuk, gradien e'cktrokim a y^ g
^k^^Ti? ’
SJ
Atraktilosida *
TlK D)APAT
" ^A
anim clu v
kKuali ika tt;r|;ld
i
»«;“■ TRANSNNRT
‘•aar,u ; . PROTON)' molewat' ^ i1 dan p ,ni selanjutnya bcr^‘
*££&*£££
adenin nukleot « ■ sistcm-sistem y* _ untuk dan atraktilosida mengha'11 ™ lihatkan) sistem l^an amjno Terdapat juga (tetapi tidak c .per^ h^ulami„, drmtm, asan glutamat/aspartat (Gambar 1 ' netral, DAN KARNITIN (Gambar amfifatik n bersifat a"11"
ORtransporter
, 1^,1 * hP .'c"’
• ti'C' /
; u>a U<,,,3 |
'Tketoglutarat; (6) transporter fosfat; (2) stmpo t'ranSporter ’' ^oksisinamat(4), transporter trikarboksi a , - ^_gtj|malciinid, 11 ^ ditandai. r
^
ke „ Ul ATh
.“■fra- oleh mifokondria terjadi dengan pemindahan muatan netto (unipor/^C.*), mungkin melalu, ant,pot
G A M B A R 73-70. Sistem Uanspordinicnib (^nspor,cr ^ * (6)
^Mk^,ROL RE5t"
kan
r‘ TV- -r “f”,
^ dl 1
*»., ,,, 1V 1S ‘ AU KOPEl ■ °kimia di kedua .>0u. . . ^^'mia di kedua S,s‘ „!» J
5, f
8
tukar
dn
Membran BAGIAN LUAR dalam mitokondr ia
mcn
Pemisah kopel (misalnya ' '"°^'|liras lipoid ^"", (Bab 15) dan meningkatkan pe sehingga P° . dalam mitokondria terhadap P ATP sintase (Gelektrokimia menurun dan
BAGIAN DALAM
_ Tic MEMBRAN
IfAPERMEABlLlTAS
NADH -<■
DALAMMITOKONDRIA
f
W
£MERlUKAN
TRANSPORTER
NU1CA
PE
. er[Ukaran yang Oi membran, terdapat slst^nsporter (yan6 melibatkan protein-protein
Pemisah kopel
adap '“
membran) untuk pertukarai • aminidiperl^
Oligomis
kation terhadap ion H'. Sistem se
ADP+p
in
Cambar 13-9. Tempat-tempat inhibjsj /rs TTFA, suatu agen peng.kat-Fe (fe. rhM pa(ia r
, 3, RANTAI RESPIRATORIK DAN FOSFORILASI OKSIDATIF
mitokondria dan dibentuk kembali menjadi oksaloasetat di 116 / BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT
Proses vans mem‘”'ukfl"
MEMBRAN LUAR
sitosol.
dengan Energi Mitokondria mempertah^nten«aume^akum^
MEMBRAN
SITOSOL
DALAM
MITOKONDRIA
Gliserol 3fosfat
^013-fosfat
DEHIDROGENASE
NADH + H-
i!20S0UK)J 'hidroksiaseton fosfat
D
Sistem pengangkut in. a cncrgi dengan bekerja kreatin fosfat “tuk memindahkan fosfat sebagai suatu sistem ^
'osfal Gambar 13-12. Pengangkut ulang-alik (sh, mitokondria. mern
i"dahWa,
berenergi-tingg* da
^
isoenzim kreatin kinase
jantung dan otot rangkx *u« ^ ............. (CKJ ditemukan d^ ruang fa^ k mengatalisis pemmda. orter adenin nukleotida. dari ATP yang berasal Id ^ ^ ^ ^ metalul Selanjutnya. kreatin • mitokondria sehingga tersedia
uuramiu
Assisi'-^ ASPEK KLINIS ^kstramitokondf'f*^
Pengangkut S
ub
Transhidrogenase Pemindah Sumber NADPH Intramitokoi
... I sebaeai disfungsi ginjal dan Pada keadaan yang i < .(f ^ terjadi penurunanhebat miopatimitokondnain^^J, Jase dalam ta.
^ G A M B A R 1 3 - 1 4 . Sistem P^"8^' memungkinj
dalamsitosol. CK,, kreat.n kmc ^ ^ cl< , kre.= ATP yang besar, misalnyaantara kreat'^bungkan glikolis'S
fosfat
mempertahankan kesei <■ \.-,mse yang lTien^/,rnse mitokondria serta ATP/ADP; CK, kreat,n knasO ^ k nase . ^ yang dengan sintesis kreatin fos * ■" tin ,oS ‘ ri di membran y4 memerantarai P, ,**" P°r’ terbentuk dalam fostori c luar mitokondria.
Transhidrogenase terkait-energi, suatu dalam mitokondria, mengkopel alii gradien elektrokimia dari luar ke dalar
atau ketiadaan sebag c.innati mitokondria, asidosis respiratorik. M E L M W e r e d i t e r akibat laktat, danswM a (Kompleks 1) atau defisiensi NA1pR^ leks iv). Sindrom ini disebabkan sitokrom oksidase (K°™P “ kin terUbat dalam olch mutasi DNA ^^tiadan ^ CumTobrt tacun bekerja dengan menghambat FOSFORILASI
oksidatif.
RINGKASAN
MALATDEHlnt
Gambar
NAD H' + H'
13-12.
Karena
^EMASE
A KE
;
AMINASE
melalui transaminasisC
Gambar 13-13. Pen&ngkutma,at a-ketoglutarat; (2) transporter glul;
mit
okondria.(Utr*
^e.
ya ng
nl rantai resptratoti ^u^an 2,5 ° ^lapun . Ham pi' — karbohidrat, lemak, dan ^ pereduksi ini N A D , maka hanya 1,5 * dikonsums. lnya sl e arin ^ _ mekwati dibentuk per atom ° S ^. beberapa ) ^ng terdapat sebagai ekuivalen pereduks ( disalurkanke ranta, respiratorik, te >P nuju pengangkut ini ter apa sangatt j ^ karena itu, 1 suatu gradien redoks otak, serabut otot pu ;antung)* u_eaunaanya reaksi terakhirnya dengan oksigen menjadi di jaringan lain (misa nya angkut **» * § s^tcm >nl . Molekul pembawa redoks ^mpoton^ ^ diyakini bahwa sistei Komp ^ mitokondria empat kompleks ranta. respiratorik di,m mampu sangat luas (Gambai mem ^ dengan bijitaS ksi mitokondria. Tiga dari empat kompleks d;en DISEBABKAN OLEH IMPER HARUS . TOGLUTARAT menggunakan energi yang dibebaskan terhadap oksaloasetat, . aspartat d. membran glutamat untuk memb^uk melevvati
dengan TRANSAMiNAsTj
en,.^.
BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & UP|D
, untuk memompa proton ke luar membran, dan redokspoiens\a\ e\ektrok\m\a antara matriks
REFERENSI
Secara Fisiologis
HinW PC
David A. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc
~ ^,np membran dalam.
rU sintase menembus membran dan bcvtindak • ”ualu motor pemutar yang menggunakan encrgj S • \ dan erad'ien proton atau proton m o t i v e force P °Tmembemuk ATP dari ADP dan P, Dengan cata untU ksldas\ dikopel secara erat dengan fosfonlasl untuk ‘^nenuhi kebutuhan energi seV
Karena membran dalam mitokondnabersim impcrmeabel Aadap proton dan ion lain, berbagai transporter --*• >............---------------^'oagai transporter menembus membran agar ion-ion, sepertikbusus OH
ADP3-, dan metabolit dapat lewat tanpa MEN H’L^’ gradien elektrokimia di kedua sisi MEMBRAN ^ &tan Racun yang sudah dikenal, misalnya sianM menghentikan respirasi dengan mengha^k n
PERAN BIOMEDIS Karbohidrat terscbar luas dalam tumbuhan clan hewan; senyawa ini memiliki peran struktural dan metabolik yang penting. Pada tumbuhan, glukosa disintesis dari karbon dioksida dan air melalui fotosintesis dan disimpan sebagai pati (kan]i, starch) atau digunakan untuk menyintesis selulosa dindingsel tumbuhan. Hewan dapat menyintesis karbohidrat dari asam amino, tetapi sebagian besar karbohidrat hewan terutama berasal dari tumbuhan. Glukosa adalah karbohidrat terpcnting; kebanyakan karbohidrat dalam makanan
discrap
ke dalam aliran darah sebagai glukosa, dan gula lain diubah menjadi glukosa di hati. Glukosa adalah bahan bakar metabolik utama pada mamalia (kecuali pern amah biak) dan b ahan bakar universal bagi janin. Glukosa adalah prekursor l mtuk sintesis semua karbohidrat lain di tubuh, termasuk glikogen untuk penyimpanan; ribosa dan deoksiribosa dalam asam nuklear; galaktosa dalam laktosa susu, dalam glikolipid, dan sebagai kombinasi dengan protein dalam glikoprotein dan proteoglikan. Penyakit terkait metabolisme karbohidrat antara lain diabetes mellitus, galaktosemia, Penyzkh penimbunan glikogen (glycogen storage DISEASES),
dan intoleransi laktosa.
KARBOHIDRAT ADALAH
turunan
ALBEHUDA ATAU KETON DARI ALKOHOL p
O UHIDRAT
karbohidrat diklasifikasikan sebagai berikut: (1) Monosakarida adalah karbohidrat yang tidak dapat di, iidroIisis menjadi karbohidrat yang lebih sederhana. M °nosakarida ini dapat diklasifikasikan sebagai triosa, tetr osa, pentosa, heksosa, atau hcptosa, bergantung Pada atom p3cijumlah * bc
karbon; danaiuuo« sebagai--------------aldosa atau etosa / ^umlah atom karbon; dan sebagai
herpantnnw nada agugus aldehida atau keton.yang dtmih i sen Ung Pac^a S 8 ALDEHIDA atau keton. yang dimiiiki disajikan dt label 14j f Wa lcrsebut. Contoh-contoh disajikan di Tabel 14- /-Hrohol A
gu|a
eain
U
US
aldehida dan keton, alkohol polihidrat (alkohol
telah direduksi menjadi suatu gugus alkohol, juga terdapat secara alami dalam makanan. Alkohol ini dibentuk melalui reduksi monosakarida dan digunakan dalam pembuatan makanan untuk menurunkan berat badan dan untuk pasien diabetes. Alkohol polihidrat kurang diserap dengan baik, dan menghasilkan separuh energi yang dihasilkan oleh gula. (2) DISAKARIDA ADALAH produk kondensasi dua unit monosakarida, contohnya maltosa dan sukrosa. (3) OLIGOSAKARIDA adalah produk kondensasi tiga sampai SEPULUH MONOSAKARIDA. Sebagian besar tidak dicerna oleh enzim dalam tubuh manusia.
(4)
Polisakarida adalah
oligosakarida
produk kondensasi lebih
dari sepuluh unit monosakarida, contohnya pati dan dekstrin
yang
bercabang.
mungkin
merupakan
Polisakarida
polimer
kadang-kadang
linier
atau
diklasifikasikan
sebagai heksosan atau pentosan, bergantung pada identitas monosakarida makanan
pembentuknya.
mengandung
Selain
beragam
pati
dan
polisakarida
dekstrin,
lain
yang
sccara kolektif dinamai polisakarida nonpati; zat ini tidak dicerna
oleh
utama
serat
enzim dalam
manusia,
dan
makanan,
merupakan
contohnya
komponen
selulosa
dari
dinding sel tumbuhan (suatu polimer glukosa) dan inulin, yaitu simpanan karbohidrat pada beberapa tumbuhan (suatu polimer fruktosa).
SECARA BIOMEDBS, GLUKOSA ADALAH MONOSAKARIDA TERPENTING
Struktur
Glukoso Dapat
Bigamfeairkan dalam Tiga Bentuk Rum us struktur rantai-lurus (aldoheksosa; Gambar 14-1 A) dapat menjelaskan sebagian sifat glukosa, tetapi struktur siklik (hemiasetal yang dibentuk oleh reaksi antara gugus aldehida dan gugus hidroksil) lebih termodinamis 1 dan menjelaskan sifat-sifat yang lain. Struktur siklik yang biasa digambar, seperti diperlihatkan di Gambar 14-IB, yaitu proyeksi Haworth, merupakan molekul dilihat dari samping dan atas bidang cincin; ikatan-ikatan yang terletak paling
atau poliol), dengan gugus aldehida atau keton yang 119
120/ BAGIAN II:
B,0 ENERGETIKA&METAB0llSME KARBOHRAT ID
Tabel 1 4 - 1 . K \ a s \ { \ k a s \
Triosa (C3H6Q
bebe
ra
Pa gula
(C.H.O,;
Pantin g. Ketosa
: Gliserosa : f9liseraldehida)
Tetrosa
BAB 14: KARBOHIDRAT YANG PENTING SECARA FISIOLOGIS / 121
& UPID
I Eritrosa
Di
^f
o
BULOSA
FR
^O .O
Heksosa(C4H|2OJ;i Glukosa Heptosa (C,H,40?) j __
—
H—C—
H
OH
0 II
dekat dengan pengamat digam bar i ... HO
HO..
*5Qgai ft
(1) Isompnc^.
n,
uk
H HO
c.
H
I
H
I'
^.
H
'CHOH
v
PL
’ i3U,nerisme D dan I ■ d
R\M-
gula sebagai bentuk D atau
r
Penti
%vva-
di
*“ -Se HO
— ;q
H-4
C-
-H -OH
H OH a-o-
-OH
a-D-Glukopiranosa
Glukofuranosa
Gamfcir 14-3. Glukosa dalam bentuk piranosa dan turanosa. , n|u I
OH * M, N (^b0nan,K tc«lekat dcnfian Vj
i\A c C>uHo K 5 ',ad> «lllkoSi,) tM e CX U ‘‘"‘‘o,B atau I.. k rIi‘ J H a
A
lCrlc, lt
C*
0'
* di kanan isomer l>; ni a.Tla|:''r L Sebagian besar n’° ;in' /
O
tetapi terjadi isomerisme di sekitar posisi 1, atom karbo anomerik atau karbonil, untuk menghasilkan campurai glukopiranosa (38%) dan U-glukopiranosa (62%). kurang can 0,3% memperlihatkan anomer a dan 0 glukofuranosa. (4) Epimer: Isomer-isomer yang berbeda akibat variasi konfigurasi —OH dan — H pada atom karbon , . , < 4 glukosa dikenal sebagai epimer. Secaia bio ogis, q glukosa terpenting adalah manosa dan galaktosa a g niasing-masing dibentuk oleh epimerisasi atom dan 4 (Gambar 14-5).
H
H-i
I
-OH
|>
(glisc,,, .Hilt L, ,
II
-c ■I -c -
'IS0^,,ln
n
R
-H
o-Glukosa
dapat
l!
Banyak Monosakarida Berperan Penting Secara Fisiologis
CH OH
as me
‘ tti
Furan
HOCH.
C•
1
H'OH
H
GULA MEMPER|IHATK G
0 II
T
.
Piran
CH OH o-Glisoroiui
CH
^PMosq
Isomerisme
C —H
0
RI
Pentosa (C5H10Os) j Ribosa
II
no^i ,
^'Mosq
. „,iiw
(5) Isomerisme aldosa-ketosa: Fruktosa memiliki rumus molekul yang sama dengan glukosa, tetapi rumus strukturnya berbeda karena terdapat sebuah gugus keto potensial di posisi 2, atom karbon anomerik fruktosa (Gambar 14-4 dan 14-6), sementara terdapat sebuah gugus aldehida potensial di posisi 1, atom karbon anomerik glukosa (Gambar 14-2 dan 14-7).
H O H Se|)i
ter + r ),,v
at:
H* n ^la ‘•’ >u | ev<„()ra < ,r^V}
Uscbllt akan bcr l
sir
>A
HOCH,
? \ h %li , Hsasj
^CSr di u ber^nnmg >
^\\ ^Qh r c-3n8 tlik at dcbtrarorator»k’
i/
3
dn nsC(,- °s3k l,ic’n Sebagai dekst»’°s‘’. 5f /j
p-D-Fruktopiranosa a-D-Fruldopiranosa
XS>
»’ J?
HOCH, HOCH,
T °\1
4
HVH HO/OH
r“f
3
c
*mbar 14-4.
Bentuk piranosa dan
OH
/N \
OH H a-DFruktofuranosa
HOCH.
I
t-t. H OH H H2
CO
p-o-Fruktofuranosa
furanosa fruktosa.
Turunan triosa, tetrosa, dan pentosa serta gula tujuh-karbon (sedoheptulosa) terbentuk sebagai zat metabolik-antara dalam glikolisis dan jalur pentosa fosfat. Pentosa berperan penting dalam nukleotida, asam nukleat, dan beberapa koenzim (Tabel 14-2). Glukosa, galaktosa, fruktosa, dan manosa adalah heksosa terpenting secara fisiologis (Tabel 14-3). Ketosa yang penting secara biokimiawi diperlihatkan di Gambar 14-6, dan berbagai aldosa penting di Gambar 14-7. Selain itu, turunan asam karboksilat dari glukosa juga penting, termasuk D-glukuronat (untuk pembentukan glukuronida dan dalam glikosaminoglikan) dan turunan metaboliknya, L-iduronat (dalam glikosaminoglikan) (Gambar 148) dan L-gulonat (suatu zat antara dalam jalur asam uro- nat; lihat Gambar 21-4).
Gula Membentuk Glikosida dengan Senyawa Lain & dengan Sesamanya Glikosida dibentuk oleh kondensasi antara gugus hidroksil karbon anomerik suatu monosakarida, dan senyawa kedua yang mungkin atau juga bukan monosakarida lain (pada kasus suatu aglikon). Jika gugus kedua adalah suatu hidroksil, ikatan Oglikosida adalah suatu ikatan asetal karena terbentuk dari reaksi antara suatu gugus hemiasetal (dibentuk dari satu gugus aldehida dan satu gugus -OH) dan gugus -OH lain. Jika bagian hemiasetalnya adalah glukosa, senyawa yang terbentuk adalah glukosida; jika galaktosa, akan terbentuk suatu galaktosida; dan seterusnya. Jika gugus kedua adalah amin, ikatan /V-glikosidat akan terbentuk, misalnya antara adenin dan ribosa dalam nukleotida, seperti ATP (Gambar 11-4). Glikosida banyak terdapat di alam; aglikon dapat berupa metanol, gliserol, suatu sterol, suatu fenol, atau suatu basa, misalnya adenin. Glikosida yang penting dalam bidang kedokteran sehubungan dengan kerjanya di jantung (glikosida jantung), semuanya mengandung steroid sebagai aglikon. Glikosida ini mencakup turunan digitalis dan strofantus misalnya ouabain, yakni suatu inhibitor Na'-K' ATPase di membran sel. Glikosida lain meliputi antibiotik seperti streptomisin.
HOC H,
> -0
H/H
\H
OH\OH
H/OH
]2 H
OH
A-D-GLUKOSA
TABEL 14-2. PENTOSA YANG PENTING SECAR
Guta
Sumter"
D-Ribosa
ASAM NUKLEAT DAN‘'7''"METABOLIK 1 QNTARA'“-
D-Ribulosa........... P-Arabinosa
GETAHTUMBUHA^ GETCH TUMBUHAN"""--
D-Xiiosa L-Xilulosa
PENTING SECARA FISIOLOGIS KARBOHIDRAT
122
/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT &UPID
HOCH
Guta D-Glukosa
D-Fruktosa H OH a-oGalaktosa a
'°^anosa D-Galaktosa
C CHO
C H O
HO
I
H-C-OH HOH-c-C-H H-C-OH
H - C-OH
I
<
I T°H CH.OH
CH
CH;OH |
CHO
C HO
HO-C-H
»Likso
H-L
Ho-l H
°H
o-XilosH
CHpn
sa
Gambar 14-6. Contoh berbagai aldosa
-C-.ru,
H—
Yang pent
in8S
j H HO-c-H
H-c H;O h1 ^bino^ c
^^olo,
HO — Ic —
CH■PH
C-H
,
H-C-OH
011
H-C-OH
CHOH CH OH
HO"C"H * -oH
D-Manosa
Hidrolisis ge manna
H-C
,l -OH c H — CH°H
'Mano3a
D
CHj0H C=0 CHOH
I
HO-C-H
GAMBAR 14-8.
H-C-OH
C =0 CHOH Dihidroksiaseton
a-D-Glukuronat
CH;OH
o-Xilulosa
. -0H °HAi
Gambar 14-7.
hidroksi m
Contoh berbagai ketosa Vano * 8PGf]
H*r
iribosa (
cs a
(Gamba
rlukos
oenzim
|psuria esensio
HOCH,
PEN
TING SECARA FISIOLOGIS
KARBOHIDRAT
tontine, secara fisiologis arida yang penting
BAGIAN II: BIOENERGETIKA &
Komp?**?!. . . MidroU
Maltosa
Isomaltosa HOCH
Maknd Klinis
...
HOCH
Maltosa
laktosa
*
—^piron°sim->6'a0- V perc
glukopiranow.. iW“k°Pir°noS 1 nlukopiranosa
': Hidrol :
■ ber
lediaan brmasi O-a-Dgai
,|aktop>rano: jiranosa sebagai pencohor oleh enzim usus,
gluko Susu yang kecil), terutama
0-a-D-Glukopiranosil-(1->4)-a-D-glukopiranosa
0 -a-D-galaktop>ranOS'
“^'P-o^hjkopii iranosa
Sukrosa HOCH
Laktulosa
{ruktoluranosa
HOCH
Sukrosa
Trehalosa
OaW*Piraf
truktoiuranos'da
Oa.D^lukoPironOo
Oa-o-G!ukopiranosil-(1-.2)-p-[)-(aiktofuranosida
0'S4nm,e!Tiliki struktur hetiks itri Kn
HOCH
Va,lg J °'85%) yang tcrdir. Jj ^ / 6^0lA?entuk ol* 2430 s? P^an «' ~>4 di rantai Jan »’
wi
t v d-pi s!* fambar 14-'2) ■ a-^yj Sik^iou1 m maka,r''n , d'95" PtoSK strukturnya, deral-1 i Ji J
(A) Struktur Jengan m
BAB 15: LIPID YANG PENTING SECARA FISIOLOGIS /
Kathleen M. Bofham, PhD, D5-
0n
181 ;9 a'au A''18:1 10 ° ifl
•gis Peter A.
lQ
yeS/
10
.
atau
sialat
ptRAMWOlAW' 5 . mp0\c senyawa heterogen,meUpuuVimak, \ipi<*ad^!°ma\am(^*),dansenyawaterkait,yang, stet°v ’ r£tva sVfat foiknya daripada sifat kimianya. minyak, betkaUanveD' umum berupaMte\ati?tidak\arut ‘^<\a\ampe\arutnonpoiarmisainya
Asam hialuronat SwtofosfoUpld achlah
'P>4 kompleks lain: V.ipwi
seny
^inolipid. Lipoprotein ^
awavnM » ^ $ekkar organ tertentu. Lipid nonpol subkutan da inSU\ator Vismk, dan memungkmk; se
J'
penjalaran gelombang depolarisali dj'' bermielin. Kombinasi lipid dan protein (|-Sepan)ang sa ^ CSler k konstituen sel yang penting, yane terdan 1f°pr°tc'n) a/[af sel maupun di mitokondria, alat pengangkut lipid dalam darah. pen Crfungsi Se, ^
Ha!' '’"Kit5' tCtscbUt8:l,ntlUnB atom karb° ucn r aiKunui. gan l ,'^n ta ' > t{FR:^X j^uh Malc. ;;lg c a. Lemak (FAT): Ester asam U , *&i ^p).‘ 1 Jeiu»h (mengaH(tidak i dak den Minyak (OIL) adalah lemak da| *' , gan Hid** W b. WAX (malam): Ester asam len^, ada^n F bi* monohidrat berberat molek,,! ■ denfen !' \a„ tr, E^rrJ^cniirlk^ 111 N-Asetilga' erdaS£,r 2 Lipid kompleks: Ester O^i,. 1 g6 '
* mi 8etahua gai biokimia lipid diperlukan untuk memah n tei1 ^ letn 1 ^UFATllPf biomedis penting, misalnya obesitas ^ banyakk^ dn lCrUlan 1 1 erc lc, lCrd aterosklerosis, dan peran berbagai asan, , ^ ^ k sto’r ^k ' apat scba^i j ^ / ganda dalam gizi dan kesehatan. S
LIPID
■,
u)
5. pJ^Motnpokini. , ^— o- insulator n 4 lcl^Dir lar, ^Uanba,!V V01’ slcro'^- alkc>H°l '* n,
berfungsi sebagai insulator Ustrik, J 'Pld n0n^,
1.
-A
depoiansast dv seo.n.-
un etmie subkutan dan di sekitar organ ^c.ps,dii«nia:
b
juga dikenal sebagai karbon a, FT dan y, dan karbon metil
simp1""'
\cmak.
1
e\*v"
t
K°f<«fottpidadalalr simp’""' ^ h - GlikoWpid ^UUosfin6oV>p'*dVHOCH
«»ndun6asam
10 * 9
Gambar 15-1. Asam oleat. n-9 (n minus 9) setara dengan 0)9.
\J
5
alami- ^etn betfunSsisebagavmsu\ator panas di\avm^u berfungs'
xW
\
in
CH3CH?CH?CH?CH,CH?CH?CH2CH,=CH(CH2),COOH
II 17
1
Asam Lemak Tidak-Jenuh Mengandung Satu atau Lebih Ikatan Rangkap
Pentosa Metil
o>9,C18:1 atau n-9. 18:1 2 3 A o / n o 10
dalam ait ^n^orm. SenyaWa ini merupakan konstitucn eter k ° cnling *'dak sa'a kavena nAa' <^«gmya makanan . kavena vitamin \arut-\emak dan asam yang tingS ’* terkandung di da\am \emak makanan Vernal esenSlV d-vs\mpan diprinpn adiposa, tempat
dan hewani.
CHJ(CH?),CH=CH(CH?),COOH
HOCH
DSc
9
pentosa Asam
Upvd
—COOH terminal. Contoh diperlihatkan di Tabel 15-1. Anggota-anggota lain yang lebih tinggi dari rangkaian ini terdapat, terutama di malam ( WAX ). Beberapa asam lemak rantai bercabang juga pernah diisolasi dari sumber nabati
dalam
lipid yang Penting Secara Fisiolo
‘Cs'^U?,US ^Wld m mengandungsuaui se\ain asam \emak dan aW0\ asa^ f° Setit>g , -nid , ^.^sUtuenUm^isainyaaVkoW^ „Pn dan b 0 i«°6 en
terminal dikenal sebagai karbon co atau n. Berbagai perjanjian menggimakanAimmkmenunjukkan jumlah dan posisi ikatan rangkap (Gambar 15-1); misalnya menunjukkan sebuah ikatan rangkap di antara karbon 9 dan 10 asam lemak; co9 menunjukkan sebuah ikatan rangkap c h karbon ke-9 yang dihitung dari karbon (0 . Pada hewan, ■katan RANGKAP tambahan DIMASUKKAN HANYA antara ikatan Gambar 14-15. IM I'angkap yang sudah ada (mis. 0)9, to 6 , atau 0)3) dan karbon karboksil, sehingga dihasilkan tiga seri asam lemak yang masing-masing dikenal sebagai famili 0 )9 , 0 )6 , dan 0 )3 .
Asam lemak tidak-jenuh (Tabel 15-2) dapat dibagi lagi menjadi: (1) Asam tidak-jenuh tunggal (monoetenoid, monoenoat), mengandung satu ikatan rangkap. (2) Asam tidak-jenuh ganda (poli^tenoid, polienoat), mengandung dua atau lebih ikatan rangkap (3) Eikosanoid: Senyawa yang berasal dari asam lemak eikosa (20 -karbon) polienoat ini, terdiri dari prostanoid, leukotrien (LT), dan lipoksin (LX). Prostanoid mencakup prostaglandin (PG), prostasildin (PGI),
dan trombolcsan (TX). Prostaglandin terdapat pada hampir semua jaringan mamalia yang bekerja sebagai hormon lokal; zat ini memiliki aktivitas fisiologis dan farmakologis yang penting. Senyawa golongan ini disintesis in vivo dengan cara siklisasi bagian tengah rantai karbon dari asam lemak tak-jenuh ganda 20 -karbon (eikosanoat) (misalnya asam arakidonat) untuk membentuk suatu cincin siklopentana (Gambar 15-2). Serangkaian senyawa terkait, tromboksan, memiliki cincin siklopentana yang diselingi oleh sebuah atom oksigen (cincin As am Lemak Jenuh Tidak oksana) (Gambar 15-3). Tiga asam lemak eikosanoat yang berbeda menghasilkan tiga gugus eikosanoid yang ditandai Mengandung oleh jumlah ikatan rangkap di rantai samping, misalnya PG,, Ikatan Rangkap PG„ PGr Gugus-gugus substituen berbeda yang melekat As am lemak jenuh dapat digambarkan berupa asam asetat pada cincin menghasilkan serangkaian prostaglandin dan (CH ietilneuraminpertama rangkaian dengan 3-—COOH) sebagai anggota tromboksan yang dinamai A, B, dst—misalnya tipe ”E” G A M B A R 1 4 - 1 6 . Struktur ^ 2 yang ditambahkan di antara gugus C 3 an i prostaglandin (seperti pada PGE,) memiliki sebuah gugus asam ( Ac = ch _rn—). di posisi 9, sementara tipe ”F” memiliki sebuah gugus hidroksil di posisi ini. Leukotrien dan lipoksin adalah Nama ' Jumlah REFERENSI Umum ; Produk akhir utama pada fermentasi kelompok ketiga turunan eikosanoid yang terbentuk melalui Atom C glukosarnm; Uuatu epimer karbohidrat oleh organisme jalur lipoksigenase (Gambar 15-4). Kelompok ini masingpuminansia Asetat ' 2glikoprotein konstitucn n masing ditandai oleh adanya tiga atau empat ikatan rangkap 3 ada lemak tertentu dalam jumlah merupakan gUkolip'^ terkonjugasi. Leukotrien menyebabkan bronkokonstriksi sedikit (terutama mentega). Suatu dan merupakan agen proinflamasi kuat serta berperan dalam Butirat ; 4 produk akhir fermentasi karbohidrat ie ^AR&OHIDRAT SSL & oleh organisme ruminansia' asma. Valerat ; 5 j Spermaseti, kayu manis, biji pohon ■ palem (palm kernel), minyak kelapa, Kaproat ; 6 y -~: ............. pohon salam, mentega Laurat • 12 . ; 14! pa/a/ biji pohon palem, minyak 'COO" ; kelapa, myrtle, mentega 10< lk di semua lemak hewani dan >ati
OH
herbivorndan,terbentukdalamjumlahyangsedikit,
folmitat ; 16 Stearat 'uga terbentuk di sekum f '' kolon manusia.
^8
Asam iduron'
129
Gambar 15-2.
Prostaglandin E, (PGE.)
BAB 15: UPID YANG PENTING SECARA FISIOLOGIS /
130 / BAGIAN H: BIOENERGETIKA & METABOLISME
K Tabel 15-2. Asam lemak tak-jenuh yang memiliki Jumlah Atom C
serta Jumlah dan Posisi Ikatan Rangkap
TRA NS Bentuk
Famili
Nama Umum ........ Asam
CVVH
Gambar 15-6. Triasilgliscrol
, U Q,0n
Palmitol eat Oleai
Keberadaan
CIS Bentuk
'PPjPjr semua lemak. In asan
(asam
^ lemak tersering
lro
j| oloat)
genasi dan rurnina'
'Qcang lanah, biji kapc*5 'I'yak minyak nabati. _.
n ln ; 9 pada minyak > ia*‘ 'kan COD, MOCK&E ^ nninyak salmon
F
°sfolipid dalam oia^
perajaf Gambar 15-3. Tromboksan A
Sebcagoan Besar Asam Lervi
Aflomrai Memoliko Ikatan Ran^ Rantai karbon asam lemak jenuh zigzag jika terentang, seperti pacja * yang lebih tinggi, sebagian ikatan berp rantai memendek yang menjelaskan menjadi lebih tipis seiring dengan asam lemak takjenuh ditemukan < geometrik, bergantung pada orieni.
Ui Sisi
Yang sama
CU;, \ ^ . a asam lemak r*1 ?’ %*20 .0 n%urasi«V.dengV?' //
k
,0 A
dl ikatan
Ktf Sk afnbah ntuk L" sel n Nt> ^en&u
tWi
an u
i mlah1 ika^
V$f»-!«**> S,' all
’ya asam arakid0'
131
LiplD YANG PENTING SECARA FISIOLOGIS
Seramid 132
/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME
Sfingosin
Asam lemak
Asam fosfor
CH.. — N(CH,)
Aaam foafatldnt Gambar 15-7.
75-7 7. Suatu sfingomielin.
Triasil-sn-gliserol
Etanolamin
lositol
Kardiolipin Adalah lipid Uta Mitokondria Asam fosfatidat adalah prekursor F pada gilirannya menghasilkan
C
kardiol
Lisofosfolipid Adalah Zat Ar
lsf
atidi|g|jseroi
Metabolisme IFosfogliserol Zat ini adalah fosfoasilgliserol yang radikal asil, misalnya lisofosfatidilk penting dalam metabolisme dan fosfolipid (Gambar 15-9). Senyaw dalam lipoprotein teroksidasi dan dalam menimbulkan aterosklerosis
(|
at dan turn' Pada asam fosfati( ^bentuk (A) 3-<()S'
fat'dilserin, 3'1' y'serol).
(D)
di Oftok Bt ‘‘bentuk sekitar tUraK plasmaloge!? rr e
' miliki sebuah
' ester adalah * katan
M
^ilnya
1
15-10. Plasmalogen
BAB 15: LIPID YANG PENTING SECARA FISIOLOGIS / 1 3 7
YANG PENTING SECARA FISIOLOGIS
Proses keseluruhan dapat
134 I BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOl
:rlihatkan sebagai berkut:
dip
(1) Inisiasi:
ROO* + Logam1
ROOH + Logam "' Seramid
Bentuk “perahu
Bentuk "kursi
Y*
4- RH -» R* +
(2) Propag;
nukleus I- R i • Himulai oleh suatu:,isomcr radikal bebas yang sudah ada (X*), oleh sinar, atau oleh ion C ' . M B A R 1 5 - 2 1 . Peroksidas. Iip.d. R^aks. d mul . k den„anGambar tiga atau ikatan rangkap dan digunakan sebagai i m Malondialdehida hanya di^ntuk oleh as.ROOH + R 1 5 - lebih 1 5 . Konform. terminal asam lemak
terminal «am lemak <06.
.
»
(3) Ter nn nasi:
Asarn (misalnya asam
ROOR
it’1 , it"' ,
> ^* I-'1 I »l3° J1*\cF'*»\aUh K
J
LIPID AMFIPATIK
A
karbon jenuh dengan semua valensi yan ikatan hidrogen, kecuali jika diperlihatkan f • pCnu'1’> bukan cincin benzena. Semua ikatan ran ^C'nc sedemikian. Rantai samping metil din I ikatanikatan tunggal yang tidak meU n s‘ rantai yang lebih jauh (metil). Rantaisa at Pada terdapat di posisi 10 dan 13 (membent iT^ ^ 18). Biasanya terdapat suatu rantai SaU ^ 1 (seperti pada kolesterol). Jika lebih gugus hidroksil dan tidak ada , karboksil, senyawa tersebut merupak^^ ^arV namanya berakhiran -ol. ‘ SUatu St*-
Karena Asimetri pada IBamiyak Stereoisomer Terbentuk
Gugus polar atau hidrofilik
Gugus nonpolar atau hidrofobik
vikaian \\) tlipCrlih-‘tk‘l /^"'WnyangnuU'k.''1”1 5u c llUn )ukkan dengan g*11 ‘lu stcroid 5cx selain TNTNS « ,5p. Ciugns mc-f " alu berafln ,1 ,1 .,,,, L-mili#
Fase air
n
f
/*.'
Fase ‘minyak" *»tat n°npol0r
Konstituen Pe
re aa'*m P J
.J Fase a'r
kolesterol
a«llg
•C
satu
f ‘rfien6nya cocok se
, ,
;Xda>ah asam L
Fase air
Fase air
kurangjj t
, J?
dH» jenuh, „
b
asam Wj ‘bahan panjangra*
^S^cnuhan‘
>S-GANPA UfslD
LAP
0
leruistribus i ^ jaringan saraf. ran plasma clan lip° L>kan sebagai e s t e r 5 Uc Vang mengalami cs1 "Panjang.
a tllr
Seramid— Glukosa- (Asilsfingo- sin)
nbuhan dan ra & 1 lnD (Gambar 15-1^‘; Cri ya\va ini akibat be^
Galaktos,
LIPOSOM (MULTHAMELAR) F
CH.,OH
SetmyowiP D*1'
Ga*11
Gambar 15-13. Gangliosida
Q
reseptor di usus manusia untuk t l1!
'OKSi
b*r
15- 22. pembenttikan membr^ lipiA mi
l, emulsi, dan liposom dari lipid amfipatik. misalnya fosfolipid.
se
namun senyaW;1
coho' c«**
Se
k
ROOR + O
perti kolestero Gambar 'J' cincin yan§
inti sterc , rdekatan
nyang^' konfig^351 C'
13 8
/ BAGIAN «■. BIOENERGETIKA &MEIABOUSMEKARBOH1DRAUimD
Tinjauan Umum Metabolisme & •
Eikosanoid dibentuk dari asam lemak tak-jenuh 20 -karbon
Penyediaan Bahan Bakar
dan membentuk suatu kelompok pcniinp "*»* Wmon-Wmon v.«,n.-.. f
senyawa yang akt, secara fctolop tUt, (JT* “'""okortcks dan Kormo.. sck-s. v I
S£1£E. —£ ■ »; ...
, „,„A
icni.K'>’an£ mcnj».uulum, •» Menyebabkan icrluMW** • ,.1Imgan Jam
Ester-ester gliserol secara kuantitatif adalah \\ -j paling signifikan diwakili oleh triasileU ? yan8 suatu konstituen utama lipop^T' [*). simpanan lipid di jaringan adip0sa. p T °cntuk D adalah lipid amfipatik dan memiliki 0aSl'&',Ser°l
Metabolik
r.»J‘ al 0
c^r\
David A. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc
1
sebagai konstituen utama membran PC,)lin&- u . PBan
16
^ Cn cl
C
lipoprotein, sebagai surfaktan di paru ‘L * tar * *F: Lipid ‘’I Prckur second messenger, dan sebagai konstitu’en sor mcasUrcmcnt "X,'Uuon: a rcvicw ° 6 Glikolipid juga merupakan konstituen &ansaraf. '^ '^7:233 “,ctary mlWiuo, , a rin go-ong.n ^ H luar te^ ™"Ba» ..................... ", ini berperan saraf, seperti otakmedan membran seW ^ gan ?'rUli<= W7- •, ^^ at Sc OB P golongan berperan nyaWl ty u «lysi,. W ' ” UplJ permukaaninisel. >*Uulmembentuk t k,rb «-***i 2OoJ karb permukaan sel. °Wrat Da/_Mr,, *■ ’ ' Kolesterol, suatulipidam * 6|». 3rd ed. I I,, c lily ‘ Bod Kolesterol, suatu lipid amfin-*:i pent.ng mcmbran. s P >*.•bhhsUatu « * * * h"'™°n.,l r„|„ n Ponc yang menjadi sumber terbentu^ * ^ ^ol^? n ^ ..... '"'i J An
steroid| N NukP ’■ P'di " **e JF. (editors),
^SoodjL, 8 * 2002 ” fayn K: L,IH(L
^
.,„.n
PERAN BIOMEDIS
Metabolisme adalah istilah yang digunakan untuk menjela*kan interkonvcrsi senyawa kimia di da am tu u , . diambil oleh tiap molekul, hubungan ~ ™ mekanisme yang mengatur aliran mecabcol.t meUuuaJur jalur metabolisme. Jalur metabolik digolong ^ „ kategori: (1) jalur anabolik, yaitu ,a ur-,a ur ^ dalam sintesis senyawa yang lebn ,,rnrein dari keci1, mi n prekursor yang lebih ^ ^"ngferol dan glikoasam ammo dan sintesis cadang. B KATABOgen. Jalur anabolik bersifat endoternu . ser|ng l>k, yang berperan dalam penguraian eksotermjk, melibatkan reaksi oksidatif; ja 11 . , ^TP terutama yang menghasilkan e l u i i v a l e n y a n g hermelalui rantai respiratorik, . PJ J‘uu uPi«.ria sebagai langsung di ’persimpangan” «ni«lny. en P ghubung antara jalur katabohk dar • s, klus asam sitrat. normal sangat Pengetahuan tentang metab • mendasari Penting untuk memahami ke a,nj11 1 ajaptasi terhadap Penyakit. Metabolisme normal mencat menyusui. ma^a kelaparan, aktivitas fisik, kehatm ai^ drfsiensi gizii kelainan metabolisme dapat terja * efek obat defisiensi enzim, sekresi abnormal iormo dat> toksin , .70 kg memerlukan Orang dewasa dengan berat a « bahan bakar “kita,10-12 MJ (2400-2900 kka) memerlukan mct; abolik setiap hari; hewan yang e lebih kecil 1 • • - —-J 5 L- I r dan hewan yang s,
nipan ' —R 1 hari; H E WAN YAN G L E B I H BESAI — nie^e,1/1? ^an§S E D I K I T dan hewan yang L E B I H K E C I L hewai) cj! an banyak, per kg berat badannya, serta yang s_ an ana^ yang sedang tumbuh memiliki kebutuhan Pengeii,CCara ProPorsi°nal lebih besar untuk memenuhi 'n' rern'11
triasilgliserol, 30-40%), dan protein (10-15%), serta alkohol. Campuran karbohidrat, lipid, dan protein yang dioksidasi bergantung pada apakah subjek berada dalam keadaan puasa atau kenyang, dan bergantung pada intensitas kerja fisik. Kebutuhan akan bahan bakar metabolik relatif konstan sepanjang hari karena aktivitas fisik rerata meningkatkan laju metabolik hanya sekitar 40-50% di atas laju metabolik basal. Namun, kebanyakan orang mengonsumsi asupan harian bahan bakar metabolik mereka dalam dua atau tiga kali makan sehingga terdapat kebutuhan untuk membentuk cadangan karbohidrat (glikogen di hati dan otot) dan lipid (triasilgliseol di jaringan adiposa) pada periodesetelah makan, yang digunakan ketika belum terdapat asupan makanan. Jika asupan bahan bakar metabolik selalu lebih besar daripada pengeluaran energi, kelebihan bahan bakar ini disimpan, umumnya sebagai triasilgliserol di jaringan adiposa sehingga timbul obesitas dan berbagai masalah kesehatan yang menyertainya. Sebaliknya, jika asupan bahan bakar metabolik terus menerus lebih sedikit daripada pengeluaran energi, cadangan lemak dan karbohidrat nihil, asam amino yang berasal dari pergantian (TURNOVER) protein digunakan untuk metabolisme yang menghasilkan energi, bukan untuk sintesis protein sehingga terjadi EMACIATION (kurus kering), pengecilan otot (WASTING), dan akhirnya kematian.
Pada keadaan kenyang, setelah makan, pasokan karbohidrat berlimpah, dan bahan bakar metabolik untuk kebanyakan jaringan adalah glukosa. Pada keadaan puasa glukosa harus dihemat untuk digunakan oleh sistem saraf pusat (yang sangat bergantung sepenuhnya pada glukosa) dan sel darah merah (yang bergantung pada glukosa). Jadi, jaringan yang menggunakan bahan bakar selain glukosa dapat menggunakan bahan bakar alternatif; otot dan hati mengoksidasi asam lemak dan hati membentuk badan keton dari asam lemak untuk diekspor ke otot dan jaringan lain.
BAB 1 6: TlNJAUA. M UMUM METABOLISME DAN PENVEDIAAN BAHAN BAKAR METABOLIK
/ 141
•i i oksidatif (Gambar 13-2). glikolisis juga nroscs fosfor,las ecara anaerob (tanpa okisSgen), dengan
daPat ^'""Crupa 'aktatproduk akh,r ° ^ctabolitnya juga ikut sert2> dalam proses v nlukosa dan ; PcU simoamn glikogen C nf
Glukosa da
_ Sintesis polimer simpa*ian glikogen 3 - ^^ Talur pentosa^ fosfat, suatu la.... - “ aan hati. (2) Jalur pentos lain, ai otot rang*4 glikolisis. Jalur mi adalah sumber alternatif sebagj . (NADpH) untuk sintes is asam lemak ekuivalen pcrC .^^a untuk membentuk nwikleotida dan dan sumberTfiosa fosfet membentuk ^ugus gliserol asam nu^eat*,/\ Piruvat dan zat-zat antara siWus asam sitrat triasilgliserol- ( karbon untuk sintesis asam amino, menyediakan C^alaH prekursor asam lemak ^Jan kolesterol dan asetil-Ko^ a sernua steroid yang dibencu.1: oleh tubuh). (dan karenanya* ^ adalah proses pembentLikaLn glukosa dari ^lukoneogenf^rt)0hidrat, misalnya laktat, as am amino, dan prekursor no11 gliserol. misalny isalny
*!»*
e Lipid Terutama Ber|Msat pada Metaboli*r’V dan Kolesterol ^ s om l e 1 ”
,
iernak rantai-panjang adalah lipid makanan ^Wrnber asaO1 s;s de novo dari asetil-I<°-A yang berasal melalu* * atau asam ami*10 (Gamt’^- .' 16-3). Asam ;lri karbobi j-)C,lcsidasi menjadi asetil-'I^'^A (oksidasil «mak dap*1 jfikasi dengan glisero1. membentuk l * atau dieS k) sebasai cadangan bahs»n bakar utama a 1 ^‘asilgUsero 1 tUbuh A vang dibentuk oleh oksidasi-[3
se
^erapa p*° ^KoAyang berasal dari glik dan senyawa
k-produk nSkal (l.
„ korbohid^y | , |
utama ihatkan-
^ (
1
U
ptasikan
I
^ Seperti menjadi CO + asam iem e , sitrat. ^ nta^ kolesterol dan fekursor untuk rt ini dio^ 1 Menja^ n
I Jj
pemakaian J 0duk penejg ma Sc « Xk «<*atn' “?r J
siklus
?
steroid senyawa [n\ dig^nakan ui*1^ membentuk ^ Di hat1’ ton (asetoasetat 3'hidr^^ibutirat) yang badan bahan bakar panting paJa keadaan puasa merupa lama-
taboliSme
Anr*'*\°
iuatU P
;i oleh
i asa* 11 s,trat (G > di »i*ino Perlukan ljntuk Protein ^m-asai** 4). Sebagian harllS d>Pasokd»f‘ *>akanan (asam gambar 16 „ial) karena tidak aapat dit^"* di tubuh; >tno e*f % asam noi^'OsUl, ^ng berasal dan
a
w w Berpusat P**^
^S^r\ya a<^a ^
tap’ iu8a dapat d>b“H
zat-zat antara ^kanan, elalui ^ng^*1 menggunakan ^tabolik ino dari ^ arllin° lain, ah deaminasi, 1
men
jadi pi'J)
s Jaringan aerob memecabol'| ■KoA yang daPat lcrnasuki
ksidasi sempurna menjadi C0 J dengan pembentukan ATp $
‘trogen ^IP0 ‘iiekskresikan sebag*' «»^> dan keran?ka
1(
, togen a cersisa seteiaL transilir"ri,si V ^ dioksidasi ^rbon yan^
h r 16-3- Gambaran singkat metabolisme asam lemak yang
Gam 3
lihatkan jalur-jalur utama dan berbagai produk akhir. Badan TeK^adalah asetoasetat, 3-hidroksibutirat, dan aseton.
. «• cO melalui siklus asam sitrat; (2) digunakan untuk mbentuk2 glukosa (glukoneogenesis); atau (3) untuk membentuk badan keton. Beberapa asam ammo juga menjadi prekursor bagi wa jain, misalnya purin, pirimidin, hormon, seperti Spinefrin dan tiroksin, dan neurotransmiter. me
IALUR METABOLIK DAPAT DIPELAJARI DI BERBAGAI T1NGKAT SUSUNAN Selain penelitian pada organisme keseluruhan, penelitian di berbagai tingkat susunan dapat mengungkapkan lokasi dan
integrasi jalur-jalur metabolik. (1) Di tingkat t^ingan dan organ, sifat substrat yang masuk dan metabolit yang keluar dari jaringan dan organ dapat diketahui. (2) Di tingkat subselular, setiap organel sel (misalnya mitokondria) atau kompartemen (misalnya sitosol) memiliki peran tertentu yang membentuk sebagian pola jalur metabolik subselular. Di Tingkat Jaringan dan Organ, Sirkulasi Darah Mengintegrasilcan Metabolisme Asam ammo yang berasal dari pencernaan protein makanan dan glukosa yang berasal dari pencernaan karbohidrat
Steroid
TIMJAUAH
TtiasUg''sero'
(lemak)
140/
Glikolisis ) u a S 5ic.cn). dcn^n
BAGIAN II: BIOENERGETIKA &
Asa m
Makanan
lom Kolesterol
Knrbohid rat _ Asam
Jalur pontor.n
A
setit-KoA ^^woiogenesis \
Bada n keto
fosfat
Siklu s asa m
Metabolisme
Asam Lemak
Asam
lomak
Karbohidrat
■Pencernaai
sederh ana (teruta ma olukos Katabo/ismi sin j*k at me ia
ptasikan gufl;l S emua I1 1 suatu produk 11
°hidra t Berp *Qsib
. kar utama bagi kL ?s* dimetabolisn^’ ^ aerob , li i yang dapat ;:^asi Jpurn> * en gan pemben111
Ketogenesis
BAB 16: TINJAUAN UMUM METABOLISME
Asari
lemal
Jalur pentosa foufnt
Karbohidrat
Asetil-KoA
Asam amino
Ketogcni
Siklus asam sitrat
Karbohidi
Kolostorol
Gula'' sederhan a (terutama
^glukosa
a
Ptasikan guna ^ ^a. Semua pr°C Sll ‘Uu produk 1,1,1 lsi °leh siklus as*0' Uta
G A M B A R 1 6 - 1 . Garis besar ja|u protein, dan lemak dari maka KoA yang dioksidasi di siklus' ATP melalui proses fosforilasi
^■dirafr Berpu Qs ib GlukoS° ut
ama bagi kc ^ Metabolisms a, ’ngan aerob ^
yang dapat sempurna pembenf1
1
LSl
San
Kolesten
/ BAGIAN II;
°ENERGETIK A
B,
BAB 16: TINJAUAN UMUM METABOLISME DAN PENYEDIAAN BAHAN BAKAR METABOLIK / 143
METABOLIK
PENVEDIAAMBAHAN METABOLISME
TINJAUAN
Steroid
Ttiasiig',sero' (lemak)
Glikolisis
juga
Glukosa Asarn ,V
siaen). dengan
140/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOUSME KARBO)
lemak
Badan kolon '
Tu
amin o
'unan nitrogen non-proloin
Makanan
Asa m loma
untuk PLASMA DARAH
Kolesterol
Karbohi£rat __
Asetil-KoA —~7^7isteroio9^n csl s \
Asam
Jnlur ponto*® fonfnt ilukosa C
*mbari6.4'Camh
Ketogencsis Lipoprotei n TG C"
Asam -<■ lemak^
Sln
8kat
Bada n keto
Siklu s asa m
TG Makanan
TG JARINGAN ADIPOSA-«K.n produk .ikf
l)(,f,)
,irn 1 p,
'' asma
USUS HALUS
i I-. iinirl iihma (FFA, asam lemak bebas; LPL, lipoprotein lipase; MG, monoasilgliserol; CamW 76-6. Transpor dan nasib substrat dan metabo , M u ama. (Fh
Asam
lomak
TG
1 Hati memilik' peran diserap melalui vena porta hat .^ larut-air dalam ^engatur konsentrasi berbagai meta o _ Jicapai darah (Gambar 16-5). Pada saat ini dengan menyerap glukosa yang me esis) atau an mengubahnya menjadi glikogc maka„, hati asam lemak (lipogenesis). Di antara N , diiri glikogen bekerja mempertahankan kadar glukosa • * dengan (ghkogenolisis), dan bersama ; |aktat, gliserol, Mengubah met
Karbohidrat
■Pencernaai 'Gul a'' seder hana (terut
- triasilgliserol; VLDL, lipoprotein berdensitas sang
likogen
amino
abor,tno,,l
neogencsis)
c an
‘Kafabo/fsrrjt
ia|n'ran Sin«kal nu'labo'^11’^^ UTAMA CLAN I V'RTIHATKAN. Gambar 16-5. Transpor dan nasib glukosa bebas di otot karena gluko^ ^t da
ie
iad:ipt
Hs^ >c '>
Ca/n^r 76-7. Cans besar ,alUr.ialu protein, clan lemak dan makanan. w Ukk*aW KoA yang dioksidasi di siklus asam si,?^ i*'ur J ‘S^ aTP melalui proses fosforilasi oksida,J(1^akhi^^'
YL
1
"««■ s«“*1 >■ /
“'
|kan
11
H in-
s "* /A
>^SR
^<*25tSS2«
lt
^n
^ Ck^fyA yang dap*V A
sempurH‘l
^CnRan Dembeiltl‘
____
asam amino menjadi g u osa o ^emac{ai sangat ^nieliharaan kadar glukosa daiai ya sebagai bahan Penting bagi jaringan yang mem * ®satunya (eritrosit). akar utama (otak) atau bahan ba ^ ^ plasma utama ^latl )uga membentuk berbagai1 amin0 yang Misalnya albumin) dan mende g diangkut ke van ^lebihi kebutuhan dan membentuk urea y £‘njal untuk diekskresikan. |L1kosa sebagai bahan . Otot rangka menggunakan g GO maupUn akar, baik secara aerob yang membentuk
.
anaerob, yang membentuk laktat. Otot rangka menyimpan glikogen sebagai bahan bakar untuk digunakan dalam kontraksi otot dan membentuk protein otot dari asam amino plasma. Otot membentuk sekitar 50% massa tubuh dan karenanya merupakan simpanan protein yang cukup besar dan dapat digunakan untuk menyuplai asam amino untuk glukoneogenesis pada keadaan kelaparan. Lipid dalam makanan (Gambar 16-6) terutama berupa triasilgliserol, dan mengalami hidrolisis menjadi monoasilgliserol dan asam lemak di usus, yang kemudian mengalami re-esterifikasi di mukosa usus. Di sini, lipid ini dikemas bersama protein dan disekresikan ke dalam sistem limfe lalu ke aliran darah sebagai kilomikron, yaitu lipoprotein plasma terbesar. Kilomikron juga mengandung nutrien larut-lipid lainnya. Tidak seperti glukosa dan asam amino, triasilgliserol kilomikron tidak diserap langsung oleh hati. Senyawa. ini mulamula dimetabolisme oleh jaringan yang mengandung lipoprotein lipase yang menghidrolisis triasilgliserol, dan membebaskan asam lemak yang kemudian
BAB 16: TINjAUAN UMUM METABOLISME DAN PENVEDIAAN BAHAN BAKAR METABOLIK / 145
! 44 / BAGIAN II: BIOENERGETIKA &
keton (ketogencsis). Badan keton diangkut ke jaringan
ckstrahepatik, tempat badan-badan keton m. bekerja sebag. bahan bakar dalam keadaan puasa lama dan kelaparan.
'*rap oleh sci
d
dan dicstcril
Di Tingkat Subselular, Glikolisis Berlangsung di Sitosol dan Siklus Asam Sitrat di Mitokondria
*ba*ai ^an baka l
P°gcncsis,llsam |CI bar 25-v ,
ni
■in k. . * n
densitas sanui ^Dl) Tr V
komp Pemisahan jalur-jalur metabolisme ch ^^ subselular atau organel yang berbeda memungk nhn terjadinya proses imegrasi dan pengaturan ™ ab°‘“ ^ Tidak semua jalur sama pentingnya bag. semua s . • 16-7 menggambarkan kompanementast subselular jalur jalur metabolik di sel parenkim hati. nrpflnel Peran sentral MITOKONDRIA terlibat ,elas ka^a fr ini bekerja sebagai fokus metabolisme karbo. drat,^ dan asam amino. Mitokondria mengandung j siklus asam sitrat, oksidasi-P asam lemak dan ketogenesis,
aas^ 5 *
Glikogen
Glukosa
Glikolisis
Fosfoenolpiruvat
Asnm lomak
serta rantai respiratorik dan MP pembentukan Glikolisis, jalur pentosa °. . . koneogenesis, asam lemak semua terjadi ch sitoso . ac. ^ ^ sitosol substrat seperti laktat dan piruvat yang ter ^oasetat memasuki mitokondria untuk menghasilkan sebagai prekursor untuk sintesis glukosa. menpandung Membran retikulum ent °P . , ribosom sistem enzim untuk s i n t e s i s t r i a s i g » s e r o , bertanggung jawab untuk s i n t e s i s p r o t e i n ALIRAN METABOLIT MELALUI JALUR METABOLIK HARUS DIATUR s TERPADU
I | : suatu jalur sangat Regulasi aliran (fluks) keseluruhan me a^ cjari jalur aS0 u penting untuk menjamin agai P cjcn„an mengontrol tersebut tepat sasaran. Regulasi ini dicapa ^ e bersangkutan, s»tu atau lebih reaksi kunci di >a . yipa,aor fisikokimia Vang dikatalisis oleh e n z i m r e g u l a t o r * ^ dikatalisis oleh Vang mengendalikan laju suatu rca
eaksi yang Tidak-Setimbang
Bada n keto n
Adalah T Kontrol Potensial palam suatu reaksi yang setimbang, Ce ^elakang berlangsung dengan <-e tidak terjadi aliran netto ke salah satu
sc
|r j ke depan dan tara sehingga
^. n
° B ° Cr°jadi ali«" A;: - dalam kondisi "STEADY ’ :.XL\\ pasokan a Inklri ^ kanan karena terus mener“ suatu jalur metabolik Pengeluaran vivo, k i D. Pada praktiknya. c 1 • A
Gambar 16-7. Lokasi intrasel dan gar asam
amino
metab0|;
esensial;
AA
<->,
STLLTT
hampir selalu terdapat satu atau lebih reaksi yang tidaksetimbang, dengan reaktan yang berada dalam konsentrasi yang jauh dari keadaan setimbang. Sebagai upaya untuk mencapa. keseimbangan, terjadi kehilangan energi bebas dalam jumlah besar, sehingga reaksi tipe ini pada dasarnya bersifat ireversibel Panas A <-> B C <-> D jalur seperti ini memiliki aliran dan arah. Enzim-enzim yang mengatalisis reaksi tidak-seimbang terdapat dalam konsentrasi rendah dan mengalami berbagai mekanisme reguatonk. Namun, sebagian besar reaksi dalam jalur-jalur metabolik tidak dapat diklasifikasikan sebagai setimbang atau t.dak-setimbang, tetapi berada di antara kedua keadaan ekstrem tersebut.
Reaksi Penghasil Aliran Adalah Reaksi Pertfainnia dalam Suafru Jailor yang Tersaturasi oleh Substrafr
Suatu reaksi dapat diketahui sebagai reaksi yang tidak-seimbang jika K enzim jauh lebih rendah daripada konsentrasi substrat normal Reaksi pertama dalam glikolisis yang dikatalisis oleh heksokinase (Gambar 18-2) adalah suatu tahap penghasil aliran karena KN untuk glukosa sebesar 0,05 mmol/L jauh d, bawah konsentrasi glukosa darah normal sebesar 5 mmol/L.
MEKANISME AIGSTERBK & HORMONAL PENTING DALAM PENGATURAN metabolik REAKSI
YANG DIKATALISIS
OLEH ENZIM
Di Gambar 16-8 diperlihatkan suatu jalur metabolik hipotetis, dengan reaksi A <-> B dan C <-> D sebagai reaksi setimbang dan B -» C sebagai reaksi yang tidak-setimbang. Aliran melalui jalur seperti ini dapat diatur oleh ketersediaan substrat A. Hal ini bergantung pada pasokannya dari darah yang selanjutnya bergantung pada asupan makanan atau reaksi-reaksi kunci yang membebaskan substrat dari CADANGAN di jaringan ke dalam aliran darah, misalnya glikogen fosforilase di hati (Gambar 19-1) dan lipase yang peka-hormon di jaringan adiposa (Gambar 25-8). Aliran tersebut juga bergantung pada transpor substrat A ke dalam sel. Selain itu, aliran ditentukan oleh pengeluaran produk akhir D dan ketersediaan kosubstrat atau kofaktor yang diwakili oleh X dan Y. Enzim-enzim yang mengatalisis reaksi yang tidak-setimbang sering berupa protein alosterik yang dapat mengalami kontrol “umpan-balik” atau “umpanmaju” (FEED-FORWARD) oleh pem'odifikasi alosterik (ALLOSTENC MODIFIERS) sebagai respons cepat terhadap kebutuhan sel (Bab 9). Produk suatu jalur biosintetik seringkali menghambat enzim yang MENGATALISIS reaksi pertama di JA ur
BAB 16: TINJAUAN UMUM METAbH DAN PENVEDIAAN BAHAN BAKAR METABOLIK / 147
146 / BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME
^BOHIDRAT & UPID
Sebagian besar asam amino yang melebihi kebutuhan untuk sintesis protein (berasal dari diet atau dari peigantian protein jaringan) menghasilkan piruvat, atau zat antara empat- dan lima-karbon pada siklus asam sitrat. Piruvat dapat mengalami karboksilasi menjadi oksaloasetat yang merupakan substrat primer untuk glukoneogenesis, dan zat antara lain pada siklus juga menghasilkan pening catan ne pembentukan oksaloasetat, yang kemudian tersedia untuk glukoneogenesis. Asam-asam amino tersebut diklasifikasikan sebagai glukogenik. Dua asam amino (lisin dan leusin) anya menghasilkan asetil-KoA pada oksidasi sehingga tidak dapat digunakan untuk glukoneogenesis, dan empat aim y y fenilalanin, tirosin, triptofan, dan isoleusin) menghasilkan ASETIL-KOA dan zat-zat antara siklus asam sitrat yang dapat digunakan untuk glukoneogenesis. Asam-asam ammo yang asam menghasilkan asetil-KoA ini disebut sebaga. ketogenik karena dalam keadaan puasa ama atau e . sejumlah besar asecil-KoA digunakan untuk sintesis badan keton di hati.
Eru.
a|
OS|Qf,|(
BAHAN BAKAR METABOLIK DIPASOK DALAM KEADAAN KENYANG MAUPUN
PUASA
Glukosa Selalu Dibutuhkan oleh Sistem Sairaff Pusat dan Eritrosit Eritrosit tidak memiliki mitokondria sehingga^ « JJ* Gambar 16-8. menunjukkan enzim inaktif mRNA
'• ,er
r
berlangsung
bergantung mutlak pada glikolisis anaer^ Pentosa fosfat. Otak dapat memetabol u ntuk memenuhi sekitar 20 % kebutu iar vanp terjadi har us dipasok oleh glukosa. Perubahan ,m^konsekuensi dari dalam keadaan puasa dan kelaparan a a ^ cadangan ^eharusan untuk mempertahankan g u jjpUnakan oleh ter batas glikogen di hati dan otot ^ in penyediaan ot ak dan sel darah merah, dan until • r:nKan lain. Pada bahan bakar metabolik akernatif untu ] keh— •-« ■ • -1 elukosa daian >
npat-temp.
en di™ j3di akijf
kat r|
tingl<
Mel
bosom-
r
Wsedanok
aban
membutuhkan gu
siap^^^n
U
0
m;
cadangan
sintesis asam len^ ^ dcn ^ gJiserol) di jaringan
,v
adiposa dan hat/f3'1 Crf! por dalam bentuk
sintesis glukosa
at
'-ion yang
OIL-
Sel
lipoprotein berd .8keJ Pentingnya lipogenesis pada rnanusj^1^ san| negara-negara Barat lemak makanar,* j^j asupan energi, sementara di negar^enyedj^
jum|
gnihkan, demikian juga sintesis ^enyusui (Gambar 16-9).
glikogen di otot dan hat,! dan gunakan untuk a
jumlah ^
S1
Karbohidrat yang berlebihan dib raboJisme energi
a am
^ehamilan, janin
BANYAK BAHAN B A K A * DAPAT DIPERTUKARkXiJ MEtA&( penghasil
bakar metabolik alternatif untu J j |
keton sisanya
tj
^rjadi kehil*ng‘
.
0 1
sebelum oVsd | ' bahwa asetil-^0!
5
men
ghasilkan
et
** \ ntu
,lC
i ^ glukoneoge '
. • 'uga gliserol ya _ lasil
gIiserol di
Jo|om Keadaan Kenyang, T^'®A0|ik et1 : yimpanan Bahan Bakar MetaD *ama beberapa jam setelah makan, KET
nietabolik j^encernaan diserap, pasokan a ia° bahan bakar er,irnpah. Pada keadaan ini, gluk°f\ jaringan; hal im Utarna untuk oksidasi di sebagian raSi (rasio karbon ter aiTiati sebagai peningkatan KUOSIE" r P dikonsumsi)
^^idayang^iproduksi terhadap oks1^ /^mendekati 1 s*itar 0,8 DALAM keadaan puasa HMGG
abe| 1 6 -1 ).
I Ambilan glukosa oleh otot dan jaringan adiposa dikontrol oleh insulin yang disekresikan oleh sel fi pankreas sebagai respons terhadap peningkatan kadar glukosa di darah porta. Dalam keadaan puasa, transporter glukosa di otot dan jaringan adiposa (GLUT-4) berada di vesikel intrasel. Respons dini terhadap insulin adalah migrasi VESIKEL-VESIKEL ini ke permukaan sel, tempat vesikcl- vcsikel tersebut menyatu dengan membran plasma dan memajankan transporter glukosa aktif. Jaringan yang peka- insulin ini hanya menyerap glukosa dari aliran darah dalam jumlah signifikan jika terdapat hormon ini. Sewaktu sekresi insulin berkurang dalam keadaan puasa, reseptor kembali diinternalisasi sehingga ambilan glukosa berkurang. Ambilan glukosa oleh hati tidak bergantung pada insulin, tetapi hati memiliki suatu isoenzim heksokinase (glukokinase) dengan KM tinggi sehingga ketika kadar glukosa yang masuk ke hati meningkat, laju sintesis glukosa 6 -fosfat juga meningkat. Hal ini melebihi kebutuhan hati akan mctabolismc pembcntukenergi, dan digunakan terutama untuk membentuk glikogen. Di hati dan otot rangka, insulin bekerja untuk merangsang glikogen sintetase dan menghambat glikogen fosforilase. Sebagian glukosa yang masuk ke hati juga dapat digunakan untuk lipogenesis dan karenanya untuk sintesis triasilgliserol. Di jaringan adiposa, insulin merangsang penyerapan glukosa, konversinya menjadi asam lemak, dan esterifikasinya menjadi triasilgliserol. Insulin menghambat lipolisis intrasel dan pelepasan asam lemak bebas. Produk pencernaan lipid masuk ke sirkulasi sebagai kilomikron, yaitu lipoprotein plasma tcrbesar yang kaya akan triasilgliserol (lihat Bab 25). Di jaringan adiposa dan otot rangka, lipoprotein lipase ekstrasel disintesis dan diaktifkan sebagai respons terhadap insulin; asam lemak tidak-teresterifikasi yang terbentuk sebagian besar diserap oleh jaringan dan digunakan untuk sintesis triasilgliserol, sementara gliserol tetap berada di dalam darah dan diserap oleh hati serta digunakan untuk glukoneogenesis dan sintesis glikogen atau lipogenesis. Asam lemak yang menetap di dalam darah diserap oleh hati dan direesterifikasi. Sisa kilomikron yang lipidnya sudah berkurang dibersihkan oleh hati, dan triasilgliserol yang tersisa diekspor, bersama dengan triasilgliserol yang disintesis di hati, dalam bentuk LIPOPROTEIN BERDENSITAS SANGATRENDAH (VLDL). Pada keadaan normal, laju katabolisme protein jaringan relatif konstan sepanjang hari; peningkatan laju katabolisme protein hanya terjadi pada keadaan kaheksiayang disebabkan oleh kanker stadium lanjut dan penyakit lain. Pada keadaan puasa terjadi katabolisme protein netto dan sintesis protein netto pada keadaan kenyang ketika laju sintesis meningkat sebesar 20— 25%. Peningkatan laju sintesis protein sebagai respons terhadap peningkatan ketersediaan asam amino dan bahan bakar metabolik juga merupakan respons terhadap
/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METAB0l|SME BAB
^BOHIDRA' T
BAGIAN „..BIOENERGET,KA&WETABO 150
s
/
BAB 16: TINJAUAN UMUM METABOLISME DAN PENYEDIAAN METABOLIK / 149 16: TINJAUAN UMUM METABOLISME DAN PENYEDIAAN BAHAN BAKAR METABOLIK BAHAN/ BAKAR 151
& UPID
^karbohiD Ra Uu p i 0
asam lemak, serta rantai respiratorik dan ATP s.ntase. Tabel 16-1. Produksi energi, konsumsi oksigen, dan produksi karbon dioksida .11 ini mcnealami keadaan
Membran retikulum endoplasma mengandung enzim-
laju metabolik sehinggadalam pas L oksidasi bahan rimbulbakar jika metabolik enzim untuk sejumlah proses lain, termasuk smtes.s protein i --------—— - roTRIASILGLISEROL yanq: RQ (CO. yang dihasilkan/O, dan metabolisme obat.Energi (kJ)/ L s-vasi tahap-lanjm. Kcmatian ,ug n J I P ! ^"^si (L/ ) I diho . n (L/ ons^si,
Tabel! 6-3. Ringkasan gambaran
jaringan esensial dikatabohsmc c an Tingginya kcbutulum a Karbohidrat ; untuk mcmbemuk kiktos. ^ Protein ; menyebabkan kctosis. ac.
6- o*> a*9
.
biri biri k
bctina
produk akhir 'oolisme olr ansmitGr
JARINGAN KSTRAHEPA - (misalnya. otot hr
puasa awal, glukosa dipasok dan cadangan olikogen. Untuk transaminasi ini dikeluarkan dari otot, dan diserap oleh hati pemakaian glukosa, dan Pada Keadaan glukoneogenesis dariMobilisasimenghemat glukosa, otot dan |ar,ngan lain tidak menyerap Puasa Terjadi tempat rendah alanin jaringan-jaringan mengalami transaminasi glukosa jika sekresi msuhn ini lebih untuk menghasilkan Cadangan Boham Bakarinsulin Mefo ° 11 insulin menyebabkan pening ° ^ ketiadaan piruvat. A SAM-ASAM amino yang terbentuk sebagian besar menggunakan asam lemak dan kemudian badan keton) asam amino di hati. Pada saat yang * lemak, clan Pada keadaan puasa terjadi penurunan ringan kad.sebaga, ^ l 1 bahan bakar.diekspor kembali ke otot, dan menyediakan gugus amino untuk menyebabkan peningkatan ip° -’ ^ menjadi substrat Plasma, kemudian perubahan keel sewa tu P^ membentuk banyak alanin,a,am sementara piruvat adalah bcrtambah , Dalam keadaan puasa, jaringan lebih adiposa "clepaskan asam-asam lemak bcbas yang lcnc yrA(\-w keton di otot menjadi kelaparan. Asam lemak be - [ «edikit Padasubstrat utama untuk glukoneogenesis di hati. lemak bebas. puasa berkepan,angan dan kelaparan, untuk ketogenesis di hati. 1 ema ^ karena kekurangan pada keadaan puasa, tetapi kemudian Di jaringan adiposa penurunan insulin dan peningkatan asam-asam lemak ini digunakan oleh hat untuk (dan jaringan lain) dapat tcr°‘u (semua jaringan pada keadaan kelaparan-, sewaktu puas terhambatnya lipogenesis, inaktivasi menyintesis badanglukagon keton yangmenyebabkan diekspor ke otot oksaloasetat dalam junikn a. mempCrtahankan UNTUK menjadi bahan bakar utama. plasma (asetoasetat t • I lipoprotein lipase, dan pengaktifan lipase peka-hormon intrasel memerlukan metabolisme g u osa sbadan itrat).keton Pada . Sebagian besar asam amino yang dar, dietpeningkatan ATAU sangat meningkat (Tabel 16-2, Gambar 1 darah porta (Bab 25). Hal iniberasal menyebabkan pelepasan gliserol
jaringan ini tidak dapat % yang diperlukan untuk energi nya melalui oksi^^uhi
H
£>bi ^ OS
membentuk lebih banyak *N _ V> 0% «lX,
* 1,1
nicuiucuiuK .com banyak ' • Pin UHa V*
S
untuk otot rangka da„ j “ Gambar 16-9.V ^ N Ai sebagian kebutuhan ’ bahan *>> ,>0«4S ene jantung, 6
b °'»k. (LPL, '» 0j, mcn lipoprotein >V„ ‘ n, \
g ukosj
pergantian protein jaringan d.gunakan untuk (yaitu substratdapat untuk glukoneogenesis di hati) dan asam lemak glukoneogenesis, demikian juga gliserol dan peninekatan bcbas dari jaringan adiposa yang digunakan oleh hati, jantung,
dan
s'sru ' <>•" <«» «•; “i” ::
jaringan lemak menyerap lebih |3-hidroksibut.rat ^ osmolali tas sedikit cairang u ° glikogen
kolesterol dan badan keton- ^ karbon untu ' g Glukosa menyediakan kei‘ g nonesensial.
kapasitas
diokS.dasmya.ASetil-KoA ^'il-O kc " badan keton (Bab 22), yai^H^HN
dapat sedemikian
Pada keadaan -puasa, ketika kadargu ^ tidak-terkontro ^etoaS1 dosis) karena
dan otot rangka sebagai bahan bakar 1 metabolik yang lebih . sekresi glukagon oleh sel a pankreas meng. ^ ^ disukai sehingga glukosa dapat dihemat. kuat. Asidosis dan peningkatan . abkan koina. s ekstrasel (terutama hipcrglikemia) memengaktifkan > 'ntetase, dan SllkoSe" ° aihidrolisis olehtriasilgliserol jaringan adiposa, maupun badan keton YANG dibentukaliran dari asam lemak pada keadaan puasa, tidak Glukosa 6 -fosfat yang terbentuk kemu ^ glukosa 6 -fosfatase, dan glukosa dibe as ^ menghasilkan substrat untuk glukoneogenes,s. RINGKASAN . darah untuk digunakan oleh otak cli,'n ^kontribusi langsung .. . 1 bahan baku kepada Glikogen otot tidak dapat mem er .^j glukosa e ia Glukosa • Produk pencernaan meny kompleks dan juga REFERENSI 1a gi glukosa plasma karena otot 11 a£n otot adalah jaringan untuk biosintcsis m oSCS.proses kehidupan. Bender DA: Introduction to Nutrition and Metabolism, 3rd ed.. ^"fosfatase, dan kegunaan utama g ‘ o ^..fosfat untuk bahan bakar untuk menjalank. karbohidrat, protein, Taylor & Francis, London, 2002. u Hienyediakan suatu sumber bagi S . ° senjiri. Namun, * Hampir semua produk pencer metabolit bersama, Brosnan JT. Comments on the metabolic needs for glucose and Metabolisme penghasil energi di otot im ^ ase dan lemak dimctabolisme : dalam the role of gluconeogenesis. European Journal of Clinical til-KoA yang terbentukCO mela ui • “ 0 menyebabkan 0t °t mdioks.das e n g h a m b a t piruvat DEHIDROGENAS asetil-KoA, sebelum 1Tiengalami Nutrition 1999;53:Suppl 1, S107-S111. siklus asam sitrat. untuk akuinulasi piruvat. Sebagian besaislllP^iruSl ‘ Drekursor Fell D: Understanding the Control of Metabolism. Portland Press, % Asetil-KoA juga merupakai r tcrm. ^e/ 76-2. Kadar bahan bakar '^^an puasa. 1997i-c_roi Glukosa asam lemak rantai-panjang P'^sma (mmol/L) pada keadaan kenyang |||||im Frayn KN: Integration of substrate fow in vivo: some insights into asetoasetat
i
CERNA
Meskipun dalam ke ,
yang
m erelati nurun* parah sehingga terjadi Menurun, asidosis ‘ sekresi insulin , am yang
SALURA
Otot kedut lambat
Jika tidak ada su akan habis setelah
etiadaan
k
oksaloasetat untuk aktivitas s ' diabetes
Pc mbcr
Karbohidrat dan asam amino dar, makanan yang melebihi
sc
E
keseluruhan metabolism
I 90
memenearuhi sintesis enzim.
etoasidosis yang
kctiadaan insulin untuk mera g * g
amino, sintesis
orot
^^
terhadap kerja hormon) dan mekanisme lambat yang
kebutuhan dapat digunakan untuk menymtes.s asam kerja insulin. Sintesis protein adalah suatu pioses y. g transaminasi menjadi alanin, dengan mengorbankan asam^ ^ tcrkontrol, lemak menghabiskan banyak energi; sintesis mi dapat muiKt u dan, ai triasilgliserol. asam amino yang berasal dari penguraian cadangan protein Pada diabetes melitus tipe V scbagian karena Pada keadaan puasa dan kelaparan, glukosa harus tetap hingga 20 % pengeluaran energi saat istirahat sete a l ma a ’labiP yang terbentuk pada keadaan kenyang. Alanin, dan pasien dapat mengalami upas, , dan penyerapan disediakan untuk otak dan sel darah merah; pada keadaan tetapi hanya 9 % pada keadaan puasa. scjumlah besar asam-asam keto yang dihasilkan dari
metoboli
l
: O, .........
mcncolok dan hipoglikcmia berat.
likolisis,
berkepanjangan,
dik
dengan kchamilan kembar, dapat )
kinase. WJB kaibok5 0
sendiri, dan
g)
................ ................."V'......................:.......................r» Vi
modifikasi alosterik dan kovalen (sering sebaga, respons
ini dapat : hkemia; pada hipog kcadaan
•
terlihat sebagai kctosis nngai JARINGAN
3
jalur-jalur metabolik diatur oleh mekanisme cepat yang ^ . • Jan 829 * 0 829 .......................... memengaruhi°' aktivitas enzim yang sudah ........................... ada, yi. ^yli, dapat •_____ j .........................................................................j.......................' 16 08] . j 20
1, 4
CV\,
"BhasitJ' ku,S0'\
Sit
JH, %
ba
pada triasilgliserol dan asam a |iangkut langsU” Produk pencernaan yang^ru ^ Hati mengatur kadar pa
hati melalui vena porta ^ , glukosa dan asam am‘n° a ‘ jamikompartement ^
anyak iunil*1'1
ftj^tabolismc pro^ llr
JS, k Kl,N "s
•
Uuk glukonco^
........................................... , V15
. bebas ; ...... glikoSeneS,S’ ;adi di sitosolfosfat, dan lipogenesis ^.^5 sam sitra ,
2
-
%
X n
&a,‘ riln
l^P
asicn
/,)
S'^Hs- ^ sebaga' N>Patologis,®,,,terlffl/
^gan, serta p“"
,a
'
1,1 9 1999;276:E409-E426. :
; .......................
_I Kenyang _
>ac|
an keton ..Glukosa : niengandung enzim-enzi1
<0* Sft k*S»i Untul< n'^^/A
7 h : 40 jam ; P ERSPECTIVE, 2nd ed Blackwell Science, 2003- Zierler K: Whole 3 5 3,6 -' ar,Sasi. body metabolism of glucose. American Journal o Physiology
Di dalam sel, jalur-jalur me"S j0luis, •am lemak 0,30 jalur P ^ Glikolisis, ;
a
■CVSS’ *n*K
metabolic control. Clinical Nutrition 1997;16:277-282. aran KN: METABOLIC REGULATION: A HUMAN Frayn ^T^f«P
As
AK 1 Dapat diabaikan ■ 5,5 Jam puasa
G A M B A R 1 6 - 1 0 . Perubahan relatif berbagai parameter metabol pada permulaan masa kelaparan.
BAB 16: TINJAUAN UMUM METABOLISME DAN PENYEDIAAN BAHAN BAKAR METABOLIK / 151
laju metabolik sehingga pasien ini mengalami keadaan starvasi tahap* lanjut. Kematian juga timbul jua protein jaringan esensial dikatabolisme dan tidak diganti. . Tinggi nya kebutuhan akan glukosa oleh janin, dan untuk membentuk laktosa pada masa mcnyusui, apat menyebabkan kctosis. Pada manusia, keadaan Asetil-KoAini dapat terlihat sebagai kctosis ringan dengan hipog (CO i'emia, pa a hewan tcrnak vans; sedang mcnyusui dan bin- in ictinr dengan kchamilan kembar, dapat terjadi ketoasidosis yang mencolok dan hipoclikemia berat. I’ada diabetes melitus tipe 1 yang "dak tcrkontrol, pasien dapat mengalami hiperglikemia, soagian ketiadaan insulin untuk merangsang pcnycrapa Pemakaian glukosa, dan sebagian lagi arena insulin menyebabkan peningkatan ® “ ^'’d^n insulin «am ammo di hat,. Pada saat yang . menyebabkan peningkatan l.pd'S'S • I S substrat asam-asam lemak bebas yang terbentuk ime | untuk ketogenesis di hati. PEMAKAIAN badan Wan jaringan lain) dapat terganggu ka ena kekut, g . ——i D,I™ ............................. .2 ," n.n Memerlukan metabolismeperan glukosa un _;rrU). Pada mencRanibarkan oksaloasetat untuk aktivitas siklus sedemikian Gambar 17-1. Siklus asam sitrat ya g katalitik oksaloasetat. diabetes yang tidak-terkontrol, ^°S,ketoa;idosis) karena parah sehingga terjadi asidosis btni ( relatif dekarboksilasi menjadi a-toog^rara^DcU^ asetoasetat dan p-hidroksibutirat adalat |itas caira„ memerlukan ion Mg" atau Mno.. -P ,Uat- Asidosis dan peningkatan he at 'sositrat dehidrogenase. Salah satunya ek strasel (terutama hiperglikemia) menye . yang B NAD., hanya terdapat di -“^t di mitokondria menggunakan NADP' dan d'^.rantai respiratorik dan s,t °sol. Oksidasi isos it rat t > cnzim yang berlangsung hampir scmpurna n e . ^BSMIGKASAM
S 'Qrgan oenlinn an
---
°lu^UtQmn
Siklus Asam Sitrat: Glikolisis, glukoneogenesis lipogenesis, oksidasi-p,
-■ '"■"S
4|,,
°^ sitrat, ketogenesis ^ me abo isme lipoprotein metabolisme obat, sintesis garam empedu, urea as
;
’
Jantung
Q
6
Icefon
« nor*°’ : kinase, tosfocnolp' J Pe m i * karboksikinase, .e | D du, kofes» ein
pCa °'' •' ^kinase. of^°%
koleste • HMG rol r P °'e>n plasma
Glikolisis, metabolisme asam i ................................. amino, sintesis neurotransmiter ' osa-^am • .............................................
KoA sintoso, ^
'11
HMG KoA noa50'
dehidrogenoff. --* \iase, • Enzim untuk s 1,eS j[ *
: ^m'no badan keton • Pr
• Pada kelaparan 1 rT'e'°bo\isme
PERAN BIOMEDIS
fosfatase, glis®r0fi/V^
Uf0,
Katabolisme Asetil- °' l ro^ KoA P
■—
j ^oscTf^^ Enzim Khu f ^^ : ?*•»'v5jDL,,9,,*Sero1 Glukokinaset gluko*
WaV'oe\>as1\aV\a\,\ : lipoprotein iip°^ S i k l u s a s a m s i t r a t ( s i k l u s K r e \uott\cj\\set b s s i k l u o\ XJ \DV &reoVsvdas\ d\ rniai vcs\V\v.uov\V - k,r
j n9
pemWukanOTtfosfonW*°^sK:transpor 'ob % •'"='ele reaksi di mitokondrf “am Wka&fey \dauVAomWtou, :sangat Wtofc \3V Vtoscs \m Wsto »cflVakti> esterifikasi c dan m "f gugus asetil pada asetil-KcA \ '.e'ba^vau §\viV o s>a , ■■puilb lemak, lipolisis oW\£«\se\>aga\oks\d;\n tev.xU'" \.\vvs A!**''" duksi t (dalam e r -r e o kDUOS s i dOa^ s i m e l a l u i r a n a^am t a i r r ,\ GWV Otot keduty a n g puasa .o'.a,\ua^Ywfcto\ \ an s , nYeactaau \ Nl\)Ydat\V\W\\W'’V %'*KAuVs\.Ei\z\m-cn7.\mV^' ' cepat k c w s ) P del A \U V»eV»-' ^\A" £ . 0 1 berhubungan dengan pembentukan ATp °' '' C memWn da\am imoV o mUvA SCVVA "'vt \ e< Glikoli s asam sitrat adalah j alUr b. Otot kedutS i k l uGlukoneogenesis'"""""-.. 0 \m tamavrespuaioviU *W7Am-eu7. Vvvoop^to^ ' WTAI'-'-
(C
Jaringan Lipogenesis, adiposaadalah serangkaian
AS1*’
ter
lambat oksidasi karbohidrat, lipid, dan
akhir „ Q \ Ksau\\moVbe^os, \ peV-°' Q \o\. -' t Ini asam lemak, dan sebagian besar asa^T" ^a ^ dQl ^VKUIS '•i--Sfc ^ ASAM\ anV\\ou\\V\ot\ \ ^\\^o\ '” 10 di menjadi asetil-KoA atau zat-zat am metaK ’ Puasa) ^JAW ft^KAN tKUWAV.t' 4 \ GVkoro, §\\Y o $eu \ V a V\a\, \aW ini juga berperan sentral dalam dukn^ ^ - SiU .................. dan interkonversi asam-asam"3 amin608611^’; lip0o US'-.?;«ro| *ni kar
Eritrosit
berlangsung ..................... di sebagian besar jari “n Hak pr^;
«W0V1KS\ & ; apoprotein lipo ' oQ ASA N\ ■ anspor elektr° '»-I.. _angat CO, aktif ,
,r
K?1
!8!
°
GlUk SQ
n
0 s
'
; Gliserol kinase, VLDL, li jika, contohnya, sejumlah bet>^5 ^ WK^ ^ ! fosfoenolpiruva at rUsak Parah hepatms akut atau diganti oleh iar; ‘ -sen . ^tul karboksikinosf_.d;ln oksi er sirosis). Beberapa defek genetik (sen rtIpada I S‘trat dilN^*°AVn ; ^ noglobin, enz,rn ^ UlZtali , ^ ^ oleh Meskipun keadaan (Q A \k ,,), w br c oIdl silfat puasa asam dalam sitrat yang pernah dilaporkan ' nzi^eil2 Pa(>a ^C J° da,r ;' - i' >” Pentosa fosfat ^ c enycba menyerap saraf dan memetabolisme asam 1 ' °t0tgUnv cnd bkan j* ^Us (Qa%ar berat karena sangat tergang ant.i^ ^tuk II- 0,1 karbonil p*lt d J^'ke-karbon errib lu jaringan ini tidaksaraf dapatpusat. memenuh^^ bcV sistem entu^ Sakar, ' energinya knrU~. melalui oksidasi-P. Sebalikn^ Ii1a lTl(Sil ATp r Uatu reaksi 1 dan mcnlhc S1KLOS ASAM SUTRA! di kapasitas lebih besar untuk oksidasi-ft A . ati rnc I'Uatm Kapasitas leoin besar untuk ol MENGHASILKAN yang diperlukan diperlukan untuk memenuhi 1 1SOBSTR .U^ar‘pa^ k-, AI yang untuk mem ( Utuh >£?,'Na;T.,Ckso'«mik. UNTUK RAHIA1 RESPIR sendiri, dan ketika keadaan an cn^11^ ATOR|K pu^ ... i^dJS^t^^nsasi menjadi i.« m^mhenn.k lebih banyak asetil-K A ? • sendiri, dan ketika k e a d a a n ' 0 ^ R i n * ' . >* * ni ^ reaksi ini r Siklus diawali dengan reaksi antara RUe . :;tr^Ai S KoA danbanyak asam dikarboksilat emDaM ASpt ^ u * 1 U^uk IT Pr°tCn\^ nid koni membentuk lebih asetil . '7 . Hnj'Ha Ko A ^na i«
‘ \I
M
A
*J \A ^■S^? —
•has!- 11 J
J
*i,0, • “'* (flcA
asam lemak, serta rantai respiratorik dan ATP sintase. Membran retikulum endoplasma mengandung enzimBAB enzim 17: SIKLUS ASAM SITRAT: KATABOLISME / 153 untuk sejumlah proses lain, ASETIL-KoA termasuk sintesis triasilgliserol dan metabolisme obat. ° Jalur-jalur metabolik diatur oleh mekanisme cepat yang memengaruhi aktivitas enzim yang sudah ada, yi. modifikasi alosterik dan kovalen (sering sebagai respons terhadap kerja hormon) dan mekanisme lambat yang memengaruhi sintesis enzim. * Karbohidrat dan asam amino Asetil-KoA dari makanan yang melebihi (C3) kebutuhan dapat digunakan untuk menyintesis asam lemak dan, triasilgliserol. Pada keadaan puasa dan kelaparan, glukosa harus tetap Sitrat (C )Npada disediakan untuk otak dan sel darah mcrah; e ^^HJ0 keadaan puasa awal, glukosa dipasok dari cadangan glikogen. Cis-akonitat (°e)\ ^H,0 Untuk menghemat glukosa, otot dan jaringan lain tidak
r
menyerap glukosa jika sekresi insulin rendah; jaringanjaringan ini lebih menggunakan asam lemakIsositrat (dan kemudian iCJ H-0 badan keton) sebagai bahan bakar. « Dalam keadaan puasa, jaringan adiposa melepaskan asam Fu a ra! . \/ o-Ketog'lutarat lemak bebas..pPada puasa berkepanjangan dan kelaparan, asam-asam lemak ini digunakan oleh hati untuk menyintesis badan keton yang diekspor ke otot untuk I (CJ Suksinatn Suksinil-KoA menjadi bahan \ bakar V utama. « Sebagian besar asam amino yang berasal dari diet atau pergantian protein jaringan dapat digunakan untuk nakan glukoneogenesis, demikian juga gliserol dari -Q triasilgliserol. • Baik asam lemak yang berasal dari diet atau lipolisis Fosforilasi triasilgliserol jaringan adiposa, maupun badan keton oksidatif yang dibentuk dari asam lemak pada keadaan puasa, tidak menghasilkan substrat untuk glukoneogenesis.
^ependen-T * * sun ‘lln&PCncernaan g hampir scmpt....................... ^ar,nDgan nienyediakan bahan halw kepada ba] lan k Ck ,ntu P^lcn-NAD-. ^ ^,.« biosintesis kompleks dan jugaol(sidatif Harr,, •.* < U REFERENSI ^cr°g^itaratmolckul mengalami dekarboksilasi DA Unru ^-^etogiuta.ai ni^u‘juicnjalankan . SUatu reaksi yang dikatalisis oleli suaru kompleks proscs-proses kehidupan. dan j ' Senu,a ed.. alani yangBender DA: Introduction to Nutrition and Metabolism, 3rdAnaerobiosis as reaksi yang dikatalisis olehkompleks suau. .w-r multienzim ProdukSUATU pencernaan karbohidrat, protein, eti| r Ifi. Taylor & Francis, London, 2002. (hipoksia, NIU| TI-ENZIM YANG mirip dengan kompleks multienzim yang Brosnan JT: Comments on the metabolic needs tor glucoseanoksia) and the role ^'nicla^°hsme menjadi metabolit bersama, sikllIV °^’ Sebelum R H,0 J PERAN DALAM dekarboksilasi oksidatif P'MMT (Gambar asafT of gluconeogenesis. European Journal of Clinical Nutrition p—S Rantai dioksidasi menjadi CO, dalam A- ' > sitrat. I f ^°mplelcs Ci-lcctoglutarat dehidrogenase me met u<« 1999;53:Suppl I, S107-S11 1. set||_jx. , ^toryangsamadengan kofektoryangdiperlukan kompleks respiratorik asa P'ruvat dehidrogenase—tiamin difosfat, lipoat, m j jUSa merupakan prekursor untuk sintesis k0L. ern *k NAD , Fell D: Understanding the Control of Metabolism. Portland Press, 1997.
Fp Flavoprotein
DAN KoA-serta MENYEBABKAN terbentuknya suksmd rantai-panjang dan steroid, termasuk % ^ badai1 keron Frayn KN: Integration ol substrate flow in vivo: some insights into Cyt Sitokrom ^\/@ )Sl p °°ASa ' Kmen «etimbangan realtsi ini jauh lebihuntuk gliserol dan Pada ycdiakan kerangka karbon metabolic control. Clinical Nutrition 1997;16:277-282. P mbentukan suksinil-KoA sehingga secara fisiolog Fosfat berenergi tinggi asam amino nonesensial. hati , VaJ 011 an L Zierler K:pada Whole body metabolism of glucose. American Journal COjdan pembentukan ul’ pemk i Vair kar ^kan ^ padn*-? y g lenyap ‘ fl^ nu’ organisme aerob. Asetil-KoA, produk katabolisme karbohidrat, untuk ototmolekul rangka dan 1.1,1, da7^,1bscO ^ P'OZ' e (suIcsinil-KoA sintetase tnpr perametabolisme s. h .. seca," %„ “ ' asetii “ukan ah aro"’ n* /li .i.oentuk kurail W, keseluruhan ini dapat d.anggap memiliki „ ’^bL kc kT? 'nclah n fl aI? njangan, se*^ U Hl ’ an,atu lipogenesis terjadi di sitosol. Mitokondria Jika tidak ada sumber glukosa lain ?i'ba ' h. ')al- 65 1 la 'safunya contoh fosforilasi tingkat substrat li cnc!se. dar/ penghasilputaran siklus, dihasilkan 11 ATP melalui fosforilasi oksidatif dan 1 ATP e, a 7 Silclus asam s.trat adalah nya, Ri ' k. i di peningkatan a 11 Pcriiak US 3Sam en dung -enzim-enzim siklus asam sitrat, oksidasi-ft l,„ri hahis — u ul nte % dihasilkan di tingkat substrat dari perubahan suksinil-KoA menjadi suksinat. ?Sncw sitrat. Jaringan tempat terjadinya ^ & esis l!Vn Jika tidak ada sumber glukosa V. >-‘ gra| habis Unt akan penyediaan energi dalam lain jumlah'? ' H uk membentuk; ,ntuk an aktif n Un l0 ,naSe a tl be e t nd aluif 31 ^*an (hati dan ginjal) mengandung dua isoenzim l' tul< ^ ’ tilSJ ini,' setelahselama puasaoksidasi sekitar 18 . b%t ? ^akonitase, baen i ' ’', ahan produk > bolik JJ ^til.N d, 'li t 11 bahan bakar terjadi ^ pro. hSti d hasilkan glukoneoge ^.1 integrasi jersifat°A '»nt » JJ SatU s es UK 3 edia"^ Jika metabolisme badan keton terjadi di jaringan s,tr;u di sitos sc P *fik untuk GDP dan yang arbo/ m GTP yang akonita.se, ?.^Jsemua I , jaring? KoA, koenzim-koenzim mengalami S* X > TF r ani le 1 ------------------------- —a, lCr)acli - ya .p gha ern ^ mak. Ra^ ' t,f ekstrahepatik, terdapat suatu reaksi alternatif yang dikatalisis oleh terbentuk digunakan untuk loro )'iringan esensial JcT F * ’/ J KoA, koenzim-koenzim mengalami "lai^a 5 ^ V ■isos’*1^5* aketat Uh asetil-KoA r , l VSl as duk suksinil-KoA-asetoasetat-KoA transferase (tioforase) yang ^ 'l<0nc, ' °ksaloasetat menjadi fosfoenolpiruvat dalam IS si U rnc * iTS ^ ° t Jttat tne%itase iPasie H °J. s u 'i mbentnk dengan ^ °\I agai l,lt l a ) C nCS S dan e l 9 melibatkan pemindahan KoA dari suksinil-KoA ke asetoasetat, iin ' ' ak( ^ . i' ’ menghasilkan hubungan regulatorik '""Uk Pad. 'O.^U. ^Sga te .adi peni^iC;>V? s respons ' °§'s lain, V,rass, dan membentuk asetoasetil-KoA (Bab 22). g|^| 'k/usasam sitrat dan penghentian oksaloasetat terjadi pe° membentuk 9^ itiQn <0ne *iliki' °gcnesis. Jaringan non-glukoneogenik hanya Ser N ta peningk;|f‘ aavv ^Ki^al^i eSga^ terjadi IS(>cn zim yang menggunakan ADP. d eh d d 1
5: i?^X;::
-
C C
> LL
V >^e u ' rogenasi yang ^^7
i
NtetanUntuk membentuk. F ter
ikat pada en/i’
RCT 11
MALAT DEHIDROGENA SE COA -SH
0
II
\ r snrRAraKTASE c-coo* —
COA SH
MG;V ADP + P SUKSINAT . CH, — COO' TIOKINASE
NADH + H' / Y
ISOSITRAT J DEHIPRQOENGRZLL
154 / BAGIAN II : BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
BAB 17: SIKLUS ASAM SITRAT: KATABOLISME ASETIL-KoA / 157
BAGIAN II: BIOENERGETIKA, METABOLISME K BOHIDR. AR
AT &
oksaloasetat agaknya mengontrol laju pembentukan sitrat.
UPID
Hidroksiprolin Serin
Piruvat
Sistein Treonin Glisin
Glukosa
Asam lemak
Belum diketahui mekanisme mana dari berbagai mekanisme tersebut yang penting bagi tulnih. BAB 1 7: SIKLUS ASAM SITRAT: KATABOLISME ASETIL-KoA /
RINGKASAN residu asam karboksilat ’’aktif”, misalnya asetil-KoA dan suksinil-KoA. Mctabolismc suksinat yang menyebabkan terbentuknya 0 adalah jalur akhir untuk oksidasi °ksaloasctat, memiliki rangkaian reaksi kimia Siklus vangasam sitrat SIKLUS ASAM SITRAT karbohidrat, lipid, dan protein. Metabolit akhir s • ama seperti yang terjadi pada oksidasi-fi asam lemak: BERPERAN PENTING DALAM bersama ketiga zat tersebut, yaitu asetil-KoA, bereaksi dehidrogenasi untuk membentuk ikatan rangkap karbon-keMEuABOLISME dengan oksaloasetat untuk membentuk sitrat. Melalui karbon. penambahan air untuk membentuk gugus hidroksil, serangkaian reaksi dehidrogenasi dan dekarboksilasi, Jan dehidrogcnasi lebih lanjut untuk menghasilkan gugus Siklus asam sitrat tidak saja merupakan jalur untuk oksidasi unit dengan terjadi penguraian sitrat, reduksi koenzim, pembebasan <>kso pada oksaloasetat. dua-karbon, tetapi juga merupakan jalur utama untuk pertukaran 2CO,, dan pembentukan kembali oksaloasetat. Reaksi dehidrogcnasi pertama yang membentuk fumarat dikatalisis berbagai metabolit yang berasal dari t r a n s a m i n a s i dan d e a m i n a s i asam ° Koenzim oleh s u k s i n a t d e h i d r o g e n a s e yang terikat pada permukaan dalam yang tereduksi dioksidasi oleh rantai respiratorik ammo, serta menghasilkan substrat untuk s i n t e s . s a s a m a m m o yang dikaitkan dengan pembentukan AFP. Oleh sebab membran dalam mitokondria. Enzim *ni MENGANDUNG 1-AD dan protein melalui transaminasi, serta untuk g l u k o n e o g e n e s i s d a n s i n t e s i s * itu, siklus ini adalah jalur utama pembentukan ATP dan besi-sulfur (Fe:S), dan secara langsung mercduksi ubikuinon dalam i n l e m a k . Karena fungsinya dalam proses oksidatif dan sintesis, siklus mitokondria di dekat enzim-enzim rantai transpor elektron. F u m a r a s e ( f u m a r a t h i d r aterletak t a s e ) di matriks ini bersifat a m f i b o l i k (Gambar ,7-4). rantai respiratorik dan fosforilasi oksidatif. mengatalisis penambahan air pada ikatan rangkap fumarat sehingga <• mSiklus asam sitrat bersifat amfibolik karena selain rnenghasilkan malat. Malat diubah menjadi oksaloasetat oleh alat d e h i d r o g e n a s e , suatu reaksi yang memerlukan NAD'. Meskipun oksidasi siklus ini penting dalam penyediaan rangka Siklus Asam Sitrat Ikut dan Serta dalam keseimbangan netto untuk glukoneogenesis, sintesis asam lemak, MEMBRANreaksi ini jauh menguntungkan malat, namun alirankarbon Glukoneogenesis, Transaminasi, dan MITOKONDRI reaksi tersebut adalah ke oksaloasetat karena oksaloasetat interkonversi terus asam-asam amino. A Deaminasi dikeluarkan (untuk membentuk sitrat, sebagai substrat glukoneogenesis, citrat dalam sintesis asam atau mengalami transaminasi menjadi aspartat) serta reoksidasi NADH Semua zat antara pada SIKLUS berpotensi gluko^.l , dapat menghasilkan G A M B A R 1 7 - 5 . Peran serta siklus asm REFERENSI oksaloasetat, dan karenanya n menghasilkan GLUKOSA (di hati dan terjadi secara kontinu. k'mak dari glukosa. luga lihat Gambar 1 -■ •
Triptofan
Glukosa
Tirosin Fenilalani
Isoleusi Metionii Valin
Histidin Prolin Glutami Arginin
SATU PUTARAN SIKLUS ASAM , , liaan ADP SITRAT MENGHASILKAN DUA oksidasi dan fosforilasi, bergantung \ ‘ ‘ pemakaian ATP dan padaBELAS akhirnya, bergantung pa ^| - j masingNAD-, yang selanjutnya, karena
^ksJuko8Ti'atomeu\®aVOomVKoK ?todU 016 = C 'VKam\», S — CoA
Arsenit
NADH + H*
'^n, “'■nibran mitoKi”*' Jt,1-K°A. Asetil-KoA c1'. nt«isdi mitokondria f
Suksinil-KoA
ti?
CoA-SH 21
O = C - COO' aKetoglutarat
Sertada Qm
^
crtraX««>'
'
rt 3
.,kse ' StVt'°s »eff»°k ^
^
„dibentuk4*' oV*W ?'„Wk
■>KoK f Aai*S“teI®
la 'neW” J1®™*^
S
'TO«VSKiHV
nya terscdia
Cn u" , „ S i t r a a^°nicase meng3 3 e *ko„-ttidak dapat disaUirl‘3 V'!v..i '''• Hal ini menja*11 : ^^lemak hanya ji^ ' °ntinuitas
Gambar 17-3. Siklus asam sitrat (Krebs). Oksidasi NADH dan FADH, dalam ranlai respiratorik mcnyebabk.m l<-rhentukn> ATP ■ p
S5
kembali kini berlabel sehingga, pada
^irofr Beirg^111' r !
suatu senyawa simetris, pada tahap mi terjad p e n g ^ ^ rf. oksa|oase|a| terserap ke dalam glukosa dan terlabel setelah satu putaran siklus. e ama i fuoroasetat, malonat, dan arsenit. glikogen fGambar 20-1). Tampak tempat-tempat mh.D.s. j, Cn
gan
siklus
asa
bolisme pe^t
;itUr
oleh kontro fosforilasi oksi^
11
leta
ant
.
oksaloasetat
berasal dari bagian molekul sitrat yang berasal dari “^'oase at Namun se^ahsa u piu a « k'^“^-suksin.lt adalah yang terbentuk
ung langsung
cataplerosis for citric acid cycle function. Journal of Biological
Rustin(P, T. Inborn errors of the Krebs cycle: A group of sehingga juga penting dalam metabolisme penghasil energi: 1 )Bourgeron r'eaksi' F REVERSIBEL, siklus ASAM sitrat JUGA berfun k ! S1^at
aktivitas sl
sebagai CO, dalam satu putaran siklus, namun atom-atom im tidak berasal dan asetil-KoA yang ba
/ "8
c
a
tuk p
us r-'~*-
1C , a
REAKSI-REAKSI aminotransferase (rn bentuk piruvat dari alanin, ‘ t H]/[NAD']. Oleh sebab itu, terjadi rcl^r3i~pail°Ster,k s,trar Chemistry Empat vitamin B merupakan faktor esensial dalam siklus asam sitrat 2002:277:30409. oksaloasetat , ?aminase) mem- ketoglutarat dari g l u t a m a t . Karena reaksisintase oleh ATP dan asil-KoA lemak d ln NAD
melalui fosforilasi oksidatif. Untuk mengikuti perjalanan asetil-KoA melintasi siklus, tlua atom 5i* ase.il diperlihatkan berlabel pada karbon karboksil C) dan pada karbon metil W. Meskipun dua at'.m ka,
k ^ mengatalisis pemindahan netto keluar siklus untuk 1981:291:381. glukoneogenesis adalah fosfoenolpiruvat karboks'k'*' ^ 11 Bowtell JL, Bruce M. Glutamine: an anaplerotic precursor.
r
,^*trat K*11 SU:Uu reaksi yang
KOMPLEKS oKETOGLUTARAT DEHIDROGENASE
Baldwin JE, Krebs HA. Theorgan evolution metabolic Nature ginjal, yang of nT^ sanakancycles. glukoneogenesis; lihat Bab 20 ). Enzim
yang mengatalisis dekarboksilasi oksaloasetat meni rT foenolpiruvat dengan Nutrition 2002:18:222. q m tiu DeMeirleir L: Defects of yang pyruvate metabolism and the GTP bekerja sebagai donor F TKrebs cycle. Al'P dalam reaksi kimia dan kcrJa h u^djatun Tempat Akibat oksidasi yang dikatalisis oleh berbagai dehidrogenase Journal pada of Childhood Neurology 2002;Suppl 3:3S26. (LIHAT Gambar 20-1). °nor fosfat 1Llt masing enzim dalam siklus t e i s e tak-setimbang Pemindahan ke dalam siklus terjadi • siklus asam sitrat, dihasilkan tiga molekul NADH dan satu FADH, Gibala MJ, Young ME. Anaplerosis ofnetto the CITRIC acid cycle: role 1 Pengaturan yang paling mungkina a * eirise sitrat sintase, beberapa reaksi. Di antara berbagai reaksi anaplerotik tersebut, YANG untuk setiap molekul asetil-KoA yang dikatabolisme per satu kali IN energy metabolism of heart and skeletal muscle. Acta dikatalisis oleh PIRUVAT dehldr°g* ^ DEHIDROGENASE. terpenting adalah pembentukan oksaloase MELALUI karboksilasi piruvat putaran siklus. Ekuivalen pereduksi ini dipindahkan ke P rantai ls 1 HYSIOLOGICA SCANDINAVICA 2000:168:657. ositrat dehidrogenase, dan a-ketog m e n i n g k a t yang dikatalisis oleh .‘iCtat karboksilase. R e a k s i ini penting d a l a m Bcr respiratorik (lihat Gambar 13-3), tempat reoksidasi masing-masing bagai dehidrogenase diaktifkan ole i sekrcsi> saat Kay J, Weitzman PDJ (editors): KREBS CITRIC ACID CYCLE ns mempertaha^Tn konsentrasi oksaloasetat yang memadai untuk I * ^° entrasinya selama kontiaksi pembentukan -3 ATP, dan FADH,, -2 ATP. Selain NADH menghasilkan HALF A CENTURY AND STILL TURNING. Biochemical re Sl kondensasi dengan asetil-KoA. Jika teriad; • , ‘ asetil-KoA, zat ini .rpi* Di jaringan seperti itu, terbentuk 1 ATP (atau GTP) melalui fosforilasi tingkat-substratSociety, yang London, tcr akan berfungsi sebagai ^enir^ unan piruvat karboksilase dan inhibitor iadi peningkatan kebutuhan enc g ■ d untuk bohi rat dikatalisis oleh suksinat tiokinase. 1987. u a SCCri < tak>yang sangat bergantung P*? " m sitrat dapat piruvnr ° * °Cal<. Kornberg H. Krebs and his trinity of cycles. Nature Review of *Q>E?OLRL Sangat bergam-““b x ,dr08cnase A l.«nrml SlKlU ‘ I^rpjpor SCHIN gga pasokan oksaloasetat terjamin I ,. * substrat penting ter iadi DVITAMIN J Y 1 aserj'f"KoA, KBERPERAN O N T R O L S I K L U S asam sunn _ Molecular Cell Biolog)' 2000:1:225. a vCa untuk glukoneogenesis t, suatu melalui oksidasi menjadi piruvat dan PENTING DALAM SIKLUS ?Crhzdap ^"Uv,n dehidrogenase. Beberapa enzim berespons ■ Owen OE, Kalhan SC. The keys role of anaplerosis and masu UC Un mcn a am lCiIS ene n 1 kem ”Jf ' ‘klus KARBOKSILASI menjadi oksaloasetat. §^ * ^l/[Ar^pASAM rgi seperti diperlihatkan oleh rasio ' hibisi | SITRAT n
J
o«oS'"
1 55
RANGKA
karbon
n ^GPenden^\\ r i b^'o f^rivasi l a v i n ,alosterik dalam bentuk flavin adenin dinuldeotida (FAD), suatu unusual mitochondrial diseases in humans. et untuk membentuk asam--' ^ .SUmhcr Biochimica ASAM-ASAM amino lain berperan dalam isosi tra t deh idrogenase kofaktor untuk suksinat dehidrogenase; ( 2 ) n i a s i n , dalam bentuk amino lni U ne 8enesis Biophysica Acta 1997; 1361:185. 'tl T karena rangka karbonnya menghasilkan ° ° SIKLUS 1 ^ dan \rnikotinamid mitokondriaadenin oleh dinuldeotida ADP dilawan(NAD), oleh ^'Ztiij. (j elektron untuk akseptor antara Sumegi B, Sherry AD. Is there tight channelling in the ASAM sitrat. Alanin, sistein, glisin . fC ADH. Kompleks ^h,Cllgan Cara isositrat a-ketoglutarat dehidrogenase,dehidrogenase a-ketoglutarat dehidrogenase, dan malat tricarboxylicserin, acidtreonin, cycle metabolon? an dan triptofan Biochemical menghasilkanSociety ViruCfa^Trlin X g samadehidrogenase; seperti piruvat(3) dehidrogenase t i a m i n ( v i t %/ a m0ai ;nc! Bj),Suksinat sebagai tiamin difosfat, Transactions 1991:19:1002. dehidrogenase dihambat koenzim untukolehdekarboksilasi dalam reaksi a-ketoglutarat ^eh ma| at’dehidrogenase; ^an ketersediaandan oksaloasetat, (4) a s a m seperti p a n t odikontrol t e n a t , sebagai bagian dari ^ deh idrogenase, bergantung pada rasio koenzim A, kofaktor yang melekat pada [NADH]/ ena Km untuk oksaloasetat pada sitrat
dengan konsentrasi
BAB 1 8: GLIKOLISIS & OKSIDASI PIRUVAT / 1
Glikolisis & Oksidasi Pir uvat
David A. Bender, PhD &PeferA 7. erA
Glikog en
-Moyes, PhD
(C.)
l DSc
Heksoso fosfnl C
PtRA*4B'0lAt°'5 UKOLK,C
an seudakiv/amemevtakan$ukosa.D\VCebany^an 'atbers\bt substans\a\. GWkoYisis,yaitu\a\uv a metabous »
uiam
G
KEADA
AN ADMAPAT BERFUNGSI
f \ ba!ik da\am keadaan actob • n-v unvkkatena.
^AEROB
anwnspadatesedvaanoVsv^wdan maUpun anaeto , ^on EnUos\t yan£ tidak memiWVi m\to- ratitai transpor e e ^^^pada^uVosasdwguV^^ \con^'ia’bct^vkva^an memctaboWsme$uWvndaWibakavmewboU'^’^amun> anaeV °l ,pt0duV.akKu ok%n dan umukmenfcoksidasi$uko«aoYikoVisVs skew va me\ewatvP'^ ,^ad-vpet\ukan,m\sa\nYakompWks 9uuvatenximmvwkon^ s\uat,danramaitespitatonk.dcb^toscn^-^ruteutamametaboVismc^GVikoUsvs ^ unWVmetaboWfmW,^aktosa
k,. laD-rnU.
ib,lrlHl
C,lrt
^ w»
taiboW® u^kan KTP tanpa oWjcn ^ WisVs untuk >m ™mun%VmW
otot
tataWAupW*
aerob,me»»
d3ia ren
Wd
dab ^ k ^ Aefo eml eralm
Vske-nia-
^n,1°roh -„
U Y^/Su ke® kette *«*»*■*» «*«*, dln vangfa b**? ta
m keadaan ^
VkA
g toem
1 ,3 n8 gnp
^
^
()cr„:r S(( -'ril< ()j j 1,1 lrcvc,'sik>cl. Heksokinase dihambar secara
()j ;.,r- 1 Pl()dlIknya, yaitu glukosa 6-fosfat. ^e‘rc*rSecli,.|f nk‘ln Sc^a,n ^an ^an sc^ pulau-ft pankreas), d' ot0t (J11 ^U^()sn Untuk glikolisis (atau sintesis glikogen 10 ^P°8cncsis di jaringan adiposa) dikontrol t°H tranJ. M) ^an ^latI dalam kondisi normal enzim ini Sarura < - >'i sehingga bekerja dengan kecepatan tetap nie Cbuc |' ulian ^ laS*,kan glukosa 6-fosfat untuk memenuhi )Q ^°kin;is SC^ ^ ^ar‘ ^uSa mengandung .suatu isoenzim I'.^gi dari**0’ f^okinasc yang memiliki AT yang jauh lebih jj ‘Fokina?, konsenrrasi glukosa intrasel normal. Fungsi lr l ' ' h SQtc] C,C1 ^lan adalah unruk mengeluarkan glukosa dari ebj^j 11 nia/can dan menghasilkan glukosa 6-fosfat yang S ltQ " sis gj-T )l,ru^an unruk glikolisis, yang digunakan untuk
betmanfeta*temuma^ m J._
•ltuvatfenase) defeknyamengenaiotottano'■•
tJSS?--**- •
*V,K. I • ■''‘I nemoutxR atau, jika defeknya mcngen^o ^ fosfofruktokinase), sebagai kelelahan. tumbuh pesat, glikolisis berlangsung Ccp' ^l'Sel feu* banyak piruvat yang kemudian TEREDUW' dikeluarkan. Hal ini menyebabkan TERBE lak^'^ tumor setempat yang bersifat asam, yancT^^ W? ^ pada terapi kanker. Laktat digunakan un^T^erd ^ di hati, yakni suatu proses yang memakant menjadi penyebab utama hipermetaboli en<. pada kaheksia kanker. Asidosislaktat T ^ d oleh beragam hal, mencakup ganggUan . >t dj [%*' Vll drogenase. as pi ^
Triosa fosfat C,
Triosa fosfat C
beT un&s
^nS
I).^H';gCndan liP°genesis.
G
'% -w b -'Uk g|ikolisjs Jari luK- C eVn+ ADP. :; \\dl 2p + /
A
gU
' W % ko|isis fr 1 ^2 Laktat +2 A U // 5f&l'i5fatyii 8liCbar l8"2) ‘*i«",ul?si at
0lo
&,>
melalui fosforil*^ > J OSf
ofil[l Ha' allsis oleh hetaokK KV
351 H
1 Cn
A
jadi glukosa »
<: ^nor fosfa, vffy
,t,;,da jj '* ^~f°sfat adalah suatu senyawa penting yang d Ulc0neo«, Pertemuan heberapa jalur metabolik: glikolisis, ^ g l i k o ' * ' ia,ur Pentosa fosfat, glikogenesis, en 8Cn °te. Pada glikolisis, senyawa ini diubah y iadi f ^dib a 6oleh fosfoheksosa isomerase a C( *, diilcut. d
59
secara fungsional dapat dianggap ireversibel dalam kondisi fisiologis; reaksi ini dapat diinduksi dan diatur sccara alosterik, dan memiliki peran besar dalam mengatur laju glikolisis. I'ruktosa 1,6 -bis'fosfat dipecah oleh ALDOLASE (fruktosa 1,6bisfosfat aldolase) menjadi dua triosa fosfat, gliseraldehida 3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat. Ciliseraldehida 3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat dapat saling terkonversi oleh enzim fosfotriosa isomerase. Glikolisis berlanjut dengan oksidasi gliseraldehida 3fosfat menjadi 1 ,3 -bisfosfogliserat. Ln/.im yang mengatalisis reaksi oksidasi ini, gliseraldehida 3 -fosfat dehidrogenase, bersifat dependcn-NAD. Secara struktural, enzim ini terdiri dari empat polipeptida idcntik (monomer) yang membentuk suatu tetramer. Empat gugus -SH terdapat di masing-masing polipeptida dan berasal dari residu sistein di dalam rantai polipeptida. Salah satu gugus -SH terdapat di tempat/bagian aktif enzim (Gambar 18-3). Substrat yang pada awalnya berikatan dengan gugus -SH ini, membentuk suatu tiohemiasetal yang dioksidasi menjadi suatu ester tiol; hidrogen yang dikeluarkan dalam oksidasi ini dipindahkan ke NAD'. Ester tiol kemudian mengalami fosforolisis; fosfat anorganik (P.) ditambahkan yang membentuk 1,3bisfosfogliserat, dan gugus-SH direkonstitusi. Dalam reaksi berikutnya yang dikatalisis oleh fosfogliserat kinase, fosfat dipindahkan dari 1,3-bisfosfogliserat ke ADP, membentuk ATP (fosforilasi tingkat-substrat) dan 3-fosfogliserat. Karena untuk setiap molekul glukosa yang mengalami glikolisis dihasilkan dua molekul triosa fosfat, pada tahap ini dihasilkan dua molekul ATP per molekul glukosa yang mengalami glikolisis. Toksisitas arson terjadi karena kompetisi arsenat dengan fosfat anorganik (P ) dalam reaksi di atas untuk menghasilkan l-arseno-3-foslogliscrat, yang mengalami hidrolisis spontan menjadi 3-fosfogliserat tanpa membentuk ATP. 3 -Fosfogliserat mengalami isomerisasi menjadi 2 -fosfogliserat oleh fosfogliserat mutase. Besar kemungkinannya bahwa 2,3-bisfosfogliserat (difosfogliserat, DPG) merupakan zat antara dalam reaksi ini. Langkah berikutnya dikatalisis oleh e n o l a s e dan melibatkan suatu dehidrasi yang membentuk fosfoenolpiruvat. Enolase dihambat oleh f l u o r i d a , dan jika pengambilan sampel darah untuk mengukur glukosa dilakukan, tabung penampung darah tersebut diisi oleh Huorida untuk menghambat glikolisis. Enzim ini juga bergantung pada keberadaan Mg 2’ atau Mir*. Fosfat pada fosfoenolpiruvat dipindahkan ke ADP oleh p i r u v a t k i n a s e untuk membentuk dua molekul ATP per satu molekul glukosa yang dioksidasi. Keadaan redoks jaringan kini menentukan jalur mana dari dua jalur yang diikuti. Pada kondisi anaerob, NADH tidak dapat direoksidasi melalui rantai respiratorik menjadi oksigen. Piruvat direduksi oleh NADH menjadi laktat yamg dikatalisis oleh laktat dehidrogenase. Terdapat berbagai dehidrogenase spesifik-jaringan yang isoenzim
laktat
BAB 1 8 : GLIKOLISIS & OKSIDASI PIRUVAT /
Glikolisis & Oksidasi Piruvat
1 8 Gltkoqen
(C)
David A. Bender, PhD & Peter A.. Mayes, PhD , DSc
Heksosa fosfat C
PERAN BIOMEDIS Kebanyakan jaringan setidaknya memerlukan glukosa. Di otak, kebutuhan ini bersifat substansial. Glikolisis, yaitu jalur utama metabolisme glukosa, terjadi di sitosol semua sel. Jalur ini unik karena dapat berfungsi baik dalam keadaan aerob maupun anaerob, bergantung pada ketersediaan oksigen dan rantai transpor elektron. Eritrosit yang tidak memiliki mito kondria, bergantung sepenuhnya pada glukosa sebagai bahan bakar metaboliknya, dan memetabolisme glukosa melalui glikolisis anaerob. Namun, untuk mengoksidasi glukosa melewati piruvat (produk akhir glikolisis) oksigen dan sistem enzim mitokondria diperlukan, misalnya kompleks piruvat dehidrogenase, siklus asam sitrat, dan rantai respiratorik. Glikolisis merupakan rute utama metabolisme glukosa dan juga jalur utama untuk metabolisme fruktosa, galaktosa, dan karbohidrat lain yang berasal dari makanan. Kemampuan glikolisis untuk menghasilkan ATP tanpa oksigen merupakan hal yang sangat penting karena hal ini memungkinkan otot rangka bekerja keras ketika pasokan oksigen terbatas, dan memungkinkan jaringan bertahan hidup ketika mengalami anoksia. Namun, otot jantung yang beradaptasi untuk bekerja dalam keadaan aerob, memiliki aktivitas glikolitik yang relatif rendah dan kurang dapat bertahan hidup dalam keadaan iskemia. Penyakit akibat defisiensi enzim glikolitik (misalnya piruvat kinase) akan bermanifestasi terutama sebagai anemia hemolitik atau, jika defeknya mengenai otot rangka (misalnya fosfofruktokinase), sebagai kelelahan. Di sel-sel kanker yang tumbuh pesat, glikolisis berlangsung cepat dan menghasilkan banyak piruvat yang kemudian tereduksi menjadi laktat dan dikeluarkan. Hal ini menyebabkan terbcntuknya lingkungan tumor setempat yang bersifat asam, yang mungkin berdampak pada terapi kanker. Laktat digunakan untuk glukoneogenesis di hati, yakni suatu proses yang memakan banyak energi, dan menjadi penyebab utama hipermetabolisme yang dijumpai pada kaheksia kanker. Asidosis laktat dapat disebabkan oleh beragam hal, mencakup gangguan aktivitas piiuvat dehidrogenase.
GLIKOLISIS DAPAT BERFUNGSI PADA KEADAAN ANAEROB |i5 ;idari Pada tahap-tahap awal penelitian tentang glikolis ^j^Qgen bahwa fermentasi di ragi serupa dengan penguraian^ di otot. Diketahui bahwa jika suatu otot bcrkoiuia ^ tcja | 1 medium anaerob, yaitu medium dengan oksigen >•»' *^tat dikeluarkan, glikogen akan lenyap dan mu,,cU, in ijjaat Jika oksigen dimasukkan, terjadi pemulihan aciob ^ kemudian lenyap. Namun, jika kontraksi berlangsung. uval kondisi aerob, penimbunan laktat tidak terjadi an^ |ebjb adalah produk akhir utama glikolisis. Piruvat dioki.it ‘ lanjut menjadi CO, dan air (Gambar 1H-1). I'" 1 *. yang oksigen berkurang, reoksidasi NADI 1 di mitokont terbentuk selama glikolisis terhambat, dan NAl )1 1 t * r^yj j |<.0 lisis dengan mereduksi piruvat menjadi laktat sehingga b ^ dapat berlanjut (Gambar 18-1). Meskipun gliko ,.‘S.)Criu| Gin berlangsung dalam kondisi anaerob, pengorbanan <- karena hal ini membatasi jumlah Al P yang dibcntu^ glukosa yang teroksidasi sehingga jauh lebih banya %^ b yang harus dimetabolisme dalam kondisi anaero •> -‘c ^ injsme dalam kondisi aerob. Di sel ragi dan bebciapa mikiot » tidak lain, piruvat yang dibentuk dalam glikolisis j jan direduksi menjadi laktat, tetapi mengalami dcUai ~>O -■ direduksi menjadi etanol.
REAKSI-REAKSI GLIKOLISIS MERUPA^N JALUR UTAMA PEMAKAIAN GLUKO& Persamaan keseluruhan untuk glikolisis dari glukosa n ) laktat adalah sebagai berikut: GLUKOSA +
2 ADP + 2 P, -> 2 LAKTAT + 2 ATP + 2 H2
Semua enzim glikolisis (Gambar 18-2) ditemukan tl . jj ^Glukosa memasuki glikolisis melalui losfori asi glukosa 6 -fosfat yang dikatalisis old, heUsoUNAS „ menggunakan ATP sebagai donor fosfat ’"lam fisiologis, fosforilasi glukosa menjad, glukosa 6 -(o
158
Triosa fosfat C
Triosa fosfat C,
CO HO
B A R U I - 1 . Ringkasan glikolisis. O dihambat oleh keadaan anaeroh ntau ketiadaan mitokondria yang mengandung en/irn- '•n^iin respirasi kunci, mis. pada eritrosit.
dianggap bersifat ireversibel. Heksokinase dihambat secara alosterik oleh produknya, yaitu glukosa 6 -fosfat. Di jaringan selain hati (dan sel pulau-fi pankreas), ketersediaan glukosa untuk glikolisis (atau sintesis glikogen di otot dan lipogenesis di jarjngan adiposa) dikontrol oleh transpor ke dalam sel yang selanjutnya diatur oleh insulin. Heksokinase memiliki afinitas tinggi {I
1 59
secara fungsional dapat dianggap ireversibel dalam kondisi fisiologis; reaksi ini dapat diinduksi dan diatur secara alosterik, dan memiliki peran besar dalam mengatur laju glikolisis. Fruktosa 1, 6 -bisfosfat dipecah oleh aldolase (fruktosa 1, 6 - bisfosfat aldolase) menjadi dua triosa fosfat, gliseraldehida 3 -fosfat dan dihidroksiaseton fosfat. Gliseraldehida 3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat dapat saling terkonversi oleh enzim fosfotriosa isomerase. Glikolisis berlanjut dengan oksidasi gliseraldehida 3fosfat menjadi 1 ,3 -bisfosfogliserat. Enzim yang mengatalisis reaksi oksidasi ini, gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase, bersifat dependen-NAD. Sccara struktural, enzim in. terdiri dari empat polipeptida identik (monomer) yang membentuk suatu tetramer. Empat gugus-SH terdapat d. masing-masing polipeptida dan berasal dar, residu sistem d. dalam rantai polipeptida. Salah satu gugus-SH terdapat d, tempat/bagian aktif enzim (Gambar 18-3). Substrat yang n,d awalnya berikatan dengan gugus -SH mi, membentuk suatu tiohemiasetal yang dioksidasi men.ad, suatu ester tiol; U Avane dikeluarkan dalam oksidasi in. dipindahkan L NAD Ester tiol kemudian mengalami fosforolisis; C RT .inoreanik (P.) ditambahkan yang membentuk 1,3S l ‘ r r - nt dan iiui;us-SH direkonstitusi. Dalam reaksi i’^umyTyang DIKATALISIS OLEH fosfogliserat kinase, FOSFAT berikutnya ya g ^ bisfosfog|iscrat kc ADP, membentuk ATp1 (fosforilasi tingkat-substrar) dan 3-fosfoglisera,. Karena untuk setiap molekul glukosa yang mengalam. .. .• • i:Uicilkan dua molckul triosa fosfat, pada tahap ghko ISIS I ^ molekul ATP per molekul glukosa ml
mefnealami glikolisis. Toksisitas arsen terjadi karena yang i y dengan fosfat anorganik (Pt) dalam reaksi kompensiarst ‘ hasi,kan i .arscno-3-fosfogliserat, yang di a
‘^lami hidrolisis spontan menjadi 3-fosfogliserat tanpa mengai* 3.Fosfogliserat mengalami isomerisasi mcmbcntii ,.serat 0|cj1 fosfogliserat mutase. Besar menjat 1 - °^ 2 ,3 -bisfosfogliserat (difosfogliserat, k e m u n g k m a n n y a ^ ^_ DPC.) 111 ^ '^el.jicutnya dikatalisis oleh enolase dan melibat- LanS^^.^^. yang membentuk fosfoenolpiruvat. Eno- kan s“®t“^bat Q|eh FLUORIDA, dan jika pengambilan sampel If lVuntuk mcngukur glukosa dilakukan, tabung pcnam- \ darah tersebut diisi oleh Huorida untuk menghambat ^Pkolisis^Enzim ini juga bergantung pada keberadaan Mg’ 1 ^ 1 <0 fosfat pada fosfoenolpiruvat dipindahkan ke ADP oleh piruvat kinase untuk membentuk dua molckul ATP per satu molckul glukosa yang dioksidasi. KEADAAN redoks jaringan kini menentukan jalur mana lari dua jalur yang diikuti. Pada kondisi anaerob, NADH tidak dapat direoksidasi melalui rantai respiratorik menjadi oksigen PIRUVAT direduksi oleh NADH menjadi laktat yamg dikatalisis oleh laktat dehidrogenase. Terdapat berbagai isoenzim laktat dehidrogenase spesifik-jaringan yang
BAG\AM«•B\OtNERGP\KA&NeWBOlfiMEKWIBOMM is (mcmbaUkkanjalurgUkoWsis)memWWu mengaia\\s\sreaksiuntuk
a''UsU menjadi 3-fosfo#serat dan P,, yang dikat** l h°2 3- b ' l s f o s f o sU Se " 1 f?vfaTn>?an'vlI,'84VWut rifinitidakmenghasdkanOTdangUkoVms.N^ altetnat menyediakan2,3-Wosfogliserat, ’toito®denganhemoglobindanmenu--'
Asam
o-Fruktosa 1,6bisfosfat lodoasetat
I
NAD'
ADP
ATP
1,3-Bisfosfogliserat
3-Fosfogliserat
CH OH
^^
‘TmoleUsV'‘“ , taiat dehidrogenasepadasMus^
r
digeser oleh molekul lain NAD'.
2,3-
HQ
ISf()sf
°Klis(>r,il di (‘riirosl1-
NADH +penting H
*idrogenasemianalogdTOgltl
d
(
Fosfoenolpiruvat
Oksidasi asam di siklus -o*'dVm ^rboW^ CH, asam sitrat tuvatAeVvvdto^tvasepadaWv\4 L^ADP
C-O r^@
n'/.^ lC —* 9
Mg:
PIRUVAT )MkAk
n\ad\^ ATP utfunanKINASE&
°'eU.revse^ul 'tettaem.imVyan%Vetnu&an K)
1
rid EMOLASE
AeWtdto^enasepada
ituvat
& a reo N7>M>Ud^ /\naerobios ; ^iclasi Oleh suatu C* yanS
a dekaAofc,^-, 3)Vituvat mengaiami COO"
,ornVoUe°
Ur
mitokondria \_
p
3 ATP
! aletiW^olehsuatuWpWW I .idarf ° ’tetdapatdime^tandaiammitokond™, tuen Fiuo
secara klinis (Bab 7). Reoksidasi NADH melalu. pembentukan laktat memungkinkan ghkohs.s berlangsung tanpa oksigen dengan menghasilkan cukup NAD untuk siklus berikutnya dari reaks, yang d.katal.s.s oleh gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase. Pada keadaan aerob, piruvat diserap ke dalam mitokondr.a, dan setehh menjalan dekarboksilasi oksidatif menjad, aset.l KoA, d.oks.das menjadi CO, oleh siklus asam s.trat. Eku.valen peteduks dari NADH yang dibentuk dalam ghkohs.s d.serap ke dalam mitokondria untuk di oksidasi melalu. salah satu dar, dua pembawa yang dijelaskan ch Bab 13.
Joringan ya ng Berfungsi dala m Kondisi Hipoksik Menghasilkan Laktat Hal ini berlaku untuk otot rangka, terutama serabut putih dengan kecepatan kerja (dan karenanya kebutuhannya akan ATP) yang dapat melebihi kecepatan penyerapan dan pemakaian oksfgen (Gambar 18-2). Glikolists d- er.tros, selalu berakhir dalam laktat karena reaks,-teaks, se an,utnya pada oksidasi piruvat berlangsung d, m.tokondna, dan
• \. k memiliki mitokondria. Jaringan lain yang eritrosit ti a ^ olch sebagian besar energinya dari sccara noima in{TjiasiH
„,OL,s,s DIATUR DI TIGA TAHAP DAN MEUBATKAN REAKSI TIDAKSETIMBANG kebanyakan reaksi glikolisis bersifat reversibel, MESKIPUN ^ JEJAS bersifat eksergonik DAN karena itu namun tiDa -ireversibel secara
fisiologis. Ketiga reaksi hai US C IA j^.ltalisis oleh HEKSOKINASE (dan glukokinase), FC SF'FRUKTOKINASE, dan PIRUVAT KINASE, adalah tempat- ° pengendalian glikolisis. Fosfofruktokinase temp* nibkan utama dihambat oleh ATP dalam konsentrasi secaia ^ ^ orma|; seperti dibahas di Bab 20, hambatan ini intias ^ dihilangkan oleh 5’AMP yang terbentuk sewaktu ADP mulai menumpuk, yang memberi sinyal akan perlunya PENINGKATAN laju glikolisis. Scl-sel yang mampu melakukan R
164/ BAG.AN .1 : BIOENERGETIKA & METAB0lJSME
BAB 18: GLIKOLISIS & OKSIDASI PIRUVAT / 165
KARBOHIDRAT
& UPID
Tabel 18-1. Pembentukan ATP dalam katabolisme glukosa^ _________________________________________________________ -----------------------------------------. --------------------------------------------1 JalurReaksi Dikatalisis olen
Glikolisis
Asetil-KoA
T“
“
Metode
Pembentukan
ATP
Oksidasi
Gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase
^Diklofoas014'11
Ca - (~) \
,
substrat
Piruvat kinase
6*
. tingkat
22
Fosforilasi
10
Fosforilasi
Fosfogliserat kinase
ATP per Mol Glukosa
^2
tingkat substrat untuk reaksi heksokinase dan fosfofruktokinase
Net 8
Konsumsi ATP Oksidasi" 2 NADH di rantai respiratorik
Siklus asam sitrat Piruvat dehidrogenase
6
Oksidasi 2 NADH di rantai respiratorik
Isositrat dehidrogenase a-
6
Oksidasi 2 NADH di rantai respiratorik
Ketoglutarat dehidrogenase
2
Fosforilasi tingkat substrat Oksidasi 2
Suksinat tiokinase Suksinat
4
FADH2 di rantai respiratorik Oksidasi 2
dehidrogenase Malat
6
NADH di rantai respiratorik
Net
dehidrogenase
30 38
Totai peruke. Vada ^ ^
Piruvat
Total
0 permoljluj^l^ mol glukosapadaK
~^T~^ria olch pengangkut malat (Gambar 13-13). Jika pengangkut !7 L. cl ,1am ulikolisis d.angku. K„|jkogen dibandingkan glukosa untuk glikolisis anaerob d.
‘" mol NADH. IVrhaukan >a w^P (Gambar yang dapat berkonversi dengan glukosa 6-fosfat. j.'1 11,1 m°ngisyaratkan bahwa),, yang NADI yanu tcrbei adalah glukosi-nt rl.-iri ? mnniadi 3 ner elukosa. tou°f?U ^'gunakan, han\a 2 AT I’ yang tcr')CJ',U" '' fostorilasc adalah, 1 - Ajp mcningka, dari 2 menjadi 3 per glukosa. au ' ' ' b lebih menguntungkan karena produk g l i < ’ jnase sehingga ,umlah Boiteux A, Hess B. Design of glycolysis. Philosophical lm rn °nghema, ATP yang seharusnya digunakan : hldt oleh heks ,erbt
dalam ,-caksi gliseraldehida-3-fosfat J* °°
G A M B A R 1 8 - 6 . ReeuL-Ki «•
gan mereduksi piruvat menjadi la * •
dcn
produk akhir g >
Transactions Royal Society of London Series B 1981 ;293:5-
keadaan
Laktat adalah
yan
£ rP- ,
. _ Insulin
tio
ASPEK KLINIS
"ngan adiposa)
,te■rikSeri
^*nfr
Asidosis Laktat
at
Menv L
Q
r
iA
Gll
4
otak I
b|<
-M „
K
- tin -
tiv>" defisiensi ***%, fyj
^
— *netnr*0PV/S
j di rcnJj, M
adaan yang menyebabkan g‘ ? jitaC. Plruv at sering menyebabkan asidos e
CS 2N>'.>han btkar .!*< l^/
rk""» d3® kadar“as“am lTlen n ' ' gkat, ken1 * 1
p, S
ruva
t kinase. , . glikolisis untuk eritrosit, tempat pertama a ga terbentuk ^nghasilkan ATP dapat dip*ntas menurunkan ’^'bisfosfogliserat, yang pent>nD a nitas hemoglobin terhadap R ^ oleh sliat f^vat dioksidasi MENJADI P* kom pleks multienzim, P'ruv;lt ,f fet yang beras Suitung pada kofaktor tiamm dari vitamin „aua„ *c»bol“«ne
S di 5^ H^ * « tinggi-karboh'^f,
diet yang buruk maupun karena m: dan laktat yang mungkin menganca ^ ,ai^‘ asid defisiensi HEREDITER piruVat j , J nya\va. p °Sls pitw* 1 disebabkan oleh defek pada Satu r°gei»ase 'Cn kompleks enzim juga mengalami ’Ul lebij i* n 8 dap os's |a. KKJ*
&*at.
Ahj
^EGSHsi X/1
< te;Po^n
ta
l
ua
al
s5<>
*W, 'S‘S(| Su
glycolysis.
gtak-setimbang: HEKSOKINASE, OS 1
fisik mcn a
,;r.us:s^
millennium. Journal of Physiology 2004;558:5. Hers HG, Hue L. Gluconeogenesis and related aspects of
i is reaks.
a is
kolisis diatur oleh tiga enzim y«»no ru|aokinase, dan
yan
,£<'iNn gjjar' k^inan me.ab°>' JF ^ di . lercdit ^Uan neurologic • J J : ald°lase A dan d^V//
Ion merkuri dan arsenit bere k • asam lipoat dan menghan,^ ' dengan e demikian juga defisiensi tiamin P''^ deh>S -Sh memungkinkan teriadinva • aiam ^ . UrOgen
janjllt
(misalnya di eritrosit).
l
ekat
DolhiibisD Metabolisme Pi-
Trends in Biochemical Sciences 19S6; 11:47. Gladden L.B. Lactate metabolism: A new paradigm tor the third
Perangkat metabolik untuk oksidasi p fidak tersedia
la
.....
Pothergill-Gilmore LA. The evolution of the glycolytic pathway.
jal ^‘Di/Ur rnetabolisine ~ pi' / Uv at dan |aktat di 5'
J
^'Wu
rl U .
y°/
.-•1
l
he
/ C^J
dalam alam ^Ci ^ (J'f1 ^ ■ali x keadaan keadaan
N
AD* teroksicl^5’
Rn „
c Regulfltl°n
, , IC' . , Ol s on M • Ann ua l
Buxton DB, Robertson ...
multienzy11 1
. L Pyruvate dehydrogenase of Nutrition 1993:13:497.
Hal l J
c
omple5C-
of
Annual Review of Biochemistry 1983;52:617. Kim J-W, Dang CV. Multifaceted roles of glycolytic enzymes. Trends in Biochemical Sciences 2005;30:l42. Robergs RA, Ghiasvand F, Parker D. Biochemistry of exerciseinduced metabolic acidosis. American Journal ot Physiology 2004;287:R502. Wing YM, Eys J. Nutritional significance of fructose and sugar alcohols. Annual Review of Nutrition 1981; 1:437. Wasserman DH. Regulation of glucose fuxes during exercise in the postabsorptive state. Annual Review ot Physiology
1995;57:191.
BAB 19: METABOLISME GLIKOGEN /
Metabolisme Glik °fen
Tabel 19-1. Penyimpanan karbohidrat pada seseorang dengan berat badan 70 kg.
David A. Bender, PhD & pell er
A. Ma
yes P,)
' D, Dsc Glikogen hat
PERAN BIOMEDIS
Glikogen otof
Glikogen adalah karbohidrat simpana setara dengan pati/kanji pada tumbuhan. I-J’ ahcw»n, ^"ian. polimer bercabang a-D-glukosa IR- •& 1‘<0Pp»' 1 •
Glikogen
Jalur R- . ‘
“otot
m
To\*
SV'koteS
*
U , O T D A N t
D\ OTOTD
*a\v>risE\os\n\e«*' ^'^ Glikogen
. UuV'~
rk£,n
Mi
Sepcrti°SUs Glukosa
an
6
cU^
GUKOGtNfcS\SMRlA*4?!
massa hati, sekitar tiga-perempat gVvkogen w oWtwbu\, glikoeen ti,k L dar,Pada ol0l CVabe\ metu?akansumber$uWa w dapat cub uhtotalbcra GY\Wn0Wl nlUV.^WVoWsvsd\da\amotot\tu^nd\n. da 1
„\UKOSA
°tor i °sa 6.r
P Ja
’ ^ll,k()s‘l 1,1
■” hC< Pi
an 0 U yan glikolisisf% , gK,kosa ^ tlikauli' t m B'ukok; I1Kfosf nasedi llati ((i,1,nl 1 lgalarr c°Rii i! » i i s glukosa untuk mempertahankan n ,,icni idi H! t ‘ b en f 11/ 111 1 1 ,11 Ban •Osf -| > Ukoa 6 -fosfa, -scntliT sis ,k()S^ if/i (karena faA,/ . *«« ' di0 ot„ N t -^91 ^. A -FOSFETASE\ NAMUN \ serta dal.un i SCB ;,I .,k>' /j van- (lik ltal ^ ba .lifi UK-
Tv
J
>di?t 8likolisis . ,
““B4”*
t**?
vans «tben Lma* *nm *”* <**
Penambahan sebuah residu glukosa ke rantai glikogen yang sudah ada, atau ’PRIMER, terjadi di ujung luar molekul sehingga cabang-cabang molekul nonpereduksi glikogen memanjang SEIRING dengan tcrbentuknya ikatan 1—>4 (Gambar 19-3). Ketika rantai MEMILIKI panjang sedikit 1 1 residu glukosa, sebagian rantai 1 —>4 (dengan panjang setidaknya 6 residu glukosa) dipindahkan ke rantai di dekatnya oleh BRANCHING ENZYME untuk membentuk ikatan 1—>6 sehingga terbentuk
pcrcaban^an\an^\cW\V\sediWuc\a"\
PadalumbuWn>ada\ah ■'tedbanB a-D-^ukosa (Gambar\A-\3V Zat \m PoUmer viemUkan d\ Vian dan otot;meskipunkandungm 0101 ot ^buh jauhlebiht terutama -^ daripada kandungm $Wn Olot °t,
DAK SECAVA PVRUVAI
Pembentukan Cabang Melibatkan Pelepasan Rantai Glikogen yang Sudah Ada
acmnggauw\ad\stntesis£,V\V.o£.^ u\.\
—»ivid padatawan,
nrA\e,una^ • unlviVmctvvinvpatvdar\mtm __r_.untuk glikolisis diZwf“a Va n 8 >V S'Pct« n,4 ^betmpeuaWnW kadar ,VuW*mcnyi daidr** «U sendiri Glikogen hati berfungsi untuk \ukosautvo^ 1 Sete\aVvn-\%\amWtpuasa, %V^u S rara^akm ,\,nvatetkutas.Meskipun$\Vo$motot ^ u Vxamp^ seWVU men^asWkan ^ukosaWW
Glukosa ekstrasel
“Sp Icrj
}S.!lDpGic)7uk nukia>ii
4
®
TO?"
arnkCh lJC>PGl“,l.P,r‘>fVls,al
^ansa^'”unt*i*"”?** 4'W. (penya\otpemmYmnan %\vko%^*\a\aV dan &&«*** #**P tnva\^^efe ^%,n^ ada, ok ~ onwJ -^>iaai0 i'i a^alah , ^OpriUc• r r seVeW CLn atau Ven6 enAa¥anWmukaW diau o bpengendapan h pCmi P^ofosfort ^obttsa* bc,Hl glikogen sehingga terjadiWkelemahan . sek-^‘sis W. ? »kan UOPC'.1 nscV 0 0 ., ^ ahnor "‘ tko?® \» menvebaVfcm apa s tt\W penimbunan glikogen ini menyebabkan Ll aU «!**U P'^ofosfat nic
si 1 .11 1'
R
L
;1
‘.r.i ,L< " >" fj "r-"'^ l)‘I kini,r YJ,
iila J
AN
T L
Pr d v. Struktur glikogen yang sangat bercabang ^ ‘C 7 ° ^ tcrscbtn banyak tempat untuk g ikogen0 lisis sehin^ilW ^ ^TAU\ X^ ....................................................................... ” fosfat dapat cepat dihasilkan untuk A\~ ^ "' ®UW- ' Atlet-olah raea van- —
$ s
^F«tt uinasilkan untuk d^'^
Atlet-olah raga yang memerlukan dayaSUnakan oU^ U pembebasan glukosa 1 -fosfat yang Uk-L ^ mcmb»lt. lama. Pembentukan titik-titilp8,^ ^ berlangsung lebih lambat daripada po^ di 1} glukosa ke suatu rantai linier, dan seb^^n u ^ tersebut melakukan latihan CARBOHYT^ ^ hingga kelelahan (saat GLIKOGEN otot SELL**'L°ADI*S ^ dan diikuti dengan menyantap makana^t/f^
isg
167
Glukosa
lisisdi hati. (+), Perangsangan; (-) Penghambatan. Insulin menurunkan , psis dan glikogen°w'n oleh glukagon atau epinefrin; yi. insulin melawan efek keduanya. Gambar 79-/Jalur8 ° ^? rnyaditi B ^ . Qlol rangka. Di *: Glukan transferase dan D E B R A N C H I N G E N Z Y M E kadar cAMP hanya ^ ' “ g , tetapi ti* f,ua aktivi,as yang berbeda. Glukagon aktit di o nzim yang sam< tampaknya merupaKc llk g
acla
n
k
d
BAB 19: METABOLISME GLIKOGEN /
! 68/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & UPID
Fosforilase kinase diaktifkan sebagai respons terhadap cAMP (Gambar 19-6). Peningkatan konscntrasi cAMP akan mengaktifkan protein kinase dependen-cAMP yang mengatalisis fosforilasi oleh ATP fosforilase kinase b inaktif menjadi fosforilase kinase a aktif yang selanjutnya mcmfosforilasi fosforilase b menjadi fosforilase a. Di hati, cAMP dibentuk sebagai respons terhadap glukagon, yang dikeluarkan sebagai respons ataS menurunnya kadar glukosa darah; orot kurang peka terhadap glukagon. Di otot, sinyal untuk meningkatkan pembentukan cAMP adalah efek norepinefrin yang disekresikan sebagai respons terhadap rasa takut atau cemas, ketika kebutuhan akan glikogenolisis meningkat agar aktivitas otot dapat ditingkatkan.
^
fosfoglukomutasebersifat rcvctsi u
dapatdibentukdariglukosa 1
O
\^u
'
^^
tetapitidakdiotot,glukosa 6'° ^^oS.i V glukosaG-fosfatyangmengViasdk.mV?^ scbin^akadarglukosadarah meniuu, •' MAP S\KUKlAtrAkDUKA^-otf4
GUKOGtNOUSlSDAN GU*
Gambar 19-2. Uridin difosfat glukosa (UDPCIc). Cabans,tumbubmelaluipenambabantitik Percaban^\cosWdanpercabanganselanjutnya. un
«-unitW4-6
AI
sf . ^.\1'
^7-im-eniimutamayang mc"^C"' \.co S"'V s
^|kogen-g\iVogcnfosforilase dan 'r' . '
,
™ mekanismealosterik dan nu>d" /^ terjadinyafosforilasidandefoslov»Us' )lA
^Uarl di kedua sisi suatu cabang l->6 (Gamk ^ res‘du eli.L^ (a-[ 1 >4] -> a-[l->4] glukan transfer^' En*m £ satu D i hati „^erbe^° , o yaric ^\hs\ori\Qse mil unit dari debranching satu cabang en k—oang c zyme^dahk .. ran Wtrisakarida 6 memerlukan ' '“"sis 0 \o\ Rcn >k^>eiiko tansferase dan D E B R A N C H I N G E N Z Y M E mungfe ''falv i* Por c,,. adalah menyca'“-- ,rkilv' kedua bentuk aktmtas dan suatu proteintunggll^ «k f fltrak;*i otot. Di kedua ) j,
• , f -hse rt) dan diinaktifkan iase (untuk menghasilkan fos o * .ronrotein fosfatase oleh dcfosforilasi yang dikatalisis o c i ponS terhadap ^ntuk menghasilkan fosforilase b), sebaga. asp sin yal hormon dan sinyal lain. dihambat secara fosforilase a aktif di kedua jal |iaCi, tetapi tidak alosterik oleh ATP dan glukosa 6-fosfat; inhibitor. J ()lot, glukosa bebas juga merup-J * ^na memilild °sforilnsf*nmr liprbedadari isoenzin u„rf',mesi sebagai li 0 (0 / °^ P D , L N glukosa 6- F O S FAT ; cli hari, retapi uu,.., ’°sf0rjj' ^u^cosa bebas juga merupakan suatu inhibitor. tC,7l Pat aSC °t0t ^er^ec^a ^an isoenzini di hati karena memiliki ^ivatQrPCn^n untuk 5'AMP yang berfungsi sebagai '’''"'Par 0 a, stcn al 3’A/vip ', ° ^ bentuk b terdefosforilasi (inaktif) enzim. 'tivatorPC|n8ikatan 5’AUD ^ceria sebagai sinyal poten status energi sel otot; untuk ^ koncentrasi ADPmulai 10 meningkat 1 0srer, ^'AJVfp 1 k B E N T U K B T E R D E F'•O—S F Osubstrat RILASI ( I N A K T I T J aan... 5'AiVfp C. ri‘a sebagai sinyal poten status energi sel orot; ^enUn‘C| Uu^sewa^tu konsentrasi ADP mulai meningkat ;|8ar y\'j-p1 J111 P E R L U N YA P E N I N G K A TAN M E TAB O L I S M E S U B S T R A T ^Dp , v ' aPat T E R B E N T U K ), A K I B A T R E A K S I adenilat kinase: 2 x 1
u
M
„
i
otot meningkat beberapa ratus kali bersamaan dengan dimulainya kontraksi; sinyal yang sama (peningkatan konscntrasi ion Ca2' intrasel) berperan memulai kontraksi dan glikogenolisis. Fosforilase kinase otot yang mengaktifkan glikogen fosforilase adalah suatu tetramer dari empat subunit berbeda, A , p, y, dan 8. Subunit a dan p mengandung residu serin yang terfosforilasi oleh protein kinase dependen-cAMP. Subunit 5 identik dengan protein pengikat Ca2’, yaitu kalmodulin (Bab 42), dan mengikat empat Ca2*. Pengikatan Ca2' mengaktifkan bagian katalitik subunit y meskipun enzim berada dalam keadaan terdefosforilasi b; bentuk terfosforilasi a baru aktif secara penuh jika terdapat Ca2’. Glikogenolisisdi
Vj
sil '
\\s'
Ca2* Menyinkronkan Pengaktfifan Fosforilase dengan Kontraksi Otot
A
1
«rmOUS»5BVJKANNttRUPM^N GUKOGWW
169
KCU
u„ „
Sf ril
° “i yang dikatalisis
Glikogenolisis di Hati Dapat Tidak Bergantung pada cAMP Di hati, terdapat pengaktifan glikogenolisis tanpa bergantung pada cAMP sebagai respons terhadap perangsangan reseptor adrenergik a, oleh epinefrin dan norepinefrin. Hal ini mencakup mobilisasi Ca2* dari mitokondria ke dalam S I T O S O L , diikuti oleh stimulasi fosforilase kinase peka-Ca27 kalmodulin. Glikogenolisis yang tidak-bergantung-cAMP juga ditimbulkan oleh vasopresin, oksitosin, dan angiotensin II yang bekerja melalui jalur fosfatidilinositol bisfosfat atau kalsium (Gambar 42-10).
Protein Fosfatase-1 Mengonaktifkaim Fosforilase Baik fosforilase a maupun fosforilase kinase a mengalami defosfor.las, dan dnnaktifkan oleh protein fosfatase-1 . . . . . " oshuase -l dihambat oleh suatu protein, yakni 01 1, yang hanya aktif setelah terfosforilasi oleh Jam6ar
79-5. Asam 3’,5'-adenilat (aNMP
siklik; cAMP)-
< FOS FORI KIN ASE Res ept or Ade nilil inak A tif P T (1
0 R
70/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT 170/ BAGIAN 11 1 : BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID& UPID 170
/
BAB 19: METABOLISME GLIKOGEN / 171
BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT
BAB 19: METABOLISME GLIKOGEN BAB 19: METABOLISME GLIKOGEN / 171/ 171
glikogenolisis dengan meningkatkan kadar glukosa 6 -fosfat yang n I11cr ill >lc'P dependen-cAMP. Oleh sebab im, cAMP Protein kinase dependen-cAMP. Oleh sebab itu,cAMP cAMP^engontrol »gontrol rkinase* otcin kinase dependen-cAMP. Oleh sebab itu, merangsang defosforilasi dankadar pengaktifan sintase. glikogenolisis dengan meningkatkan glukosa 6glikogen -fosfat yang glikogenolisis dengan meningkatkan kadar glukosa 6 -fosfat yang f LVn8 °ncrt)baik lpengaktifan pengaktifan maupun penginaktifan pengaktifan maupun penginaktifan ^° sforilase (Gambar 19-6). baik maupun penginaktifan fosfori lase (Ciambar 19-6). Defosforilasi glikogen sintase b dilaksanakan oleh protein merangsang merangsang defosforilasi defosforilasi dan dan pengaktifan pengaktifan glikogen glikogen sintase. sintase. ^j S°'ilase (Gambar 19-6). Insulin memperkuat efek ini Insulin memperkuat dengan menghambat pengaktifan Insulin memperkuat efekefek ini ini dengan menghambat pengaktifan fosfatase -1 glikogen yang berada dalam kendali kinase dependenDefosforilasi sintase b dilaksanakan oleh protein fosfatase -1 Defosforilasi glikogen sintase b dilaksanakan olehprotein protein fosfatase -1 ,T nmcnghambat pengaktifan fosforilase Hormon ini fosforilase b. Hormon ini secara tidak langsung IVlb. *elakukannya fosforilase b. Hormon ini elakukannya secara tidak langsung cAMP. berada kendali protein dependen-cAM P. yang yang berada dalamdalam kendali protein kinasekinase dependen-cAMP. pj' ‘'kukannya secara tidak langsung dengan meningkatkan dengan meningkatkan Penyerapan glukosa sehingga meningkatkan dengan meningkatkan Penyerapan glukosa sehingga meningkatkan n yerapan glukosa sehingga meningkatkan pembentukan pembentukan Sbikosa 6 - fosfat yang merupakan suatu inhibitor inhibitor u pembentukan tUukosa 6 -fosfat yang merupakan suatu METABOLISME GLIKOGENDIPENGARUHI DIPENGARUHI kosa 6 -fosfat yang merupakan suatu inhibitor fosforilase nase. METABOLISME GLIKOGEN fosforilase METABOLISME GLIKOGEN fosforilase kinase. kinase. OLEHKESEIMBANGAN KESEIMBANGAN AKTIVITASANTARA ANTARA OLEH AKTIVITAS DIPENGARUHI OLEH KESEIMBANGAN
GLIKOGEN SINTASEDAN DANFOSFORILASE FOSFORILASE GLIKOGEN SINTASE AKTIVITAS ANTARA GLIKOGEN SINTASE DAN FOSFORILASE Pada saat yang sama dengan terjadinya pengaktifan fosforilase oleh
Aktivitas Glikogen Sintase & Fosforilase ■atur Aktivitas Glikogen Sintase & Fosforilase diatur Aktivitas Glikogen Sintase & Fosforilase Secara Timbal Balik Secara Timbal Balik ^iatur Secara Timbal Balik
Pada saat yang sama dengan terjadinya pengaktifan fosforilase oleh ^eperti fosforilase, glikogen sintase terdapat baik dalam 'eadaan peningkatan konsentrasi cAMP(melalui (melalui fosforilase kinase), glikogen peningkatan konsentrasi cAMP fosforilase kinase), glikogen Seperti fosforilase, glikogen sintase terdapat baik dalam keadaan keadaan Pada saat c yang sama dengan terjadinya pengaktifan fosforilase oleh Seperti fosforilase, glikogen sintase terdapat baik dalam terfosforilasi maupun tidak-terfosforilasi; namun, k fosforilasi adalah sintase diubah menjadi bentuk inaktif; kedua efek diperantarai oleh sintase konsentrasi diubah menjadi bentuk inaktif; kedua kinase), efek diperantarai terfosforilasi tidak-terfosforilasi; namun, efek fosforilasi peningkatan Xs cAMP (melalui fosforilase glikogen oleh terfosforilasi maupun tidak-terfosforilasi; namun, efek fosforilasi kebalikan efek yangmaupun dijumpai pada forilase (Gambar 19-7). protein kinase dependencAMP (Gambar 19-8). Jadi, inhibisi protein cAMPkedua (Gambar 19-8). Jadi,oleh inhibisi adalah kebalikan yangyang dijumpai padapada fosforilase (Gambar 19-7). diubahkinase menjadidependenbentuk inaktif; efek diperantarai adalah kebalikan efek dijumpai fosforilase (Gambar 19- sintase Glikogen sintase a aktifefek Bengal glikogenolisis meningkatkan glikogenesis netto, dan inhibisi inhibisi glikogenolisis meningkatkan glikogenesis netto, dan 1 X1 defosforilasi dan glikogen rnen Glikogen sintase a aktif mengalami sintase protein kinase dependencAMP (Gambar 19-8). Jadi, inhibisi 7). Glikogen sintase a aktif gala mibdefosforilasi dan glikogen ami defosforilasi dan glikogenensintase inaktif galami glikogcnesis meningkatkan glikogenolisis netto. Defosforilasi glikogenesismeningkatkan meningkatkan glikogenolisis Defosforilasi b inaktif e n bgainaktif 1 am IiT 1fos r i aI m as ii.fos fo rilasi. glikogenolisis glikogenesis netto, netto. dan inhibisi sintase e nfogal fosforilasi. fosforilase a, fosforilase kinase, dan glikogen sintase b dikatalisis fosforilase a, fosforilase kinase, dan glikogen sintase b dikatalisis oleh Terdapat enam protein kinase berbeda yang bekerja Pada glikogenesis meningkatkan glikogenolisis netto. Defosforilasi enam protein kinase yang bekerja pada Perdapat Terdapat enam protein kinase berbeda yangberbeda bekerja P^da oleh satu enzim dengan spesifisitas yang luas— protein fosfatase2 satu enzim dengan spesifisitas yang luas—protein fosfatase1. glikogen sintase. Dua di antaranya bersifat dependenCa '/kalmodulin fosforilase a, fosforilase kinase, dan glikogen sintase b dikatalisis oleh glikogen sintase. di antaranya glikogenDuasintase. Duabersifat di dependenantaranya ‘/kalmodulin bersifat dependen1. Selanjutnya, protein fosfatase-1 dihambat oleh protein kinase Selanjutnya, protein fosfatase-1 dihambat oleh protein kinase satunya fosforilase kinase). Kinase lain adalah protein (salah(salah satunya adalahadalah fosforilase kinase). Kinase lain adalah protein ^a-'Vkalmodulin (salah satunya adalah fosforilase kinase). Kinasesatu enzim dengan spesifisitas yang luas—protein fosfatase-1. dependen-cAMP melalui inhibitor-1. inhibitor-1. Jadi, glikogenolisis glikogenolisis dapat dependen-cAMP melalui protein fosfatase-1 dihambat Jadi, oleh protein kinase dapat kinase yang dependen-cAMP memungkinkan yang hormon, melalui Selanjutnya, kinase dependen-cAMP yang kinase lain dependen-cAMP adalah protein memungkinkan 1 dihentikan dan glikogenesis dirangsang secara sinkron m C dihentikan dan glikogenesis dirangsang sinkron ataudapat sebaliknya melalui inhibitor-1. Jadi,secara glikogenolisis memungkinkan hormon, melalui perantaraan AMP, perantaraan sintesismenghambat glikogen sccara sinkron hormon, cAMP, melalui menghambat perantaraan cAMP, sintesis glikogendependen-cAMP sebaliknya karena kedua proses bergantung pada aktivitas karena keduaglikogenesis proses bergantung padasecara aktivitas protein kinase dan dirangsang sinkron atauProtein menghambat sintesis glikogen sinkron dengan pengaktifan dengan pengaktifan glikogenolisis. Insulin juga memacu glikogenesis secara sinkron dengansecara pengaktifan glikogenolisis. Insulin jugadihentikan kinase depcnden-cAMP. Baik fosforilase kinase dependen-cAMP. Baik fosforilase kinase glikogenolisis. Insulin juga dengan memacu glikogenesis otot secara dengansebaliknya karena kedua proses bergantung pada aktivitas protein di otot secara bersamaan memacu glikogcnesis dipenghambatan otot secara di bersamaan kinase dependen-cAMP. Baik fosforilase kinase bersamaanpenghambatan dengan penghambatan Epinefnn
PROTEIN KINASE DEPENDENcAMP inaktif Inhibitor1 (inaktif)
Glikogen(n)1)
PROTEIN KINASE PEPENDENKALMODULIN GLIKCGEN
GLIKOGEN SINTASE b (inaktif) Insulin
PROTEIN FOSFATASE
lnhibitor-1-fosfat (aktif)
PROTEIN FOSFATASE1
G A M B A R 1 9 - 7 . Kontrol glikogen sintase di otot. (n = jumlah residu glukosa; CiSK = glikogen sintase kinase; G6P glukosa 6-fosfat) glukosa 6-fosfat)
ENYAKIT VON
HIPOGLIKEMIA; HIPERKETONEMIA; KEMATIAN DINI AKUMULASI GLIKOGEN DI SEL TUBULUS GINJAL DAN HATI; HIPOGLIKEMIA; ASIDEMIA LAKTAT; KETOSIS; HIPERLIPEMIA
GIERKE J GLUKOSA 6-FOSFATASE
’ENYAKIT POMPE ; AL—>4 DAN AL—>6 GLUKOSIDASE • LISOSOM (MALTOSE ASAM) )EKSTRINOSIS TERBATAS, • DEBRANCHING ENZYME PENYAKIT FORBE I
PENIMBUNAN GLIKOGEN DI LISOSOM; VARIAN ONSET JUVENILIS, HIPOTONIA OTOT, KEMATIAN AKIBAT GAGAL JANTUNG PADA
HIPOGLIKEMIA PUASA; HEPATOMEGALI PADA MASA BAYI; PENIMBUNAN POLISAKARIDA BERCABANG YANG KHAS
IV
MILOPEKTINOSIS,
; BRANCHING ENZYME PENYAKIT ANDERSEN :
HEPATOSPLENOMEGALI; PENIMBUNAN POLISAKARIDA DENGAN SEDIKIT TITIK PERCABANGAN; KEMATIAN AKIBAT GAGAL JANTUNG ATAU HATI PADA TAHUN PERTAMA KEHIDUPAN
DEFISIENSI ; FOSFORILASE OTOT MIOFOSFORILASE, :
TIDAK KUAT BERAKTIVITAS FISIK; GLIKOGEN OTOT SANGAT TINGGI (2,5—4%); LAKTAT DARAH SANGAT RENDAH SETELAH
VI
ENYAKIT
VII
3
HERS ! FOSFORILASE HATI
HEPATOMEGALI; PENIMBUNAN GLIKOGEN DI HATI; HIPOGLIKEMIA RINGAN; UMUMNYA BERPROGNOSIS BAIK
TARUI ; FOSFOFRUKTOKINASE 1 OTOT DAN • ERITROSIT
TIDAK KUAT BERAKTIVITAS FISIK; GLIKOGEN OTOT SANGAT TINGGI (2,5—4%); LAKTAT DARAH SANGAT RENDAH SETELAH BERAKTIVITAS FISIK; JUGA ANEMIA
ENYAKIT
HEMOLITIK
VLLL
; FOSFORILASE KINASE HATI
HEPATOMEGALI; PENIMBUNAN GLIKOGEN DI HATI; HIPOGLIKEMIA RINGAN; UMUMNYA BERPROGNOSIS BAIK
IX
; FOSFORILASE KINASE HATI DAN OTOT
X
; PROTEIN KINASE A DEPENDEN-CAMP 172
HEPATOMEGALI; PENIMBUNAN GLIKOGEN DI HATI DAN OTOT; HIPOGLIKEMIA RINGAN; UMUMNYA BERPROGNOSIS BAIK BAG.AN BIOENERGETIKA * METABOLISME KARBOHIDRAT 4 UPID H EPATOMEGALI ; PENIMBUNAN GLIKOGEN DI HATI / BAB 19: METABOLISME GLIKOGEN / 173 Epinefrin
<*bel 7 9 .2 . Penyakit penimbunan glikogen.
(hati, otot)
cAMP
Glukagon
C' AlirN
(hati)
Inhibitor
-1
Inhibitor-
Nama
1
Defisiensi Enzim
Gambaran Klinis
fosfat
GLIKOGE N
SINTAS
WOTc,*, K'\A't p
PROTEIN FOSFATASE-1
DEPEN06 N
GLIKOGE N
FOSFORILAS E KINASE a
SINTAS
Glikogen
UDPGIc
Siklus glikogen
FOSFORILASE b
Glukosa
Glukosa (hati) Glukosa
Laktat (otot)
Gambar ., menyebabkan P|iknT/er,PadU8likoSenolisisdanglikoBenesisolphn . • Reaksi-reaksi reaksi yang dihambft defT akibat. Penin8katan kadar cAMP diperMhatk ^dependen-cAMP- Reaksi-reaksi y.ing sebaliknya terjadi iik-, l , y.ing P en8akf|fan protein fosfatase-1 diperlihuk ? en8an »anda panah tebal, dan rt*«iksia ar cAMP menurun akibat aktivitas fosfodic;.!0 83i landa Panah Pu,us-Pu,us- Hal y^n8 rase a y ng menyebabkan glikogenesis.
maupun glikogen sintase dapat difosforilasi secara reversibel di lebih dari satu tempat oleh kinase dan fosfatase yang berbeda. Fosforilasi sekunder ini memodifikasi sensitivitas bagian/tempat utama terjadinya fosforilasi dan defosforilasi (:multisite phosphorylation). Fosforilasi sekunder ini juga memungkinkan insulin menimbulkan efek yang timbalbalik dengan efek cAMP melalui peningkatan glukosa 6- fosfat (lihat Gambar 19-6 dan 19-7).
penyakit herediter yang ditandai oleh pengen f glikogen dalam jumlah atau tipe abnormal cli jarinp1 ”^ 1 kegagalan memobilisasi glikogen. Penyakit-penyakit 1 diringkaskan di Tabel 19-2.
RINGKASAN
• •
Penyakit Penimbunan Glikogen Bersifat Herediter ’’Penyakit penimbunan glikogen” [glycogen storage disease) adalah suatu istilah generik untuk menjelaskan sekelompok
Adenilil siklase aktif
•
Glikogen merupakan bentuk simpanan lltanu karbohidrat di dalam tubuh, terutama di hati dan otot. Di hati, fungsi utamanya adalah mcnycdiakan glukosa untuk jaringan ekstrahepatik. Di otot, senyawa in, berfungsi utama sebagai sumber bahan bakar metabolik yang dapat segera digunakan oleh otot. Glikogen disintesis dari glukosa melalui jalur glikogenesis. Senyawa ini diuraikan melalui jalur tersendiri. Y'"ju glikogenolisis. Glikogenolisis menyebabkan terbentuk G A M B A R 1 9 - 7 . Kontrol glikogen sintase di otot. (n = jumlah residu glukosa; GSK = glikogen sintase kinase; G 6P - glukosa 6-fosfat)
BAB20:
20
Glukoneogenesis &
GLUKOSA-
David A. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc
Glikogen Fruktosa
AMP
6-
P.lSFOSFAT ASE
k a r b o k s i l a s e mitokondria mcn^.it.il> ' k
S ^oneogenesis. u
menjadi oksaloasetat, suatu REAKSI dengan vitamin biotin sebagai kotn/m cot
Tiga reaksi tidak-setimbang dalam glikolisis dikatalisis oleh heksokinase, fosfofruktokina*,- ^ kinase, menghambat pembalikan sederhana elLl" P‘rUVau membentuk glukosa (Gambar 20 -1 ). Reaksi-^a^| terjadi sebagai berikut. ’
sebelum
penambahan CO, ke piruvat (C.arn^" kedua,
fosfoenolpiruvat
karboksi
eng alists
nlc
nja
siklus asam sitrat (Bab 17) mcngh.*
•
(\ GLISEROL F°SFAT
4-- ADP
2 -Fosfogliserat d
Fosfoenol
sitrat. B. FRUKTOSA 1,6 -BISFOSFAT & FRUKTOS
FOSFOENOLPI RUVAT KARBOKSIKINASE__
5 -f'oslat,
6-FOSFAT
1,6-
Perubahan fruktosa 1,6-bisWat untuk pembalikan glikolisis^d.kata
mu]sa0
bisfosfatase. Keberadaan enam
gM
,
. fc,
. nllingkm
•
tidak ditemukan di otot jantung dan otot po c. Glukosa 6-Fosfat & glukosa Perubahan glukosa 6-fosfat m e n j a d i g “ “ h ^ ^ d a n gi")1'-
•
osa 6-fosfatase. Enzim.niterebpa^. h.^
^
mengekspor glukosa kc dala
A. Piruvat 8 c Fosfoenolpiruvat
(Gambar 19-1)*
Pembalikan reaksi yang dikatalisis oleh piruvat kinase dalam glikolisis
pt. b ^ niengganggu oksaloasetat untuk glukoneogenesis y. . aktivitas siklus asam
O glukosa 1 -Fosfat & glikogen
cAMP
(glukagon)
terbentuk hubungan antara akt,V c luaran berl«=b.h»n glukoneogenesis, untuk mcncegah
gluk
Gliserol
sehingga
untuk reaksi fosfoenolpiruvat karbcAsikmas^
tidak saja dari piruvat, tetap. juga
ADP^^,
*"ATP iliser at
_ digUnala»
3-
Gliserol 3-fosfat
1,3-Bisfosfogliserat
f°sl\v
ATP seperti di jaringan lam), dan ’
(glukagon)
> NADH i- H~
NADH + HcAMP (glukagon)
at
nl 11
-- cAMP
Fruktosa
2,6-bisfosfat
Gliseraldehi da NAD' ^
dekarboksilasi dan fosforilasi ()ksa'°-'sc scii;lga« ^onot enolpiruvat dengan menggunakan * ,;nkin3sC ^ar-' fosfat. Di hati dan ginjal. reaks, ( b u k a a
GLUKONEOGENESIS MEUBATKAM GLIKOLISIS, SIKLUS ASAM trri BEBERAPA REAKSI KHUSUS SERTA
Glukoneogenesis adalah proses mengubah prekursor nonkarboh.drat menjadi glukosa atau glikogen. Substrat utamanya adalah asam-asam amino glukogenik, laktat,' gliserol, dan prop,onat. Hati dan ginjal adalah jlti glukoneogenik utama. ' ° Glukoneogenesis memenuhi kebutnh™ l . u jika karbohidrat dari makanan atau 1 11 gen kurang memadai. Pasokan glukosa Cmp n a ang esensial terutama bagi sistem saraf d * y glukoneogenesis biasanya bersifat f e?tr°Slt.' ^egagalan menyebabkan disfungsi otak yang d a ^ ’ ^‘P0 gl‘keniia dan kematian. Glukosa juga penting In koma kadar zat-zat antara siklus asam sitrat 3 ^ memPerta^an'
/
Glukosa
Kontrol Glukosa Darah
PERAN BIOMEDIS
GLUKONEOGENES,S& KONTROL GLUKOSA DARAH
— ^ yk
Shearer J, Graham TE: New persnerr;„« propionat organization of muscle glycogen C A- °” stora8e and Physiology Suksinil-KoA & a ad,an J Ur aI 2002;27:179 " ° " Applied Fumarat Bollen M, Keppens S, Stalmans W: Specific features of glycogen Wolfsdorf Jl, Holm IA. Glycogen Jmetabolism in the liver. Biochemical Journal 1998:336:19. genetic, and biochemical ch ^ d,seases- Phenotypic, Endocrinology and MetaboP '™"C"st,cs' and therapy. 1999:28:801 Ferrer JC, Havre C, Gomis RR, Fernandez-Novell JM, Garcia- Rocha M, Merab 1 ° *"' Clm.cs of North America de la Iglesia N, C.id E, Guinovart JJ: Control ol glycogen deposition. FEBS Letters 2003;546:127.
REFERENSI
SINTETAS E
CH,
V U^^£KSJLASE
—► CH,
176
/
BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
Hubungan antara glukoneogenesis dan jalur glikolitik diperlihatkan di Gambar 20-1. Setelah transaminasi atau deaminasi, asam-asam amino glukogenik menghasilkan piruvat atau zat-zat antara siklus asam sitrat. Oleh karena itu, reaksi yang dijelaskan sebelumnya dapat menyebabkan perubahan laktat maupun asam amino glukogenik menjadi glukosa atau glikogen. Propionat adalah prekursor utama glukosa pa^a hewan pemamah biak; senyawa ini memasuki proses glukoneogenesis melalui siklus asam sitrat. Setelah esterifikasi dengan KoA, PROPIONIL-KOA mengalami karboksilasi menjadi D- METILMALONILKOA, yang dikatalisis OLEH PROPIOML-KOA KARBOKSILASE, suatu enzim yang dependen biotin (Gambar 20-2). METILMALONIL-KOA RASEMASE mengatalisis perubahan D-METILMALONIL-KOA menjadi LMETILMALONIL-KOA YANG kemudian mengalami isomerisasi menjadi suksinil-KoA yang dikatalisis oleh METILMALONIL-KOA MUTASE. Pada hewan bukan-pemamah biak, termasuk manusia, propionat berasal dari oksidasi-(3 asam lemak rantai-ganjil yang terdapat pada lipid hewan pemamah biak (Bab 22), serta oksidasi isoleusin dan rantai samping kolesterol, serta merupakan substrat (relatif minor) bagi glukoneogenesis. Metilmalonil- KoA mutase adalah enzim dependen-vitamin B)2, dan pa a defisiensi asam metilmalonat, enzim ini diekskresikan i urine
GLIKOLISIS & GLUKONEOGEN bAL,K HARUS DIATUR SECARA TIM» KARENA KEDUANYA MEMILIKI JALUR YANG TETAPI BERLAWANAN ARAM ^ okSebagian besar perubahan mctal'oh'"1^ tcjr;l perubahan ketersediaan substrat ’-n ' crkaiO» sinter j
Induksi & Represi Enzim-Enz,rn Memerlukan Waktu Beberapa berba? 1 Perubahan aktivitas enzim di hati yang \ 2 0 • ^ kondisi metabolik dicantumkan *di a ■ij;ljc-sctitn ^ enzim berperan dalam katalisis rtav-si dipc . UI irn (secara fisiologis ireversibel). V? . Jak , karena aktivitas enzim yang mengata ,M (lihat berlawanan bervariasi secara timba 1 Peina^a»l^u 1e l 20-1). Enzim-enzim yang berpc-ian <- > ,nja^ . . glukosa (yi. enzim glikolisis dan lipogc-ncsis ^Jaan aktif jika terjadi kelebihan glukosa, clan pac . rutun enzim-enzim glukoneogenesis memp cr 1 ia ' olls terha ^ aktivitas. Insulin yang disekresikan sc iagai c.. ^ s,nteM> e peningkatan kadar glukosa darah, rnenmfc ^’ enzim-enzim kunci glikolisis. lnsu in )U£* glukokortikoid dan cAMP yang ^hikoncOgcncS*lS* Iin
u
(METILMALONATASIDURIA).
Gliserol dibebaskan dari jaringan adiposa me a ui lipolisis lipoprotein triasilgliserol dalam keadaan kenyang, gliserol dapat digunakan untuk re-esterifikasi asam lemak bebas menjadi triasilgliserol di jaringan adiposa atau hati, atau menjadi substrat untuk glukoneogenesis di hati. Dalam keadaan puasa, gliserol YANG dibebaskan dari lipo isis triasilgliserol jaringan adiposa digunakan semata mata sebagai substrat untuk glukoneogenesis di hati dan gmja .
Gambar 20-2. Metabolisme propionat GLUKOKORTIKOID, GLUKAGON,
KARBOKSIKINASE I I
GLUKOKORTIKOID, GLUKAGON,
GLUKOSA 6-FOSFATASE ; 4 > I'!
GLUKOKORTIKOID, GLUKAGON, EPINEFRIN
SETIL KOA 1 ADP
KoA
SULIN
1;
NSULIN
;
1
u
• jpada Aktivitas ! v ... , : ; Puasa ; ; : : dan Pen cn Pemberian eka ;Karbohidrat Aktivator £ ncn, .......: ; Inhibitor Diabetes : Penginduksi CO-s-CoA ' .glikolisis, j'kogenolisis, /at ATP AMP+ PP ATP dan oksidasi piru > : V CoA-SH
.bel.
L-Metil-malonil-KoA
BAB 20: GLUKONEOGENESIS & KONTROL GLUKOSA DARAH / l 77
^bel 20-1. Enzim regulatorik dan enzim adaptif yang berkaitan dengan metabolisme karbohidrat.
BAB 20: GLUKONEOGENESIS & KONTROL GLUKOSA DARAH / 1 79
178 / BAGIAN II: BIOENERGETIKA &METABOUSME KARBOHIDRAT &UPID banyak jaringan lain memungkinkan penyeimbangan reaksi secara cepat
^t-'zat antara yang terfosforilasi dan yang tidak terfosforilasi pC,1gan hidrolisis netto ATP. Namun demikian, di otot, baik j^fofruktoki nase maupun fruktosa 1 ,6 -bisfosfatase sedikit anyak memperlihatkan aktivitas setiap saat sehingga me- ^ang sedikit banyak terjadi pendauran substrat (sia-sia). a * l ini memungkinkan peningkatan cepat laju glikolisis Vang diperlukan untuk kontraksi otot. Saat istirahat, ke- Cepatan aktivitas fosfofruktokinase sekitar sepuluh kali lipat ^‘bih tinggi dibandingkan fruktosa 1 ,6 -bisfosfatase; dalam ,l|uisipasi terhadap kontraksi otot, aktivitas kedua enzim itie- n'ngkat, yaitu aktivitas fruktosa 1 ,6 bisfosfatase sepuluh kali ^'Pat daripada fosfofruktokinase sehingga laju glikolisis netto Sn«V)a. Pada awal kontraksi otot, aktivitas fosfofruktokinase Meningkat dan aktivitas fruktosa 1 ,6 -bisfosfatase menurun sc hi ngga laju netto glikolisis (dan dengan demikian, pem- ^entukan ATP) meningkat sekitar seribu kali lipat.
Glikogun Glukos.i
2 ADP <-> ATP + 5'AMP Oleh karena itu, ketika ATP digunakan dalam proses-pro- ses yang membutuhkan energi hingga terbentuknya ADP, [AMP] meningkat. Penurunan [ATP] yang relatif kecil me nyebabkan peningkatan [AMP] beberapa kali lipat sehingga [AMP] berlaku sebagai AMPLIFIER metabolik perubahan kecil [ATP]. Oleh karena itu, [AMP] merupakan penanda yang sensitif untuk status energi sel. Dengan demikian, aktivitas fosfofruktokinase -1 diatur sebagai respons terhadap status energi sel untuk mengontrol jumlah karbohidrat yang men jalani glikolisis sebelum zat ini masuk ke dalam siklus asam sitrat. Secara bersamaan, AMP mengaktifkan fosforilase dan meningkatkan glikogenolisis. Konsekuensi dari inhibisi fos- fofruktokinase -1 adalah penumpukan glukosa 6 -fosfat yang pada gilirannya menghambat penyerapan lebih lanjut glukosa di jaringan ekstrahepatik dengan menghambat heksokinase.
KONSENTRASI GLUKOSA DARAH DIATUR DALAM
Aktivator alosterik positif yang paling poten untuk fosfofruktokinase-1 dan inhibitor fruktosa 1 ,6 -bisfosfatase di Hati adalah FRUKTOSA 2 ,6-BISFOSFAT. Zat ini menghilangkan inhibisi terhadap fosfofruktokinase-1 oleh ATP dan meningkatkan afinitas enzim tersebut terhadap fruktosa 6 -fosfat. Fruktosa 2 ,6 -bisfosfat menghambat fruktosa 1 ,6 - bisfosfatase dengan meningkatkan KM untuk fruktosa 1 ,6 - bisfosfat. Konsentrasinya berada di bawah kontrol substrat (alosterik) dan hormon (modifikasi kovalen) (Gambar 203). Fruktosa 2 ,6 -bisfosfat dibentuk melalui fosforilasi fruk tosa oleh FOSFOFRUKTOKINASE-2. Protein enzim yang sama juga berperan dalam penguraiannya karena enzim ini m e m i l i k i aktivitas FRUKTOSA , -BISFOSFATASE. ENZIM BI- FUNGSIONAL ini berada di bawah kontrol alosterik fruktosa 6 -fosfat yang merangsang kinase dan menghambat fosfatase. Oleh karena itu, jika pasokan glukosa berlebihan, konsen trasi fruktosa 2 ,6 -bisfosfat meningkat, merangsang glikolisis dengan mengaktifkan fosfofruktokinase-1 dan menghambat fruktosa 1 ,6 -bisfosfatase. Dalam keadaan puasa, glukagon merangsang pembentukan cAMP, mengaktifkan protein kinase dependen-cAMP yang pada gilirannya mengmaktifkan fosfofruktokinase-2 dan mengaktifkan fruktosa 2 ,6 -bistos- fatase melalui fosforilasi. Oleh karena itu, terja i s Iasi glukoneogenesis oleh penurunan konsentrasi ru tosa 2 ,6 -bisfosfat yang menginaktifkan FOSFOFRUKTO inase an menghilangkan inhibisi terhadap fruktosa 1 ,6 - is os atase. 6 -fosfat
26
glukosa darah berasal barb makanan, glukoneogenesis, & GLIKOGENOLISIS Karbohidrat dalam makanan yang dapat dicerna akan menghasilkan glukosa, galaktosa, dan fruktosa yang kemudian diangkut ke hati melalui vena porta hepatika. Galaktosa dan fruktosa cepat diubah menjadi glukosa di hati (Bab 2 G
KISARAN YANG SEMPIT
Fruktosa 2,6-Bisfosfat Berperan Unik dalam Mengatur Glikolisis & Gflukoroeogenesis di Hati
beradaptasi, kadar yang dapat ditoleransi menjadi jauh lebih rendah. Kadar glukosa darah pada unggas secara bermakna lebih tinggi (14,0 mmol/L) dan pada pemamah biak jauh lebih rendah (sekitar 2,2 mmol/L pada domba dan 3,3 mmol/L pada hewan ternak).. Kadar yang lebih rendah ini tampaknya berkaitan dengan kenyataan bahwa hewan pemamah biak meragikan hampir semua karbohidrat dari makanan nya menjadi asam lemak rantai-pendek, dan asam- asam ini umumnya menggantikan glukosa sebagai bahan bakar metabolik utama di jaringan dalam keadaan kenyang.
lukosa terbentuk dari dua kelompok senyawa yang menialani glukoneogenesis (lihat Gambar 17-4 dan 20-1): 1) KELOMPOK yang terlibat dalam perubahan netto langsung ' di glukosa, termasuk sebagian besar asam amino dan mCn|?onat; dan (2 ) kelompok yang merupakan produk ^^bolisme glukosa di jaringan. Oleh karena itu, laktat mCW dibentuk melalui glikolisis di otot rangka dan eritrosit, yang kL1t ke hati dan ginjal tempat zat ini diubah kembali dia nf giukosa, yang kembali tersedia melalui sirkulasi F
Pada keadaan pascapenyerapan, kadar glukosa darah Pada kebanyakan mamalia dipertahankan antara 4,5-5,5 mniol/L. Setelah mengonsumsi karbohidrat, kadar tersebut dapat meningkat menjadi 6 ,5-7,2 mmol/L, dan pada kelaparan, kadarnya dapat turun menjadi 3,3—3,9 mmol/L. Penurunan mendadak glukosa darah (mis. sebagai respons terhadap overdosis insulin) menyebabkan kejang karena ketergantungan otak pada pasokan glukosa. Namun, jika hipoglikemia terjadi perlahan sehingga pasien dapat
Piruvat
ti
oleh fmir. Kon,ro1 S'ikolisis dan glukoneogenesis di haf Pase f°S? 2 6 bisf osfat dan cn/im bifungsion.il PFK-2/F-2.6 fosfofmu ?? ru^*°p ' ' 2_kinase//ruklos«i 2 ,r>-|>jsfosl«itasc). (PFK-t j 6-bi f ‘ aso'1 l6fosfofrukto-l-kinl
Modifikasi Kovalen oleh Fosforilasi Reversibel Berlangsung Cepat
dan EPINEFRIN merupakan hormon yang berperan menurunkan kadar glukosa darah, menghambat glikolisis, dan PerJUS Su^sfrat (Sia-sia) Memungkinkan Cepat**0™*1 merangsang glukoneogenesis diGlukosa hati 6-fosfat dengan meningkatkan Glikogen Secara Halus & konsentrasi cAMP. Hal ini pada gilirannya mengaktifkan protein Respons yang kinase dependen-cAMP sehingga terjadi fosforilasi dan inaktivasi Laktat Piruvat -<■ J't'k-titik kontrol dalam glikolisis dan metabolisme gliko- PIRUVAT KINASE. Keduanya juga memengaruhi konsentrasi fruktosa 2 ,6 melibatkan suatu siklus fosforilasi dan defosforilasi dikatalisis bisfosfat sehingga memengaruhi glikolisis dan glukoneogenesis, oleh glukokinase dan glukosa 6-fosfatase; s o ruktokinase-I dan seperti dijelaskan kemudian. fruktosa 1,6-bisfosfatase; piruvat mase, piruvat karboksilase, dan fosfoenolpiruvat karbok a inase; serta glikogen sintase dan Modifikasi Alosterik Bersifat Instan fosforilase. Seharusnyj baHwa enzim'enzim yang saling bertentanga„ Alanin vanp , kansccJcmikian rupa sehingga jika enzim-enzim yanp Pada glukoneogenesis, piruvat karboksilase yang mengatalisis sintesis oksaloasetat dari piruvat memerlukan asetil-KoA sebagai da,3m S,iko,isis sedang aktiF, enzim-enzim AKTIVATOR ALOSTERIK. Penambahan asetil-KoA menyebabkan perubahan file,, mS'ukoncogcncsis akan menjadi inaktif. struktur tersier protein, dan menurunkan K untuk bikarbonat. Hal ini a demikian tidak terjadi akan terjadi pendauran antara berarti bahwa GLUKAGON
m
G A M B A Rdari 2 0 -piruvat, 4 . Siklusasetil-KoA asam laktat (Cori) siklus glukosa-alanin. sewaktu terbentuk secaradanotomatis
DARAH menjamin penyediaan oksaloasetat. Oleh kai' oksidasi selanjutnya terjadi dalam siklus asam sitrat dei mengaktifkan piruvat karboksilase. Glukosa Pengaktifan -ngan karboksilase dan inhibisi timbal-balik piruvat d l ' t . ^IUlVat oleh asetil-KoA yang berasal dari oksidasi menjelaskan efek oksidasi asam lemak dal * * emak glukoneogenesis dan tidak menyebabkan oksidTr!!- 85 3 " 8 HUBUNGAN timbal-balik antara kedua Vat enyim • ■ ' nasib metabolik piruvat sewaktu teriadi jaringan dari oksidasi -► Piruval Laktat karbohidrat (gli ^jad! 1,cn glukoneogenesis saat transisi dari Uj, . )aai keadaan puasa (lihat Gambar 20 N. p" asam lemak dalam mendorong
DARAH
Fosfofruktokinase (fosfofruktokinase-1 ) posisi kunci dalam mengatur glikolisis d • menemPati subjek dari kontrol Alanin Piruvat umpan-balik. Enzim' ;'U§a ,"leniacli oleh sitrat dan oleh konsentrasi normal ATP Alanin diaktifkan oleh 5’AMP. 5’AMP berfi.n, • . "urascI serca status energi sel. Keberadaan adenilil sM^di BAT
v nrho insulin clan glukagonrnbcl 20-3. Respons jaringan 1cm i. -
Jkosa yang utama.
---------*T^ringan Adiposo
; Hati _..... -- -
asarn ,em Sin,esis aSOm
fasilitatif
Ditingkatkan oleh insulin• Sintesis glik°9en ; I Sintesis protein.....................................
, AMP (lihatTabel 20-1). Baik glikogenolisis cAJ BERPERAN MENIMBULKAN maupun gl“J^^,uka yang kerjanya bertent^ngan cfekh.pcrgl.kem.k g g glukagon endogen PEMBENTUKAN
, u Hormon ini J to'llkan
‘Atrium
SENTRAL DALAM MENGATUR GLUKOSA ara *sebagai respon oleh sel P pulau Ungerhans d. UNGERHANS bers^
:Serapan
k0n
terhadap hiperglikemia. Scl-sc P p e n g a n g k u t ^ pcrmeabel bcbas terhadap gluko. * glukokinasedan glukosa mengalami fos on as menmg at ‘ itu, peningkatan glukosa * sitrat dan
glukosa
^ntrQ
si
HATI
grJSS 20-3)-
• _:n vang Memengaruhi Hormon Lain ya^a Glukosa Darah
metabolik melalui gr.Uol.s.s, s.W ^ kanal
kare is, SIKLUS asa ; kanal na““•an metabolik MEIAIUI &■— rA-rpi MENGNAN» alira , Pembentukan ATP. depolarisasi K yang peka-ATP, menyebab * . kanal C.
-
U
r insulin dalam darah setara c c
^
an
mobilisasi asam
2(
, er:a
^‘esi ,nsulin pada aia^‘~ , . „frindan 0bat'””“ n sekresi insulin pada diabetes m ^ 0bat'obat‘ ' dan TABETES 'abetes melitus nondependen m ka,ATP-Ep,n,- cepat le MELITUS NONDEPENDEN PIN ^ ATR EInsul ngan menghambat kanal K1Myang P ^
*56 “s»c;r
l0rc
s*,
pinefrin menghambat pe ^1 ^ denga11 lTiel jan otot urunkan kadar glukosa
men
glukosa ke dalam )
a
KOSA
n
adip°s* /•> jari Pemindahan
(GLU ^
L
CN
w
GAN MEREKRUT
_ ^ P ,EHHATI,
PENGANGKUT
dalam sel ke membr P pa„ ake
'
dalam
s
langsung memengaru iP
Ila
mentngkatk
°cara mUn a kibat
insulin meningkatkan 1
ja
ng
pan )0"8 dalika" > insulin
era
g f^ng ^ dan
yang n
s, glikogenesis, dan b el 20-1).
at)
?,u^agon Bekerja Berlo^an ^Qan Efek Insulin DIHAS'1K
S^a
G ukos
'
a aa.
aktivitas heksokin^- > >rall glukosa seringkali Pa ^ 'n.Un,uk g|ukosa pad'1 ^kinase adalah 10
rfek im
l kosa. Glukokortikoid (1 1 -
P u
menghambat pem^-an dan juga
^ u„tuk
tipe
pertumbuhan d.rangsang okh^P menurunkan P'^" Uarena hormon ini merangsang dapat bersifat ndak-bngsujas ^ ^
l aran i
gliburid. Obat-obat mi &
Sekresi hormon hipogUkemia; hormon mi
6
ge u
<°n, glukagon, SEKRETIN, dan <->
Kdenjar
Hormon-hormon (kortikotropin),
ti adalah hormon dan mungkm hormo
t-h- Zat-zat lain yang ^ri pankreas adalah asam amino, ‘ ,fonilurea tolb • c
hormon-
darah sehingga melawa
Vang meningkatkan infuks Ca- n^ ^ karena^ ^Itase, dan MERANGSANG eksositosi konsentrasi g kada
menvekresikan
^P^^.^^^Vingkltkan kadar glukosa hormon yang ccn*-™ B
oksisteroid) disekre tanpa diregulasi. Hormon disintesis di j a r m g a n P koneogenesis melalui ini bekerja denganb«'^n ^ino di hati akibat peningkatan katabolis ^ misalnya fnduksi pada ^m kunci pada triptofan dioksig glukokortikoid menghambat glukoneogen«'kosa & ekstrahepatiW. Dalam semua pemakaia gbeker^a secara antagomstik terhadap
' ulinlejumlah SITOKIN yang disekresikan oleh makrofag ‘ melnfiltrasi jaringan adiposa juga metmhkt efek yaniLan kerja insulin; bersama dengan glukokort.ko.d yang melawan ) . ,• u,,i ;n; menielaskan disekresikan oleh jarmgan adtposa. Ha m m l mengapa resistensi insulin sering dijumpai p obesitas. Euinefrin disekresikan oleh medula adrena a
i h sel a
0 e
.
LIKEMIA-
^'ukagon adalah hormon ya"8 ■ g 0ieh h'P 8 dengan ?,Ulau pankreas. Sekresinya dir glilcogen° epinefrin, ‘ hat'i, glukagon 'nerangSTidak sepe" 1 glukagon ^"eaktifkan t0 fosforilaseforilase ° $ amino >gon tidak berefek P^^is d»” ^ melalu. ^ meningkatkan beU ’ la ^ >«at. Pada semua efek in'. 8
tangsanganyangmenimbulkanstresCrasat^ut, perdarahan, hipoksia, hipoglikem.a, dsb) glikogenolisis di hati dan otot karena sum melalui pembentukan cAMP. D. otot, ghkog
da
^sforUase lisis
BAB 20: GLUKONEOGENESIS & KONTROL GLUKOSA DARAH /
. Hati mengatur kadar glukosa darah setelah makan karena mengandung glukokinase dengan KM tinggi yang
Hormon yang biasanya dikeluarkan oleh kedua ini.
mendorong pemakaian glukosa oleh hati.
°ng,*aWabetes
1 83
Kebutuhan Energi pad a Glukoneogenesis Menjelaskan Mengapa Diet Ren °
Karbohidrat Menyebabkan Penurunan ^rQt Badan karbohidrat yang sangat rendah dan ^"^^aingkan 20 g karbohidrat per hari atau kura ^ , 2 0 g/hari), Cn gan asupan yang dianjurkan sebcsar . BATAS, telah '•etapi dengan konsumsi lemak dan piotein njcan berat ,an j jurkan sebagai regimen efektif untu ' an dengan L mua nas| N, meskipun diet semacam mi K kesehatan. i hat tentang diet yang bijabana . kone0 genesis arena kebutuhan akan glukosa terus a *’ a^an tcrjadi; ■ ,1B cukup bermakna dari ASAM-ASAM ■ rUS dipenuhi "kibatnya, kebutuhan ATP yang tmgg> ^ lc alui rl
. Insulin disekresikan sebagai respons langsung terhadap HIPERGLIKEMIA; hormon ini merangsang hat, untuk MENYIMPAN glukosasebagai glikogen dan mempermudah nenyerapan glukosa ke dalam jaringan ekstrahepatik. Clukaeon disekresikan sebagai respons terhadap hipo- ' plikemia dan mengaktifkan baik glikogenolisis maupun GLUKONEOGENESIS di hati, dan menyebabkan pembebasan glukosa ke dalam darah.
REFERENSI „
IT- Comments on metabolic needs for glucose and the role of gluconcogenesis. European journal of Clinical Nutrition
NRIL
1999:53 Sunpl 1 :S 107.
PI
A
oksidasi asam lemak.
.
Mooney RA: Hcpatocytcs: Critical for glucose
"homeostasis. International Journal of Biochemistry and Cell N
]Kc fottTaLge A]: Regulation of glucose production bv the liver. Annual Review of Nutrition 1999,19:379.
R,K|
NIL • SI CLAUSTH:
GKASAN
Glukoneogenesis adalah proses sinte ®t GLIKOGEN DARI PREKURSOR NONKARTCRSCDIA DALAM
ini gat penting
San
ketika karbohidrat ti* aS;im amino, J^kanan. Substrat yang penting » ,a’ gliserol, dan propionat. , mengguna a” a Ur glukoneogenesis di hati an ^itambah empat rcaksi-reaksi glikolisis yang revers'b ^ reaks.rc ^i tambahan untuk menghmd" . tidak-setimbang yang memi^ en a glikolisis dan GLUKONEOGEN ^ ak[,vltas ^"8 sama, tetapi bekerja berl a ked “anya harus diatur secara t,mbal^
HEPATIC GLUCONEOGENESIS/GLYCOLYSIS: REGULATION
and srcuctme/function relationships of substrate cycle enzymes. Annual Review of Nutrition. 1991;11:465.
• a Granner DK: Molecular physiology of the regulation of hepatic gluconecgenesis and glycolysis. Annual Review of p
’c^Shiow M^Magnuson*“A: Cell-specific roles of glucokinase in
glucose homeostasis. Recent Progress in Hormone Research
C u 2 t00 FC6 HuyP-s P, Heimberg H, Pipeleers DG: Glucose using in pancreatic beta-cells: A model for the study o other GLUCOSE-REGULATED cells in gut, pancreas, and hypothalamus. Diabetes 2001 ;50:1.
BAB 2 1 : JALUR PENTOSA FOSFAT * JALUR LA,N METABOLISME HEKSOSA / 187
II86/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME
.. .pimcr xilulosa 5di sekitar karbon 3 vans; mcnm-ntu Ribosa clUOsa. Glukosa 6-fosfat fosfat, yang juga merupakan suatu ’ ct° bulosa 5 -fosfat NADP’ + HjO 5-fosfat ketoisomerase mengu^a yajtu prekursor menjadi aldopentosa-nya,GLUKOSA ribosa 6-FOSFAT 5 °s \^tcsjs nUkleotida DEHIDROGENASE NADPHunit + H' untuk ribosa yang diperlukan untu ,mjnclahkan dan asam nukleat. Transketolase ' ^6-Fosfoglukonat suatu ketosa
Jalur Pentosa Fosfat & Jalur Lain Metabolisme Heksosa David A. Bender, PhD & Peter A. Mayes, PhD, DSc GLUKOSA-6FOSFAT
dua-karbon yang terdiri dari kaibon Qich sebab itu,
C.
i i i,,„ci AWrivitas ialur ini rendah di kelcnjar dalam keadaan *^ kcadaan lak[asi dan otot tangka. Glukosa 6-fosfat mamana ya"g tempat jalut ini aktif menggunakan NADPH Glukosa 6-fosfat Jarmgan-iarm P asam+ HjO lemak, NADP' sterotd, ^ NADP' + HjO d3lam
JAILOR (PENTOSA FOSFAT MENGHASILKAN NADPH & RIBOSA FOSFAT
Jalur pentosa fosfat (pirau heksosa monofosfat) adalah suatu jalur yang lebih rumit daripada glikolisis (Gambar 21 -1 ). Tiga molekul glukosa 6 -fosfat menghasilkan tiga molekul CO, dan tiga gula lima-karbon. Zat-zat ini disusun kembali untuk menghasilkan dua molekul glukosa 6 -fosfat dan satu molekul zat antara glikolitik, yaitu gliseraldehida
Hidrolisis 6 -fosfoglukonolakton d.lakukai
lii*
dikata
elukonolaktnn UiArnAase. Tahap oksidatil glukonolakton hidrolase/lahap OLEH 6-fosfoglukonat dehidrogenase yang )UNADP- sebagai penerima hidrogen dekarboksilasi disertai pembentukan <.etc: i 5-fosfat.
ni hati, jalur ASAM URONAT mengatalisis perubahan glukosa . j* gnn jalur glikolisis. lalur lengkap, asam alukuronat, asam askorbat (kecuah p> • manusia dan spesies lain yang askorbatnya adalah vltan’‘^ dan pentosa (Gambar 21-4). Jalur ini jug,i rnerupa aM^ P^ oUsidatifalternat,funtuk glukosa yang seperti ) J fosfat, tidak menyebabkan pembentukan A* . fosfat mengalami isomerisasi menjadi glllK 1
JALUR PENTOSA FOSFAT
Ai
/•V
GLUTATIO N REDUKTA SE
s°V I
------------ - - - GLUTATION PEROKSIDASE
1 88/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
NADPH + H-
■G-S-S-G
2HO
Y\ T
CZP NAD*
URIDIM DIFOSFOGALAKTOSA 4-EPIMERASE
(
GLUKOSA 6-FOSFATASE
)
BAB 2 1: JAlUR PENTOSA FOSFAT & JALUR LAIN METABOLISME HEKSOSA / 191 BAB 21: JALUR PENTOSA FOSFAT & JALUR LAIN METABOLISME HEKSOSA / 1 89 -► Glikogon GLIKOGEN SINTASE
Galaktosa ATP
NADP-
-C-OH
p
AD 2G-SH-
J Glukosa
UDP-Glukuronat adalah sumber glukuronat untuk
reaksi-reaksi yang melibatkan penggabungannya dengan proteoglikan atau untuk reaksi substrat, misalnya hormon steroid, bilirubin, dan sejumlah obat yang diekskresikan di urine atau empedu sebagai konjugat glukuronida (Gambar 31-13). Glukuronat direduksi menjadi L-gulonat, yaitu prekursor langsung a s k o r b a t pada hewan yang mampu menyintesis vitamin ini dalam suatu reaksi dependen-NADPH. Pada manusia dan primata lain, serta marmut, kelelawar, dan beberapa burung dan ikan, asam askorbat tidak dapat disintesis karena tidak adanya L-gulonolakton oksidase. L-Gulonat teroksidasi menjadi 3-keto-L-gulonat, yang kemudian mengalami dekarboksilasi menjadi L-xilulosa. LXilulosa diubah menjadi isomer D oleh reduksi dependenNADPH menjadi xilitol, diikuti oleh oksidasi dalam suatu reaksi dependen-NAD menjadi D-xilulosa. Setelah diubah menjadi D-xilulosa 5-fosfat, zat ini dimetabolisme melalui jalur pentosa fosfat.
ASUPAN FRUKTOSA DALAM JUMLAH BESAR MENIMBULKAN DAMPAK METABOLOK YANG BESAR Diet yang tinggi sukrosa atau sirup yang kaya-fruktosa ( HIGHFRUCTOSE SYRUP, HFS) yang digunakan dalam pembuatan makanan dan minuman menyebabkan masuknya sejumlah besar fruktosa (dan glukosa) ke dalam vena porta hepatika. Di hati, fruktosa mengalami glikolisis YANG lebih cepat daripada glukosa karena zat ini memintas (BYPASS) tahap regulatorik yang dikatalisis oleh fosfofruktokinase (Gambar 21-5). Hal ini memungkinkan fruktosa memenuhi jalur- jalur metabolik di hati. sehingga terjadi peningkatan sintesis
~C-OH H — C O Galaktosa 1-fosfat ---------------■rcRHAMBAT PADA T %ALAKTOSEMIAHG*OL------UDPGlc
-o-Glukosa 6-fosfat
H-C-O-UDP N
l
H-C-O-UDP
UDPGlc DEHIDROGENASE
H-C-OH
I I H-C-OH I
H-C-OH HO-C-
HO-C-H
O PP
UTP
H-C ---------------CH.OH
CH.-O-®
^
UDPGlc PIROFOSFORILASE
H-C-OH
H
G A M B A R 2 1 - 3 . Peran jalur pentosa fosfat dalam reaksi glutation peroksidase di eritrosit. (Ci-S-S-Ci, glutalion teroksidasi; 1G-SH, glutation tereduksi; Se, enzim yang mengandung selenium). foslat
kemudian bereaksi dengan uridin trifosfat (UTP) untuk membentuk uridin difosfat glukosa (UDPGlc) dalam suatu reaksi yang dikatalisis oleh UDPGlc pirofosforilase, seperti terjadi pada sintesis glikogen (Bab 19). UDPGlc dioksidasi di karbon 6 oleh UDPGlc dehidrogenase dependen-NAD dalam suatu reaksi dua-tahap untuk menghasilkan UDPglukuronat.
H-*C-OH
2NAD-
H-C ---------------CH.OH
+ HO
2NADH + 2H-
H-ii-o*
O Uridin difosfat glukuronat
Uridin difosfat glukosa (UDPGlc)
Glukos a 1fosfat
O
H-C-OH
Glukuronida
HO
likan
TRANSF Glukosa 1-foslat
,• Vl-DU
asam lemak, esterifikasi asam lemak. dan sc vic.s ^liirnya yang dapat meningkatkan triasilgliserol scl 11 m ^an ‘Spesifik. meningkatkan kadar kolesterol l.Dl.. Suatu kinase ' yaitu fruktoldnasc, di hati, ginjal, dan usus. j fosforilasi fruktosa menjadi fruktosa 1 -foslat. ^ j,jnasc> tidak bekerja pada glukosa dan. tidak seperti g u j-c .^sujjn aktivitasnya tidak dipengaruhi oleh puasa atau o <- ^etes, yang dapat menjelaskan mengapa pada pengidap c fruktosa disingkirkan dari darah dengan kecepatan Fruktosa 1 -fosfat dipecah menjadi l)-glisctalde ^ dihidroksiaseton fosfat oleh aldolase B, suatu civ/* 1 ii
1*1'
1J c l S
terdapat di hati, yang juga berfungsi dalam giiko - dengan memecah fruktosa 1 ,6 -bisfosfat. 1 ^"^,^is.l’ranenjacjj memasuki proses glikolisis melalui fosfoiilasi 1 gliseraldehida 3-fosfat yang dikatalisis oleh triokinase ^ ^ ^ triosa fosfat, dihidroksiaseton fosfat dan gliseral e ^strat fosfat, dapat diuraikan oleh glikolisis atau menjac i bagi aldolase dan dengan demikian glukoneo0’ yang merupakan ‘nasib’ bagi kebanyakan fiuktos. dimetabolisme di hati. . f0 Sf0_ Di jaringan ekstrahepatik, heksokinase mengata |SK rilasi sebagian besar gula heksosa, termasuk 11 uktosa, tetaf ^ kosa menghambat fosforilasi fruktosa karena zat ini nierup ^ substrat yang lebih baik untuk heksokinase. Bagairnan^ sebagian fruktosa dapat dimetabolisme di jaringan a otot. Fruktosa ditemukan dalam cairan semen dan c i janin hewan berkuku dan ikan paus. Aldosa reduktase l ^_ kan di plasenta biri-biri betina dan berperan dalam se re ^ bitol ke dalam darah janin. Adanya sorbitol dehidrogei ^ ^ hati, termasuk hati janin, bertanggung jawab untuk perU ^ sorbitol menjadi fruktosa. Jalur ini juga berperan menye adanya fruktosa di cairan semen.
UDP
CHO HI*
SINTESIS
LAKTOSA, GLBKOLIPID, PROTEOGLIKAN, & GLIKOPROTEIN
Galaktosa berasal dari hidrolisis disakarida laktosa ^ susu) di usus. Senyawa ini mudah diubah menjadi g 11 hati. Galaktokinase mengatalisis fosforilasi galaktosa
CO
c=o
A-
H-C-OH
HO-C_H.
C-O-
NADH + H*
NAD'
HO-C-H
A.
H-
+
H-C-OH
I
H-C-OH
I I
HO-C-H H-C-OH
I
I
c-o.11 0 1
L-Gulonat
3-Keto-u-
O
H-C
*CH,OH
*CH OH
A
NADP'
NADPH
HO-C-H
I
L-Xilulosa
HO-C-H
H-C-OH
HO-C-H
i
CHOH
D-Glukuronat
X'
gulonat H,0 NADPH + H-
Oksalat
t
NADP’
la Glikolaldehida id
TERHAMBAT DI PRIMATA DAN MARMUT
v
o-Xilulosais1-fosfat a
t
n
I' c=o
NADH +
NAD1
H-
HO-C-H
I2H]
HO-C-H D-Xilulosa I H-C-OH
c1 o=c I o=c I
H-C-OH
CHOH
TERHAMBAT PADA MANUSIA
2-Keto-L-gulonolakton
‘CH.OH
*CH,OH H-C-OH
O,
t
TERHAMBAT PADA PENTOSURIA
CO,
L-Gulonolakton
Glikolat
Xilitol
GALAKTOSA DIBUTUHKAN UNTUK
II c-o1 HO-C-H I c=o I H-C-OH I
O II
1
H-C CH,OH
D-XILULOSA
REDUKTAS E
ATP
HO-C-H °ksa,at Diet
Mg
> ADP ^
A
o-Xilulosa 5-fosfat
Jalur pentosa fosfat
G A M B A R 2 1 - 4 . Ialur asam uronat. Cmenunjukkan nasib karbon 1 glukosa 1 , PO,- .)
*CH,OH L-
Dehidroaskorbat
° -i
192
' BAGIANbi°energetIka a. METABOUSME BAB 21 • JALUR PENTOSA FOSFAT & JALUR LAIN METABOLISME HEKSOSA / 193
KARBOHIDRAT & UPID f * GI'kogen-----------------
Seran dalam patogcnesis KATARAK DIABETES. JALUR SORB.TOL 'PoU°D (tidak terdapat di hati) berperan membentuk uktosa dari glukosa (lihat Gambar 21-5) dan akt.v.tasnya n en ' ‘ngkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi fuko» di jaringan-jaringan yang tidak peka-insul.n y.; Cnsa ’ saraf perifer, clan glomerulus ginjal. Glukosa ire u' s ncn )adi sorbitol oleh ALDOSA REDUKTASE, diikuti oleh oks.das m FOSFOGLUKOMUTASE "I'0' enjadi fruktosa dengan keberadaan NA ° rb l t o1 dehidrogenase (poliol dehidrogenase). Sorb, dak bcrdifusi menembus membran sel, tetap, menumpuk men " yebabkan kerusakan osmotik. Secara bersamaan a ar mioinositol turun. Pada hewan petcobaan akun ute o fk Glukosa 6-fostat ► Glukosa 0 b t o1 / ' dan deplesi mioinositol, serta katarak d, bea • iatdi«gah Oleh inhibitor aldosa reduktase, tetap' samF ,n > belum ada bukti bahwa inhibitor ,ni efek Cncc UDPGal gah katarak atauNAD* neuropati diabetes pada manusu .
^'ukosa 1 -fosfat 3
A I
TP ADP
A
Glukosa
Gl
Glukosami n
”tamin
G|
ukoSamin
ii
Asetil-KoA
UDPGal ATP
ADP
A/-Aselil- -f \ glukosamin
/
UDPGlukosamin*
^Aseli i.l 9 ^°sar nin
UDPGlc
Glukosa
A
URIDIN
MJ!5'6"5' ATP G,i
*
Fosfoe:no,piruva|
UDPGlc PIROFOSFORILASE
Glukosa
LAKTOS
A alakt am Ua Padndak?PP P n tubuh memetabolisme 6 °?. c{efek SINTASE
Pad. V“u,,PUan t1111 11 * 1 memetaDon»»‘w ° ,, Glukosa atau 4 -epimerase holl^aktosemia Cl a tQ yang mUngkin disebabkan^h ^amk ^ ^ kinase, uridil transferase, ata transferase Glukosa 1-fosfat
FOSFOGLUKOMUTASE
ADP
DIFOSFOGALAKTOSA 4-
EnzimEPIMERASE di Jalur Galaktosa Vebabkan Galaktosemia Laktosa
6-loslat ^•ah a*meskipun i defisiensi ur«dij^etahui. i,nci mcniadi laktosa kelenjar mamaria »rubahan (A) ^'kosaminogiika galaktosa menjadi glukosa di hati dan (B) glukos* rT1 n . hial nat). ^alaU JCn,s defisiensi yang paling any , ^taSe yang adalah 21-0. Jalur pc O'^oproioir, substrat bagi %Vei , , galaktitol, yang menumpuk t leb,h ur0
Gambar dalam masa mcnyusui.
Uronat * uridil transfer a nanusia adalah asam jV-aseti!neuraminat (NeuAc) R • Penyakitnya c disebabkanoleh oleh Defek . i-fosfotEnzim & Disebabkan "ngkasan e karena a aubunganmetabolik berbagai gulaamino . Sd ? terjadi penimbunan g ‘ ^j gagal Cn Obat Tertentu d bar21-7. ‘Pcrl‘^th di
Asa
m siaiat,
Sam
Qangljosida.'
n
gfikoprotoin’
'
G ik0Sar
'
ubu
ngan H ,
nin
dan TDP-Ay-
dan TDP-Ay-asetilglukosamin.
asetilp|..^,_
P
tberk
3m
a'tanden
fruktosa dalam jumlah besar secar-, ►•L pada pemberian i f . atau setelah mengonsumsi fruktosa j | ^^?
'akeh
'enaVutr
[ Sa
°
dan berkurangnya sintesis ATP. Akib ' kt 0sa i C^’ n u
,
oleh ATP berkurang ‘ hibj<.; . °s^t , “ug> dan nprwL S1 sinr^:
urat meningkat, gout; Bab 33).
yang
menyebabLrk-^^ntuL, PefUri semia
51
^
^
65 5
'
Usa
Defek pad® MetsibollSsme Frukt Metmyehabkaini PemyaikBt KURANGNYA fruktokinase hati menyebal, esensial, dan KETIADAAN aldolase B ya 5 an fruu icetiaaaan aiuuiaae d ya — rru]^s .isensial, .r ...idan ui.^n meca
I-FOSFAT MENYEBABKAN intoleransi fnT’
^ Menghambat
efek spek KLINIS alosterik Gangguan pada Jalur Pentosa * Menyebabkan Hemolisis Eritrosi° a
h fru?Ur'a U «tOsa
efavisiuw - at
V^ frukc T
„°su e
‘c red °s a
tin
picu oleh
egi t
al s
Varena fruktosa men ha
^>8 ^ peroksida S mbat FOSFO JCSdan > H O SEBAGAI eritrosit. Enzim ini mereduksi organik ^Uga menyebabkan p bagian dari pertahanan tubuh terhadap peroksidJ! lipid (Gambar 15-21). ada h $ HrPengukuran "^it transketolase eritrosit dan pengaktifannya oleh tiamin tau™. ‘ diab t,b mcnilai status nutrisi tiamin (Bab 44). difosfat digunakan untuk et6s (to Sa
ti S
Ali M Rc*los P-
Hi t0,' Sd^litUs dijum IN^ O nsa «uu, dan hal
Cox
™: Hereditary fructose intolerance. Journal of Medical
Genetics 1998;35:353. Bron AJ, Sparrow J, Brown NA, Harding JJ, Blakytny R: The lens in diabetes. Eye 1993;7:260. Dunlop M: Aldose reductase and the role of the polyol pathway in U
°"
rbatdehydrogenase
'
u
s
pentosa fosfat di 5 NADPH yang hanya 47 atdapat J* °dibuat teriu‘ melalui Cjalur NRI\&* t0sf
REFERENSI
PCrburu
" °- C%o Q genetik ( Defek pada glukosa 6-fosfet DPGIC.) Nukl^'t ™ glukosa menjadi glukuronat, L-tl| , D menyebabkan gangguan dalam pembentukan iSJAnn^' difo fat (TDP)-gl *< Aminopirin dan antipirin mening^0"^! i i van • 8 pada pasien dengan p e „ t o s u r i ^ c b k r e s l ^lulosa (G dijumpa,padaD. populasi yang berasa] dari \A j H'scringVSAN Jnl * 1 dapat me SatU ^C^ rendah, fruktos a * bermanifesrasi , erane J a dan Afro-Karibia. Kelainan ini a F d slt 1 X> °sfat yang terdapat » ^° ^engh^ ' KN..7BKAN 831he Penyaluran Fruktosa dalam sel darah merah (anemia liemolitik) jik‘ molisis NL-CWL—: :*RN* %TP. Jumlah Besar ke Hati Dapaf terpajan oleh oksidan, seperti antimalari 3 °ran8 ^ rentan - D ^VaU • api „ rruKto^*’ . 0I- P atau sulfonamid, atauenyjika mereka ^pirin, ad ’lll, L.Xit S inrTen kedua P '' msifa (Viciafava)dalamjumlah besar (l„ c>«g fova ref E S I 6 ^°8liL at deR°.l:ransi fruktosa ^ ' S(O FY ' -C 0ksidasi sem urna IA NDi A^hari, P hasilkan fruktosa menini>knrLSLO YIN ......................................*-=: FRUKTOSA 1,^// sis H dan CO, tanpa menghas* m,d,n
Jalur ini memiliki fase oksidatif yang bersifat ireversibel dan menghasilkan NADPH, serta fase nonoksidatif, yang reversibel dan menghasilkan prekursor ribosa untuk sintesis nukleotida. Jalur lengkap hanya terdapat di jaringan yang membutuhkan NADPH untuk melakukan sintesis reduktif, mis. lipogenesis atau steroidogenesis, sementara fase nonoksidatif terdapat di semua sel yang memerlukan ribosa. • Pada eritrosit, jalur ini memiliki fungsi utama untuk mencegah hemolisis dengan menghasilkan NADPH untuk mempertahankan glutation dalam keadaan tereduksi sebagai substrat untuk glutation peroksidase. . Jalur asam uronat adalah sumber asam glukuronat untuk konjugasi banyak endogen dan eksogen sebelum diekskresikan sebagai glukuronida di urin dan empedu. Fruktosa memintas tahap regulatorik utama pada glikolisis, yang dikatalisis oleh fosfofruktokinase, dan m e r a n g s a n g sintesis asam lemak dan sekresi triasilgliserol oleh hati. Galaktosa disintesis dari glukosa di jaringan mamaria dalam keadaan menyusui dan jaringan lain yang memerlukan galaktosa untuk sintesis glikolipid, proteoglikan, dan glikoprotein.
f -fat anorganik di hati. uridil Pada suatu penyakit herediter yang j diabetic nephropathy. Kidney International 2000;77:S3. tos H*n kan keadaan mental. Pa a memadai Horecker BL: The pentose phosphate pathway. Journal of Biological C> c lrner P aseTibat terdapat dalam J1 niembentuk I PQal f95'6" Chemistry 2002;277:47965. galaktosemia masih dap untuk mereduks, L-xdulosa menjadi xiH a anak ““ Ma es PA- Intermediary metabolism of fructose. American Journal * |as masuknya ■ buhi uronat Contohnya, ,ri g'ukosa. Hal laju ini metije » glukosa L-n l I. tum k">8 an , meningkatkan of Clinical Nutrition 1993;58:754. reta dapat 3 Sgn,ainan inipemberian P ,Tdieibebasgal * 05kepada barbital ^ U ’ u “"I tikus menyebabkan peninnkam k U Mehta A, Mason PJ, Vulliamy TI: Glucose 6-phosphate butano1 k Versi dehid lr5
U
- ^ TIT YANG TERJADI n u ntrav< c a menyebabkansekuestrasifosfatanorga
.
A/VA/v
a
n
vana r^riadi n ada
PURIN DE NOVO
^
,V AAA
Gambar 21-7 Ringkasan berbagai h. k purm atau pirimidin lain da™ u
pada Jalur Asam C; ,abkai1Gangguan katarak. Keadaan umum p*?
•
it*'
ADl)
deficiency. Balliere’s Clinical Haematology
2000;13:21. OMIM, On-line Mendelian Inheritance in Man, a reference work for all genetic diseases. Diakses di http://wvvw.ncbi.nlm.nih. gov/entrez/query.fcgi?db=OMIM Van den Berghe G: Inborn errors of fructose metabolism. Annual
sekresi VLDL sehingga terinH' f Slntcs‘s tr‘asilgliseroI dan peningkatan kolesterol LDl ( '^eitI‘a's^§l'ser°lemia dan menyebabkan aterosklerosis (B dt '1|X“ dlanggap berpotensi 'V ^elain itu, pemberian
of Nutrition 1994; 14:41.
Review
AMP
OKSIDASI
* PP
K
^o
GENESIS
,n Cn
jadi1,1 asecjIkr , Ul Cn
VDP . ATp
LUA
MITOKof
'» lemak sehingga pada
kci«_
tidak
pcrnah benar-benar dck Ichih larut
Karnitjn
air dan tcrtlzif lisasi atau sebagai
Asilkarnitin
anion asan
iktifkan Sebelum
f ka FfiLMJT O/LsFef -
F?
NRNN nula harus diubah mcnjacli lum dapat dikatabolisme. Re** tahap dalam penguraian scitj /ang memerlukan energi
7 RAN
KAJJINAS,L -RA^NITINAN S
LOKASE
MIT
O^DRI/X
°/\u?An
2ASE
dari P dan koenzim A, enzim asilmengatalisis perubahan asam h has)
Asilkamitj
menjadi “asam lemak aktif igunakan satu
n AMP dan PP (Gambar 22-1)- fosfatase fosfat berenergi-[l
n
Asilkarnitin
°ksidasi-p
anorganik disertai hiking & lainnya yang memastikan b& gsung hingga selesai. AsilKoA sintel him qndoplasma, pcroksisom, ser& embran luar mitokondria.
antai-Panjang Menembus
'Hi Mitokondria Sebagai in
^sfef^ ^ A^l~h '■> n k#rt\
Pengeluaran
Gambar 22sin
fihI oksid.
KOA
jadi
196/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID BAB 22: OKSIDASI ASAM LEMAK: KETOGENESIS / 197 rt
pksidcisi Asnr> i
£ " Karbon cl*™?**
9an Jumlah °A Plus Sebu„ knA ^en9hasilkan Asetilfor
Asam lemak ATP
ui
jalur
mc,a,
»mpai
R- CH2-*CH2-C'VS-KoA
SlWus
yang
karbon
ganjil
dioksidasi
menghasilkan
asetil-KoA
asam sitnr’ 'n“)ad' suksinit-KoA, suatu konstituen
°- ' ^cn, itu. residu satu nya bagian J , * ™ . Icmak rantai-gan jil adalah satulemak yang bersifat glukogenik. (luar)
SisiC ' KARN mN_
bar 2
2) K
Ban
yalc ATpam 1-erriak Menghasilkan
^emindahan elckrr ■
"spiratorik "“"t" FADH; dan NADI -I di rantai "'ncrgi-tingp,- all ,J* terbentuknya empat fosfi,,
1
an
, . P fujuli molckul asetil= 28). Total ter'bCfruk semUt °k'i
R-3 CH2 -2 CH2-<^s_KoA ASIL-KOA FAD
U ntUk SC[ia
FA
h ,]
Rantai H2° respiratorik
O
r-jch2=?ch2_c,v S- KoA
* bersih pcr moj P g^tifan awal asam lemak sehingga 106 *5l>6*=5470kl ATP, atau 106 Pcnibakaran
NADH+H* H.O O ------------ Rantai respiratorik C'X, s— KoA 3-KetoasilKoA KOA-SH I TIOLASE
O II •R—C^VSKoA^J
dk
^
Di peroksisom ditemukan suatu bentuk modifd ^ (dari
NAD*
t. ^ Jjuraik*an
tahap dehidrogenase terkait-flavoprotein) yant, oleh katalase. Jadi, dehidrogenasi di pero csls°^kentukan terkait secara langsung dengan fosforilasi c an pei rancai ATP. Sistem ini memfasilitasi oksidasi asam -ini ini / • l ^ r
C ) Enzim-en
yang sangat panjang (misalnya <-,„> spesies diinduksi oleh diet tinggi-lemak dan pada e cu oleh obat hipolipidemik seperti klofibrat. asam Enzim-enzim pada peroksisom tidak di lemak rantai pendek; sekuensi oksidasi-p si lebih oktanoil-KoA. Gugus oktanoil dan aseti .^^ksisom lanjut di mitokondria. Peran lain oksi asi | P jalam adalah memperpendek rantai samping o est G A M B A R 2 2 - 3 . Oksidasi-P asam lemak. Asil-KoA ran 1 ^' ^5011 oi» didaur melalui reaksi 2-5, dengan asetil-KoA yang dipeca injan„ siklus oleh tiolase (reaksi 5). Jika radikal asil memiliki P^en(uj. hanya empat atom karbon, dua molekul asetil-KoA akan te pada reaksi 5.
2 CO, /AG untuk reaksi ATP, seperti dijelaskan di Bab I 8.
//
CIS CIS
C r\-i S KoA
Linoleil-KoA
Est • Cr -cster KoA dari asam-asam ini diuraikan oleh enzim- Cll/irn yang biasanya berperan dalam oksidasi-P sampai ^erbcntuk senyawa A'-tvV-asil-KoA atau A'-m-asil-KoA, ergantung pada posisi ikatan rangkap (Gambar 22-4). enyawa A'-m-asil-KoA mengalami isomerisasi (A3 CIS —> ~^<7?w-enoil-KoA isomerase) kc tahap A2-TRATIS-K.OA pada ^ -Sldasi-B untuk menjalani hidrasi dan oksidasi selanjutnya. cc, ap A'-r/V-asil-KoA yang tersisa, seperti dalam kasus asam linoleat, atau yang masuk kc jalur di titik ini setelah diubah oleh asilKoA dehidrogenase menjadi A2-trans-A c/5-dienoil-KoA, kemudian akan dimetabolisme seperti yang ditl>njukkan di Gambar 22-4.
KETOGENESIS TERJADI JIKA LAJU OKSIDASI ASAM LEMAK DI HATI TINGGI
umul V ,0 mo1 = 80 Dua ATP
en
5?KSIDASI ASAM LEMAK TAK-JENUH ifBRjAD| MELALUI MODIFIKASI JALUR°KSIDASI-|J 3
Siklus oksidasi-p
3 Asetil-KoA
cis cis 0
A5-c/s-A9-c/s-Dienoil-KoA A’-c
IS
(alau
TRANS) ISOMERASE
//
1
misalnya asam linoleat. Asam lemak A -cis atau asam lemak yang membentuk A'-c/s-enoil-KoA masuk ke jalur di posisi-posisi yang diperlihatkan. NADPH untuk tahap dienoil- KoA reduktase dipasok oleh sumber intramitokondria misalnya glutamat dehidrogenase, isositrat dehidrogenase, dan NAD(P)H transhidrogenase.
ASIL-KoA DEHIDROGENAS E
digunakan
karena
3-
darah yang bukan merupakan badan keton, misalnya piruvat, fruktosa.
hidroksibutirat bukanlah suatu keton rlan terdapat keton di dalam
Asetil-KoA
^ Cr\J S — KoA
A
tidak
O
Siklus oksidasi-p
Gambar 22-4. Rangkaian reaksi dalam oksidasi asam lemak tak- jenuh,
seyogianya
Cr\-i S — KoA
(tahap A-’-/rans-Enoil-KoA pada oksidasi-p)
AA/Vky>
"keton-keton"
-*A3-frans-ENOIL-KoA
AJ-frans-A°-c/s-Dienoil-KoA
Dalam kondisi metabolik dengan laju oksidasi asam lemak yang tinggi, hati menghasilkan banyak ASETOASETAT dan D(-)- 3HIDROKSIBUTIRAT (P-hidroksibutirat). Asetoasetat secara terus menerus mengalami dekarboksilasi spontan untuk menghasilkan sc ASETON. Ketiga zat ini secara kolektif dikenal bagai BADAN KETON (juga disebut badan aseton atau (secara tidak tepat*] “ketonketon”) (Gambar 22-5). Asetoasetat dan 3-hidroksibutirat dapat saling terkonversi oleh enzim mitokondria, yakni D(-)-3HIDROKSIBUTIRAT DEHIDROGENASE; keseimbangan dikendalikan oleh rasio [NAD*]/[NADH] mitokondria, yi. STATUS REDOLTS. Konsentrasi badan keton total dalam darah pada mamalia cukup gizi secara normal tidak melebihi 0,2 mmol/L, kecuali pada pemamah biak yang membentuk 3 -hidroksibutirat secara terus menerus dari asam butirat (suatu produk fermentasi pada pemamah biak) di dinding perut pertamanya (rumen). IN VIVO, hati tampaknya adalah satu-satunya organ pada hewan nonpemamah biak yang menambahkan badan keton dalam jumlah bermakna
a dalam sintesis eliserolipid eter (Bab 24), kolesterol, dan ° °l (Gambar 26-2).
K
R-3 ch2 -2 ch2 _c-ct KoA—SH
den
lik
Siklus oksidasi-p
Aset ilKoA
198/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
BAB 22: OKSIDASI ASAM LEMAK: KETOGENESIS / 199
3-Hidroksi-3-Metilglutaril-KoA (H
Adalah Zat Antara pada Jalur e
CH.-C-CH,
FFA
ne5*lS
e
AT P Ko
nbfntU .
D(-)-3-Hidroksibutirat
G A M B A R 2 2 - 5 . Hubungan timbal-balik berbagai benda keton. hidroksibutirat dehidrogenase adalah enzim mitokondria.
- l^oA)
D(-)-
3-
ke dalam darah. Jaringan di luar hati menggunakan badan keton ini sebagai substrat respirasi. Aliran netto badan keton dari hati ke jaringan ekstrahepatik terjadi karena sintesis aktif oleh hati dan tingkat pemakaian yang rendah. Situasi sebaliknya terjadi di jaringan ekstrahepatik (Gambar 22-6).
Enzim-enzim yang bertanggung jawab dalam \ badan keton terutama berkaitan dengan ^ 0 Usidas* Dua molckul asetil-KoA yang terbentuk da ^ hiU,i pemP menyatu dan membentuk asetoasctil- o. ^ nleri|Pa^an sun balikan reaksi tiolase. Asetoasetil-KoA, \an£ ^ l ang. ? bahan awal s LU untuk ketogcncsis, !‘ ' ..ini le*11^ dibentuk dari empat karbon terming ^ •'^ oI1Jensasi selama terjadinya oksidasi-p (Gambai ~~ • ^ 0leb 3asetoasetil-KoA dengan molekul lain a.scti ^entiik 3hidroksi-3-metilglutaril-KoA sintase m<- ^ ^jjroksihidroksi-3-metilglutaril-KoA (HMG- o ^ t^bkan 3-METILGLUTARIL-KOA LIASE kcnuu ian 1 iicnyisakan asetil-KoA terlepas dari HMG-KoA, >>inr^ (crlepaS asetoasetat bcbas. Atom-atom karbon >an£ ^_ctjl.-KoA molckul asetil-KoA berasal dari moleku a s c h a r u s awal. Agar TERJADI KETOGCNCSIS, KEDUA EN jj HATI TERDAPAT DI MITOKONDRIA. Hal ini bans a c. i)i p-(")'3- dan cpitel pemamah biak. Pada keadaan ^tc KETON Hidroksibutirat secara kuantitatif mcrupacan utama yang terdapat dalam darah dan nunc.
ASIl-KoA SINTETAS E
Triasilgliser ol Fosfolipid
Esterifikasi
Asil-KoA
X
(Asetil-KoA),
O II
oksidasi-p
O II
CH —C —CH —C r\jS KoA HMG-KoA SINTASE
Asetoasetil-KoA KoA — SH
OH
HO *CH, —*C r\j S — KoA
II
CH —C—CH — C >~\jS — KoA .1 CH;—COO' KoA — SH 3-Hidroksi-3-metil-
glutaril-KoA (HMG-KoA)
Asetil-KoA HMG-KoA LIASE
CH — CO rv_/ S — KoA
Asetil-KoA
CH — C .1 CH—COO"
Badan Keton Berfungsi Sebagai Bakar bagi Jaringan EkstrahepaNK Sementara mekanisme enzimatik aktil asetoasetat dari asetoasetil-KoA di hati, asetoase
O
I
TIOLASE
Asetoasetat
NADH + H‘
D(-).3H I D R O K S I B U T I R AT
. ahas'llkan ng telah
DEHIDROGENASE_
NAD' OH
CH
_CH-CH -COO" D(-)-3Hidroksibutirat
G A M B A R 2 2 - 7 . Jalur ketogcncsis di hati. (FFA, asam lemak bebas.)
terbentuk tidak dapat direaktivasi secara langsung kccuali di sitosol, tempat zat ini digunakan di jalur yang jauh kurang aktif sebagai prekursor dalam sintesis kolesterol. Inilah yang menyebabkan pembentukan netto badan keton oleh hati. Di jaringan ekstrahepatik, asetoasetat diaktifkan menjadi asetoasetil-KoA oleh suksinil-KoA-asetoasetat KoA transferase. KoA dipindahkan dari suksinil-KoA untuk mem bentuk asetoasetil-KoA (Gambar 22-8). Asetoasetil-KoA dipecah menjadi asetil-KoA oleh tiolase dan dioksidasi dalam siklus asam sitrat. Jika kadarnya dalam darah meningkat, oksidasi badan keton meningkat sampai, (pada konsentrasi sekitar 12 mmol/L) badan-badan keton ini menyebabkan perangkat oksidatif mengalami kejenuhan. Jika hal ini terjadi, sejumlah besar konsumsi oksigen diperlukan untuk mengoksidasi badan keton. Pada kebanyakan Icasus, ketonemia disebabkan oleh meningkatnya produksi badan keton oleh hati dan bukan karena defisiensi pemakaiannya oleh jaringan di luar hati. G A M B A R 2 2 - 6. Pembentukan, pemakaian, dan ekskresi badan keton. (Jalur utama ditunjukkan oleh tanda panah utuh.)
Sementara asetoasetat dan D(-)-3-hidroksibutirat mudah dioksidasi oleh jaringan ekstrahepatik, aseton sulit dioksidasi IN VIVO dan umumnya dikeluarkan dari paru. Pada ketonemia moderat, pengeluaran badan keton melalui urine hanya mencerminkan sebagian kecil produksi dan pemakaian badan keton total. Karpna terdapat efek miripambang ginjal (tidak terdapat ambang sejati) yang berbeda- beda antarspesies dan individu, pengukuran ketonemia dan bukan ketonuria merupakan metode yang dianjurkan untuk menilai derajat keparahan ketosis.
KETOGENESIS DIATUR DI TIGA TAHAP PENTING (1) Ketosis tidak terjadi IN VIVO, kecuali jika terjadi peningkatan kadar asam lemak bebas dalam darah yang berasal dari lipolisis triasilgliserol di jaringan adiposa. Asam lemak bcbas adalah prekursor badan keton di hati. Hati,
200/ BAGIAN
BAB 22: OKSIDASI ASAM LEMAK: KETOGENESIS / 199 BAB 22: OKSIDASI AS AM LEMAK: KETOGENESIS / 201 FFA ATP KoA '
asetil-KoA. Oleh sebab itu, jika terdapat asetil-KoA dalam jumlah signifikan, jumlah oksaloasetat akan memadai untuk memulai reaksi kondensasi pada siklus asam sitrat.
Triasilgliserol ASlL-KoA
SINTETAS E
JARING
ANEKSTRAHEpA T| n,,«- OTOT
Triasilglise rol Fosfolipid
Esterifikasi
JARINGAN LEMAKAsil-KoA
ASPEK KLINIS
Lipolisis
Gangguan Oksidasi Asam Lemak Menyebabkan Penyakit yang Sering Disertai dengan Hipoglikemia
Oksidas i
Aselil-KoA
Defisiensi karnitin dapat terjadi terutama pada neonatus-
® asam sitrat 3-Hidroksibutirat
Asil-KoA
Esterifikasi P-Oksidasi Asilgliser°l Ja,ur |
baik dalam keadaan kenyanp mo sekitar 30% asam lemak bebas yanUn PlTa' mengekst pada konsentrasi tinggi, aliran asam T 7 “^ ^inl “kuP banyak. Karena itu ^ Y A N ! G M ?! ®’ mengatur mobilisasi aco,« ’ taktor-fcu_ r Wn-wuidii unggi, aliran asam L , cU
P bany^ Karena itn mengatur mobilisasi asam Iemak'J^AtO, J penting untuk mengontro, ketogene^
ya
Asetil-KoA
Siklus asam sitrat °ks,r«ihopatik.
Ketogenesis
sehinr,
I.
melew
.b
adip^
Benda keton CH —CH-CH -COO D(—)-3-Hidroksibutirat
Gambar 22-7. JalurQketog
(2 ) Setelah diserap oleh H • v-/ ™ ^u_o^i-Pmen oleh^hbeb' tcli] aiserap aVco mengalami oksidasi-p menjad| J* “am atau ,eniak i °eb; esterifilracl atau terestenfikasi menhHi'\ • -T 2 atau bad. , b*« Masuknya asam lemak kc ^‘“rol dan f"fketo'' oleh karnitin palnJtoUttanrf ^ J* lemak lamnya yang terserap diesterifiV ^ dan ' kenyang, aktivitas CPT-I rendall ( kasi' Dalam ,k “an> lemak berkurang. Pada keadaan jWga ^ daa„
— dan khususnya bayi prematur-—karena kurang memadainya biosintesis atau kcbocoran di ginjal. Defisiensi zat ini juga dapat terjadi pada hemodialisis. Hal ini mengisyaratkan adanya kebutuhan mirip-vitamin akan karnitin dalam makanan pada sebagian orang. Gcjala defisiensi mencakup hipoglikemia yang disebabkan oleh gangguan oksidasi asam lemak dan akumulasi lipid disertai kelemahan otot. Terapi kelainan ini adalah dengan suplementasi karnitin per oral. Defisiensi CPT-I herediter hanya mengenai hati yang menyebabkan berkurangnya oksidasi asam lemak dan ketogenesis, disertai hipoglikemia. Defisiensi CPT-II terutama mengenai otot rangka, dan jika parah, hati. Obat sulfonilurea (gliburid [glibenklamid] dan tolbutamid), yang digunakan dalam pengobatan diabetes melitus tipe ? mengurangi oksidasi asam lemak, dan karenanya, hiperglikemia dengan menghambat CPT-I. . .Defek herediter pada enzim-enzim oksidasi-p dan • ketogenesis jUga menyebabkan hipoglikemia nonketotik, koma, dan perlemakan hati. Defek dapat terjadi pada 3 hidroksiasil-KoA dehidrogenase rantai-panjang dan rantaipendek (defisiensi pada enzim rantai-panjang dapat
menyebabkan perlemakan hati akut pada kehamilan). (f.’^Qp^'9- Regulasi ketogenesis. ®-® '^lemak bebas POL1 Vane ln 8 dalam jalur metabolisme a ■ karnit,n Defisiensi 3-Ketoasil-KoA tiolase dan HMG-KoA liase juga Sementara asetoasetat dan D(-)-3-hidroksibutirat mudah secara langsung kecuali di sitosol* 'XiiJ ^entukan derajat ketogenes.s.
--------• ..
tcrbent11^ tidak dapat direaktivasi memengaruhi dioksidasi oleh jaringan ekstrahepatik, aseton sulitpenguraian dioksidasi leusin, yakni suatu asam amino ‘ nsfe.rase-|). tempat zat ini digunakan di jalur >*ang jauh kurang aktif sebagai in vivo dan umumnya dikeluarkan ketogenik dari paru (Bab 29). 1 prekursor dalam sintesis kolesterol. Inilah yang mcnyc^a^'A I C A N V O M I T I N G S I C K N E S S (penyakit muntah Pernt»entukan netto badan keton oleh hati.S'01 'ib 3-bidroksibutirat adalah yang 'uaran badan Jamaika)r brimbul karenaketon menyanrap buah mentah pohon jij^^ngiji eJles,s dapat dianggap sebagai 1 ^fjc dalam pi jaringan ekstrahepatik, asetoasetatdiaktifkan menjadi melalui urine hanya mencerminkan seba<>hn k I A K E E yang mengandung toksin hipoglisin yang b an hati a n KoA O esa,. KoAmengoksidasi san.penibatasa asctoaset«l' oleh suksinil-KoA-aseto^stat transferase- “'’’ ^oA dan pemakaian badan keton total. Karpna terdi atefT° menginaktifkan asilKoA dehidrogenase (rantai-sedang ^'pun terdapat p eI11 ‘ . , ■{ dipindahkan dari suksinil-pCoA untuk mem- ^itnk bcntukm es asetoasetil-KoA ambang ginjal (tidak terdapat ambang sejati'png berWa( ld dan rantai-pendek)., menghambat oksidasi-p dan -Cgt.„ ^an oleh sistem (Gambar asetil-KoA oleh b bada 22-8). Asetoasetil-KoA d‘ iccah^ menjadi beda antarspesies dan individu, pcneuknri,, i . , ‘ (Gambar 23-.) yan"Xn *C " 1 iS / menyebabkan hipoglikemia. Asiduria dikarboksilat ditandai oleh fosforilasi rnes /an_ i i i i, 5 ran ketonemia dan tiolase dar> dioksidasi dalam siklus asam sitrat. Jika kadarnya dalam ^ipun terdapat daiamkeadaan keadaankeny kenyan, ada,ah° 1 J* C* Sk beC ekskresi asam C - Q co-dikarboksilat dan oleh dalam ang adJi^^ k^^Jk d^rah meningkat, oksidasi lan_ badan keton^r, meningkat (f?ada bukan ketonuna merupakan metode yano A', • i menilai derajat ^c9ra l*^':an 0sampai, ^eh sistem J (Gambar 22-10). Pad“a kea7' ,,,,,,Ditor poten .‘“^ase ^ t a s i t r ' ^aki,,"" ,Debas yanS dU‘.T'5i bebas masuk ke sel hati dalam k‘ hipoglikemia nonketotik, serta disebabkan oleh kurangnya 31f an fosforilasiketosis. oksicla“ksal*oaset konsentrasi sekita ^ mrn°l/L) badan-badan keton ini menyebabkan „ingkat ,8 ' Q>T- *Ct,eftlik ^e ^e j , kit yang dioks« J to n a asil-KoA dehidrogenase (rantai-sedang) di mitokondria. a harida|keauaan'keadaa'' ^ tagi CI>rCndah Toksidatif mengalami kejenuh^fc. Jika C hal sejumlah besar U d C ».aini;eoradi» «is, penurunan konsen^' mengganggu ^Nua ‘ .da,aI" W semua T E R E S T E N F I K A S I menjadi asjUlT^f da h ^ ATn ' Pa *n j'i °r Pemisahan ‘ ^ C n Penyakit Refsum adalah suatu penyakit neurologik yang 35 3,1 1 PUD -"“MI IIMUIWU^- • |;CME OA •— hati dalam konsentrasi semua ccr»ic,i»™ da JP7j',aatl danlem hai*01V* . hari Ur konsunisi oksigen diperlukan untuk Jise c mitokondria, dapasetil'K° DIATUR DI ah dang. ®*Pir ?S k hariua dalam bentukmenjadi limenjadi . ^asiU ” di le klus |S KETOGENESIS poprotein N f,r> %„. ‘W kloksidasi U 1 Uk dmenjad' terestenfikasi asil-glj an hai?* ar ol |., f asam sitrat memeta O | ogenes ' d *aH n dia a t(;1: mcng k keton. dalam bentuk lipoprotein h T ngku L e, llkan S Us ■1 Uk da" oksidasic asam ^ igah *^ asam sitrat a 1 lemak 3 11 TIGA TAHAP PENTING < ^sidasi asam men " i„ katnya menyebabkan akumulasi asam fitanat yang ditemukan g b Uar pada ^ ^ ,nyakan ketonemia disebabkan oleh meni* ^ * ^ serf" 1 y>kasus, / sangat rendah ( V E R Y L O W D E N S I T Y U P Z( «berat J N S (1) Ketosis tidak terjadi in vivo k r peningkatan kadar asam dapat terjadi karena m dalam produk susu serta daging dan lemak pemamah biak. ini *' •' bah'*'* ; ^ oleh hati dan bukan karena defisiensi produksi badan keton dengan rcr,ac 145 niening da lemak bebas ^‘ memiliki efek patologis i| ^% ^[NAD*] akibat loasetat an ., O 0,, Asam fitanat diperkirakan a oksa 1 , rn0| ni0| ““lam: »ya dalam O A di luar hati. pemakaiannya oleh jaringan entl am s9|'' Ha|n^aruhi keseimbangan aitaraberasal dari lipolisis kons . 3 disadari triasilgliserol di iari * darah yang terhadap fungsi membran, prenilasi protein, dan ekspresi (P\ n ^ 1 8 H.V 'n' menyebabkan berkuiranglemak y mt,ngata s adalah prekursor badan d| bebas *” ***"'(serebrohepatorenal) adalah lia M ^ Ui ok,-. ,meny*abkan pr°d ^i1 / gen. H Sindrom Zellweger 1aaan tra asi keton di hati. Hati, Na , ' karboksilase y^ „ oleh mun imvat tif Ua ^jl' '(l,r -P pemben^ / r
R
pl, Uv SCtat
^alah produk ^
' at _ menjadi oksaloasetat,
penyakit herediter jarang yang terjadi pada orang
BAB 22: OKSIDASI ASAM LEMAK: KETOGENESIS / 203 Gurr MI, Harwood JL, Frayn K: I . i p i d Blackwell
BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
202 /
Menentukan proporsi aliran asam lemak bebas yang ^ebih teroksidasi kciimbang terestenfikasi; dan (3) Pemisahan asetil-KoA asam sitrat.
I n h e r i t e d D i s e a s e , 8th ed. McGraw-Hill, 2001. Wood PA: Defects in mitochondrial bcta-oxidation of fatty acids.
yang berkaitan dengan gangguan oksidasi asam
berbagai organ, dan hipoketonemia. 1
(?) 10 .. Asil-KoA & W
T
Ketosis bersifat ringan pada keadaan kelaparan, tetapi parah
T, Lopaschuk C’.D, Mitchell C.A: Pathways and control ot ketone body metabolism: on the fringe of lipid metabolism. Prostaglandins Lcukot Ivssent Fatty Acids 2004:70:243.
term* ataU ^nngan ,ain- Namun' ekskresi keduanya secara mencrus dalam jumlah besar akan sccara progresif gU a 1 ca an d gan basa sehingga rimbul KETOASIDOSIS. Pa." ;. ”8
sinrfan ket’ac*aan peroksisom di semua jaringan. Pada ini terjadi penimbunan asam polienoat Cv-C di jarinean orak A^ • fun°s' k P^ien juga memperlihatkan lenyapnya
... 26 38
°ejata sar Th11 Q^an Pero^som- Penyakit ini tahu 'a CIar ^an se^a8ian besar pasien meninggal dalam
hcrakibafS mC'itUS ya"B ,ak-'Crkontr«'- hal ini dapa,
menyebabkan
RINGKASAN Oksidasi
n pertama kehidupan.
Cr
ya
yang Berkepanjangan dalarn^d^^11 Chin
I
^a^am
°
,
ataU
'et°'lernia)
kedu a
]ccac],
^. m
van
CCISe
iimu sehin
ket n lai
71
!
V
,
ia
etes
^aran
13
^'Serta' °^
Sme
melebihi
ing-masing
ketonuria.
's.
a
meta
l I m b u
..
lcetos
mas
'
acau
Sebur
jumlah
Ur n
Bentuk
^an
mobilisasi men
galami
Secara
dasar
berupa
kadar
disebut ketosis
berkurangnya asam
lemak
peningkatan
keseluruhan, terjadi
pada
karbohidrat bebas.
secara
oA
dioksidasi
.
oksidasi-P
sekuensial dalam
mitokondria ATP
yang
dari
SIKLUS
mdalui memecah
rantai asam
asil
menyebabkan suatu
proses
unir-unit
asetil-
lemak.
Asetil-
sitrat
yang
juga
Badan KETON (ASETOASETAT, 3-hidroksibutirat, dan aseton) dibentuk di nmokemdna hati jika laju oksidasi asam cmak tinggi. Jalur ketogenesis melibatkan sintesis dan pt-'mecahan 3-hidroksi-3-metilglutaril-KoA (HMQ.
Pola
dUa en/Jm kunci
’ HM(-KoA sintase dan
berlebihan
I
keadaan patologis, seperti dijumpai pada ketosi ne8afa-negara Barat; TWIN unnu melitus, yang tipe 2-nya kini semakin sering -------------------------------------------------------------------------------
jumpai j negara-negara Barat; TWIN LIMB DISEASE; dan ------------------------------------------------------------------------------a sapi menyusui. nonpatologis ketosis etosis acpada sapis pamenyusui. BentukBentuk nonpatologis ketosis a • I- r P ^ kondisi pemberian makan tinggi lemak 1 * ■>e,°^ah raga berat pada keadaan PASCA-ABSORPTIF. | *sarn asetoasetat dan 3-hidroksibutirat adalah asam )er sedang dan akan disangga jika terdapat di dalam
°A
di
besar
menghasilkan ATP.
normal
ketonemia
lemak
sejumlah
DISEBUT
yang
vanoQR dtSiS Ter'adi Akibat Ketosis
asam
cna,kn
cuacan
HMCi-KoA liase. Badan
keton
adalah
bahan
bakar
yan
g
PENTING
bagi
jaringan ekstrahepatik. Ketogenesis diatur di tiga langkah krusial: (1) kontrol mobihsas. asam lemak bebas dari jaringan a tivitas karnitin palmitoiltransferase-I di hati, yang
ADIPOSA;
(2)
Rev Nutr 1994; 14:343.
Scriver CR, et al (editors): The Metabolic and Molecular liases of
lemak MENYEBABKAN hipoglikemia. infiltrasi lemak paca Insulin
Publishing, 2002. Reddy JK, Mannaerts GP: Peroxisomal lipid metabolism. Annu
antara jalur ketogenesis dan siklus
PENYAKIT Asetil-KoA
B i o c h e m i s t r y.
CurrOpin Lipidol 1999; 10:107.
EfaS*"" '*'* S
BAB 23: BIOSINTESIS ASAM LEMAK & EIKOSANOID / 205
23
CH — CCKVS — Asoti!-
Kathleen M. Botham, PhD, DSC
VS Enz —biotin —COO” Enz-b.otin
—
KoA
«&peter/\.
— ATP + HCO "
/VI °yeS' «*>, DSc
ADP-*- P
I nil KoA (Enz, asetil-KoA karboksilase.) 23-1. Biosintesis malonil-KoA. it
Gambar 23
PERAN BIOMEDIS Asam lemak disintesis oleh siste yang bertanggung jawab untuk m*" amitok0 n,l • asetil-KoA di sitosol. Pada sebagian2^ Pall*tat adalah substrat utama untuk lipOpe n0 mamalia> Rluk pemamah biak substrat tersebut all ^ P*U h bahan bakar terpentine J ^ V I , **** Penyakit-penyakit penting pada '• F ^ dari m^°Ickul belu dilaporkan pada manusia. "i terjadi pada diabetes melitus'tiJ\ ^ ^ dan variasi daJam aktivitas jalur in' (dePenden-i,f derajat obesitas. ' memengaruhj * ,n)» Asam lemak tak-jenuh dalam fosfol- .. ^^ Pentmg unruk mempertahankan *eIllbran asam lemak tak-jenuh ganda terhad, menib*n ‘ (rasio P:S) yang tinggi dalam fen*' S> b Uh untuk meneegah penyakit jantung W ^ «^a„f memihki kapasitas yang terbatas u ntuk J;ri"gan 1 *“ lemak, dan memerlukan asam lemakndesatu„.: *ai>
K
'du membentuk sawar permeabilitas, dan cn 2 «m di kompleks tersebut terkoordmasi °leh satu cen. 1.1 1, Pad;l mamalia. kompleks asam lemak sintase aja su,t rr,asU 1 lmer yang terdiri dari dua monomer ideim -
ta
npa Se mU; ^kHCornya mcn“k“P NAL5PH. ATP’1 4«j Si-W£ ^i sumber CO..). uk akhirt|ya gsilngnya, dan palmi.at beb** (Seba
si
ntasc8 m®n8andung kctujuh aktivitas enzim af
S
*ss2£:£ss/s
- 3SC P^a satu rantai polipeptida (Gambar^23 2^ suatu molekul P R I M I N G asetil-KoA sistein yang dikatalisis oleh aseti ■«-i »,bi..............................
l
saS
ilase
dekatnya pada 4’-fosfopantetein
vm«, lain yang dikatalisis oleh malonil transasilase (reaksi lb)" untuk membentuk asetil (asil)-malonil enzim. Gugus asetil menyerang gugus metilen di residu malonil yang dikatalisis oleh 3 -ketoasiI sintase dan membebaskan CO,, membentuk 3 -ketoasil enzim (asetoasetil enzim) (reaksi 1 membebaskan gugus —SH sistein. Dekarboksilasi ),
---------
O
memungkinkan reaksi tersebut berlangsung tuntas, dan menarik sekuens reaksi keseluruhan ke arah selanjutnya. Guaus 3 -ketoasil akan tereduksi, terdehidrasi, dan kembali tereduksi (reaksi 3, 4, 5) untuk membentuk enzim asil-S jenuh. Molekul malonil-KoA baru berikatan dengan —SH
je
bc :,d aSC i| KoA >'-KoA ' ^n'ATp ' - ka (G n kar da
amb
£, B
boksi. " asetil-KoA
En
Hidratase
“ss '.'- memerlukan vita*- .■"> C
Malonil , nsasilas
[“'"lah l ^ 1”Cngand 'ni adalah suatu P'ot‘ k iK '°tin karKrTariasta '» Un.g sut>unic-snbunit lt,c',lf ^'V
Nb!>nT';r
iv.ni s ann-mflamasi nonsteroid, seoerri P R °^ I A ta . Qtn h S Asr, menghambat sintesis prostaglandin.^"^ d ^ menimbulkan kontraksi otot dan h rUkotrien K §an * penting pentingdalam dalamreaksi reaksialerg, a.erg,dan dan pl^f' ^ot^k ^ ■
^
Enoil reduktas e
Asetil transasilase
Ketoasi l redukta
g-niasing mcngand-V J,
as n
n ° ik , o da . Pat alosterik regtn .>,d dua UQ 1 d a ^< >ATp ^ap: d ^auis> ^ Ssunp . , (Okarbo^V temnnr „i.. . tUk^ an -CM>\ L A I 0 ■. b1 1U bV r
Ketoas il sintas
4’-Fosfopantetein
UntUk
*nCmudan (2) pemindahan
^C‘ntul< malonil-KoA. As
C^ks
l
L niak Q a,1
h5 t
iH J
Sintase Sintase > A^JV
'dQ Vann, J „A U ^ ^ 9 Mengan< ^teti ls
terr, 1 d la
al
han
^bt ^>l'"’ '^ ' masing-masing
JALUR UTAMA UNTUK SlNTM.c DE NOVO ASAM LEMAK flPo^ BERLANGSUNG 01 SITOSOL 6ENES|S)
‘nt9s N^Un pe>igan ,,lasi dengan suatu P pi
s
«■ <:a8Pkut W
Sistem ini terdapat di banyak jarinp ginjal, otak, paru, kelenjar mamaria df!"-’ meliPuti u ,ari "^ adi!ati’
kf’
’
mamalia
4'-Fosfopantetein f
Ketoa sil sintas
J Asetil transasilase
J 5
/
Ketoasil
redUk,aSe
> dan
poiipep^ >V,
Enoil V (ase yt reduktase5 Hidrata
Malonil transasilase
u
nit r 'f0sfQ ngancju an mengambil aid1 f ^
4t
u
Parr' >iliki keungg /^ ^entalisasi proses ^0^
■ adalah suatu dimer dengan dua monomer polipeptida identik, I dan
BAB 23: BIOSINTESIS ASAM LEMAK & EIKOSANOID / 207
Biosintesis Asam Lemak & Eikosanoid
pada 4Tosfopantctc,in, menggeser residu asil jcnuh ke gugus —SH sistein bcbas. Rangkaian reaksi diulang enam kali lagi sampai terbentuk radikal asil 16-karbon (palmitil) yang jenuh.
23
Senyawa ini dibebaskan dari kompleks enzim oleh aktivitas
enzim kctujuh di kompleks, yaitu tioesttrase (deasilase). Palmitat bebas harus diaktifkan menjadi asil- KoA sebelum dapat diproses lebih lanjut melalui jalur metabolik Iain. Biasanya palmitat ini mengalami esterifikasi menjadi asilgliserol, pemanjangan rantai
Kathleen M. Botham, PhD, DSc & Peter A. Mayes, PhD, DSc
atau desaturasi,atau esterifikasi menjadi ester kolesteril. Di kelenjar mamaria, terdapat tioesterase tersendiri yang spesifik
e
“ ^-KoAdff“ ad
nS t
r
Pada se
ab un
e e
, ,ran,itokondri
^km ™vin r CS,S pain
s
b
untuk residu asil pada C 8, C,(), atau CI2, yang kemudian ditemukan N.\ni>|ATP. Mn-\
». H°[' '
alaH S U B S T R ^?ian h n*tac dari ubsrraC 1 , Pen^n1ahbiiri,rniaUnCuk,iP0gencSisarrniania,ia’8,l,ko« BIOMEDIS -PERAN dan palni.W bebas adalah 3,1
n
3
ga
‘
Sl,ml)t,
r
dalam lipid susu. .). Aseal-KoA
Persamaan untuk sintesis keseluruhan palmitat dari asetil-KoA 1 " ^sCtil-K°A dan malonil-KoA adalah clan HCO, (sebagai sumber ^V’bcba* adalah adalah substrat CH3CO Slangsungnya, KoA + 7HOOCelan CH pa COinita S KoA + produk akhirnya. 14NADPH + 14Hf
baha
" bakar tr rat tersehuc adalah ase^taPl ^ he^n ^Cn^t-penyalc7 endng yan 8 dihasilkan (lyairUm0,ck^ d,IaPorkan pad
Pent,ng pada JaJur ini M
makanan
-
-> CK(0-guC00H + 7CO, + 6H,0 + 8K0ASH + 14NADP* ‘
Asetil-KoA yang digunakan sebagai primer membentuk , i h TcjH^P atom karbon 15 dan 16 pada palmitat. Penambahan Pembentukan Malonil-KoA Ada a atty ^____paaa jalur ini belum pernah seluruh unit C2 selanjutnya adalah melalui malonil-KoA. Awal & Pengendali dalam Smtesi dilaporkan pada manusia. Namun, inhibisi lipogenesis PropionilKoA bekerja sebagai primer untuk sintesis asam Lemak .• terjadi pada diabetes melitus tipe 1 (dependen-insulin), lemak rantai- panjang dengan jumlah atom karbon ganjil . jlain reaksi dan variasi dalam aktivitas jalur ini memengaruhi jenis dan yang sebagai ditemukansumber terutamaCO, di susu derajat obesitas. Bikarbonat d i pdan c rlemak l u . hewan njl,K°A u1 pemamah biak.asetil-KoA karboksilasi Asam lemak tak-jenuh dalam fosfolipid membran sel awal untuk keberadaan Al P dan asett o ^JN biotin penting untuk mempertahankan fuiditas membran. Rasio dengan Sumber Utama NADPH untuk Asetil-KoA karboksilase memerlukan v. ^ niultiasam lemak tak-jenuh ganda terhadap asam lemak jenuh (rasio P:S) yang tinggi dalam diet dianggap bermanfaat untuk meneegah penyakit jantung koroner. Jaringan hewan memiliki kapasitas yang terbatas untuk mendesaturasi asam lemak, dan memerlukan asam lemak TAK-JENUH tertentu dalam makanan yang berasal dari tumbuhan. Asam lemak esensial ini digunakan untuk membentuk asam lemak eikosanoik (C1()) yang menghasilkan eikosanoid prostaglan in, tromboksan, leukotrien, dan lipoksin. Prostag an in memerantarai peradangan, nyeri, dan memicu tidur seita juga mengatur koagulasi darah dan reproduksi. at anti-infamasi nonsteroid, seperti aspirin bekeija dengan menghambat sintesis prostaglandin. Leukotrien eree< menimbulkan kontraksi otot dan bersifat kemotakti seita penting dalam reaksi alergi dan peradangan.
JALUR UTAMA UNTUK SINTESIS DE NOVO ASAM LEMAK (LIPOGENESIS) BERLANGSUNG DI SITOSOL MoiUNG DO SDTOSOL Sistem ini terdaoar ^: 1 Sistem • — * 1 ini terdan Aginjal, otak, paril £ ,
■^ iarin8an’ "icliputi had,
V u, iceienjar mamaria, dan jaringan adiposa.
(GambarLipogenesis 23-1). Enzim ini adalah suatu p Jalur Pentosa dengan adalah 1 enzim yang mengandung subunit-su mini biotin, Fosfat jumlah bcrvariasi, masing-masing ",cn?;ll“ ,,-boks'1’ dan ^ADPH berperan sebagai donor ekuivalen pereduksi pada biotin karboksilase, protein pembawa liotin i.lt0rik- ^ea^Sl eduksi 3-ketoasil dan turunan 2-3-asil tak-jenuh (Gambar transkarboksilase, serta tempat alosteri k ' ,1^'ilasi biotin 13-3, reaksi dantahap. 5). Reaksi oksidatif jalur ini berlangsung dalam3dua (1 "'l icirboksil ke pentosa fcsfat lihat Bab 21) adalah sumber utama hidrogen yang melibatkan ATP dan (2) pemindahan yangdiperlukan ntuk sintesis reduktif asam-asam lemak. asetil-KoA untuk membentuk maloni °
keluar mitokondria (sitosol), yaitu tempat utama terjadinya BAB 23: BIOSINTESIS ASAM LEMAK & EIKOSANOID / 205 sintesis asam lemak. Sitrat yang dibentuk setelah kondensasi asetil-KoA dengan oksaloasetat di siklus asam sitrat di dalam mitokondria, dipindahkan ke dalam kompartemen r • “DOC—CH —CQrs^S — KoA CH —CO \j s — KoA- Asolilekstramitokondria melalui pengangkut trikarboksilat. Malonil-KoA KoA Dengan keberadaan KoA dan ATP zat ini kemudian Enz —biotin —COO” Enz —biolin mengalami penguraian menjadi asetil-KoA dan oksaloasetat yang dikatalisis oleh ATP-sitrat liase yang aktivitasnya ATP + HCO^ ADP » P meningkat dalam keadaan kenyang. Asetil-KoA kemudian tersedia untuk .membentuk malonil-KoA dan sintesis C a m b a r 2 3 - 1 . Biosintesis malonil-KoA. (Enz, asetil-KoA karboksilase.) palmitat (Gambar 23-4). Oksaloasetat yang terbentuk dapat membentuk s malat melalui malat dehidrogenase terkait51 Pephi membentuk sawar permeabilitas, dan sintesis ... Ua Cr|| yang lain yang dikatalisis oleh malonil transasilase NADH, diikuti pembentukan NADPH karena melalui enzim dioleh kompleks tersebut terkoordinasi °de oleh satu (reaksi lb), untuk membentuk asetil (asil)-malonil enzim malat. NADPH kemudian dapat digunakan untuk gen. enzim. Gugus asetil menyerang gugus metilen di residu aC a mama dapat digunakan untuk membentuk lipogenesis, sii dan^ piruvat * *ia> kompleks asam lemak sintase adalah nias' 11 malonil yang dikatalisis oleh 3-ketoasil sintase dan n kembali asetil-KoA diangkut ke idcntik, dalam masingmitokondria. ^'nKr yang tcrtsetelah *iri t*ari dua monomer si 8 mengandung membebaskan CO,, membentuk 3-ketoasil enzim (asetoasetil Jalur ini adalah cara untuk ketujuh aktivitas enzimmemindahkan asam lemak ekuivalen avv-- Pada satu rantai enzim) (reaksi 2), membebaskan gugus —SH sistein. pereduksi polipeptida (Gambar 23-2). Pada a nya, suatu molekul /TRI/NING Dekarboksilasi memungkinkan reaksi tersebut berlangsung l, i I - KoA berikatan s SH sistein yang dikatalisis dari NADH aset ekstramitokondria ke dengan NADP. fa Cara lain adalah tuntas, dan menarik sekuens reaksi keseluruhan ke arah oleh asetil malat itu sendiri dapattransasilase diangkut ke dalam mitokondria selanjutnya. Gugus 3-ketoasil akan tereduksi, terdehidrasi, dan arn 23-3, reaksioksaloasetat. la). Malonil-KoA berikatan dengan untuk kembali har membentuk Perhatikan bahwa kembali tereduksi (reaksi 3, 4, 5) untuk membentuk enzim asil-S di dekatnya di pada 4’-fosfopantetein ACP di monomer pengangkut sitrat (trikarboksilat) membran mitokondria jenuh. Molekul malonil-KoA baru berikatan dengan —SH memerlukan malat untuk melakukan pertukaran dengan sitrat (lihat Gambar 13-10). Pada hewan pemamah biak hanya terdapat sedikit ATP-sitrat liase atau enzim malat, mungkin karena pada spesies-spesies ini, asetat (berasal dari perut pertama hewan pemamah biak [rumen] dan diaktifkan menjadi asetil-KoA di luar mitokondria) adajah sumber utama asetil-KoA. Pemanjangan Rantai Asam Lemak Terjadi di Retikulum Endoplasma
Jalur ini (“sistem mikrosom”) memperpanjang asil-KoA jenuh dan tak-jenuh (dari CJ0 ke atas) oleh dua karbon dengan menggunakan malonil-KoA sebagai donor asetil Secara bermakna, xingan yang mengkhususkan diri dalam dan NADPH sebagai reduktan, dan dikatalisis oleh sistem lipogenesis aktif Kompleks Asam Lemak ^*D°^aSe[JjinnrTiGl TLijuh enzim fatty acid elongase di mikrosom (Gambar 23-5). Suatu Polipeptida hati, jaringanyang adiposa, Menga dan kelenjar mamaria dalam Aktivitas Enzim :adaan menyusui—juga memiliki jalur pentosa fosfat aktif. Pemanjangan stearil-KoA di otak meningkat dengan cepat ’22 fain itu, kedua jalur metabolik ditemukan di sitosol sel pada sewaktu mielinisasi untuk menghasilkan asam lemak C rnas n maSin hingga tidak ada membran permeabilitas yang dan C24 untuk sfingolipid. Pada bakteri dan tumbuhan, ‘ ^” atau ^iUsawar ^an radikal pemindahan NADPH. Sumber lain NADPH sistem snghalangi ASAM LEMAK SINTASE terpisah, dan lten ^r0tejn yang alahbentuk reaksikombinasi yang mengubah malat menjadi piruvat yang, STATUS NUTRISI asil dalam dengan saiatu PROTEIN oleh “enzimasilmalat” malat dehidrogenase) disebutcatalisis protein pengangkut (^O7 CA(NADP ^ _ sistem MENGATUR LIPOGENESIS ACP). ambar Namun, pada ragi, mamalia, c an u j j nzim 23-4) dan reaksi isositrat dehidrogenase yang t iadi e Pada banyak hewan, kelebihan karbohidrat disimpan dalam sintase di adalah suatu kompleks po bukan 'PePn sumber . Deran yang KoA. luar mitokondria (mungkin bentuk lemak sebagai antisipasi dalam menghadapi masa-masa yang memasukkan ACP, dan mengam ■>!biak). tQtenat dalam >stansial, kecuali pada pemamah defisiensi kalori, misalnya kelaparan, hibernasi, dsb. Simpanan Kompleks ini mengandung vitamin bentuk 4’-fosfopantetein (Gam ar ini juga yang menghasilkan energi untuk digunakan di antara etil-KoA Adalah unit fungsional multienzim mcm.l.k,Bahan keunggu. , Baku Gamw 23-2. Kompleks multienzim asam lemak sintase. Kompleks ini a d a j a d t a * dag," dua monomer polipeptida 2 , masino-masino waktu makan pada hewan, termasuk manusia yang makan Utama am Lemak terdiri dari tujuh aktivitas enzim dan protein pembawa asil ACP) (Cys-SH, sistein tiol). Gugus SH . irltkan susurnn satu monomerSak berdekatan dengan dengan interval tertentu. Lipogenesis mengubah kelebihan gugus pada residu sistem ketoas.l smtase monomer yang meng«y»ratkansusunan "kepala-ke-ekor" kedua monomer tersebut. Meskipun :il-KoA dibentuk dari glukosa melalui oksidasi piruvat di glukosa dan zat-zat antara,semua misalnya piruvat, mengandung aktivitas pars. laktat, dan asetilm mitokondria. Namun, zat ini tidak mudah berdifusi namun unit fyang •ain. Jadi, unRSional sebenarnya terdiri dari separuh dari satu monomer yang berinteraksi dengan separuh niono,ner kompleme, ter KoA menjadi lemak asam p
i
satu
IinP
eulan berupa
-SH
lain,
masing-masing
monomer
ementer .yano
.yang
204
dua "antai asil dihasilkan secara bersamaan. Sekuens enzim d. mas.ng-mas.ng monomer didasarkan pada Wakil.
BAB 23: BIOSINTESIS ASAM LEMAK & EIKOSANOID / 209
208/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
ini tidak cukup cepat diesterifikasi atau karena peningkatan lipolisis atau infiuks asam lemak bebas ke dalam jaringan, zat ini akan secara otomatis mcngurangi sintesis asam lemak baru. Asil-KoA juga menghambat pengangkut trikaboksilat mitokondria sehingga meneegah pengaktifan enzim oleh perpindahan sitrat dari mitokondria ke dalam sitosol.
Glukosa
O II
O II
R-°CH —°C \s S — KoA + *CH -C^ S - KoA r
I
‘
COOH Malonil-KoA
Asil-KoA
Asetil-KoA karboksilase juga diatur oleh hormon, seperti GLUKAGON, EPINEFRIN, dan INSULIN melalui perubahan pada
status fosforilasi nya (rincian di Gambar 23-6).
3-KETOASIL-KoA SINTASE
KoA - SH ♦ CO
O II
Piruvat Dehidrogenase Juga Diatur oleh Asil-KoA
O II
Asil-KoA menyebabkan inhibisi piruvat dehidrogenase dengan menghambat pengangkut pertukaran ATP-ADP di membran dalam mitokondria. Hal ini menyebabkan
R —°CH —°C -CH. - C S - KoA 3-Ketoasil-KoA NADPH + H‘
r 3-KETOASIL-KoA REDUKTASE
k
OH
O
NADP’
I
II
R —°CH_ —°CH — CH, -CO-S- KoA 3-Hidroksiasil-KoA
3-HIDROKSIASIL-KoA DEHIDRASE
R —°CH —tCH = CH —*C
H.O
R\J
S — KoA 2-frans-Enoil-KoA NADPH + H'
Gambar 23-4. Penyediaan asetil-KoAdan NADPH untuk lipogenesis. (PPP, jalur pentosa fosfat; T, pengangkut trikarboksil K, pengangkut a-ketoglutarat; P, pengangkut piruvat.)
2-frans-ENOIL-KoA REDUKTASE
NADP'
O R —°CH -°CH,-CH,-C'VS-KoA Asil-KoA
membantu fase anabolik siklus makan tersebut. Status nutrisi organisme merupakan faktor utama yang mengatur laju lipogenesis. Oleh sebab itu, laju ini tinggi pada hewan yang mendapat makanan cukup dan mengandung proporsi karbohidrat yang tinggi. Lipogenesis berkurang pada asupan kalori yang terbatas, diet tinggi-lemak, atau defisiensi insulin seperti pada diabetes melitus. Keadaan yang terakhir ini menyebabkan peningkatan kadar asam lemak bebas plasma, dan telah dibuktikan adanya hubungan terbalik antara lipogenesis di hati dan kadar asam lemak bebas serum. Lipogenesis meningkat jika makanan yang masuk berupa sukrosa dan bukan glukosa karena fruktosa memintas titik kontrol fosfofruktokinase pada glikolisis dan memenuhi jalur lipogenik (Gambar 21-5).
LIPOGENESIS DIATUR OLEH MEKAN JANGKA PENDEK DAN JANGKA PANJANG Sintesis asam lemak rantai-panjang dikontrol pendek oleh modifikasi alosterik dan kovalen e,r/^^ dalam jangka-panjangoleh perubahan ekspiesi gen mengatur laju sintesis enzim.
Asetil-KoA Karboksilase Adalah Enzim Terpenting pada Pengaturan Lipogene Asetil-KoA karboksilase adalah suatu enzim alosce^ diaktifkan oleh sitrat yang konsentrasinya meninj-,
^rta ^
G a m b a r
2 3 - 5 .
memperpanjang
rantai
asam
Sistem lemak.
elongase NADH
juga
mikrosom digunakan
untuk oleh
reduktase, tetapi NADPH lebih disukai.
G a m b a r
keadaan kenyang dan merupakan indikator banyaknya pasokan asetil-KoA. Sitrat mengubah enzim dari bentuk dimer tidak-aktif menjadi bentuk polimer aktif dengan massa molekular beberapa juta. Inaktivasi terjadi melalui fosforilasi enzim dan melalui molekul asil-KoA rantai-panjang, yakni suatu contoh inhibisi umpan-balik negatif oleh produk reaksi. oleh karena itu, jika asil-KoA menumpuk karena zat
2 3 - 6 . Regulasi asetil-KoA karboksilase melalui fosforilasi/ defosforilasi. Enzim diinaktifkan melalui fosforilasi oleh protein kinase yang diaktifkan oleh AMP (AMPK), yang selanjutnya mengalami fosforilasi dan diaktifkan oleh kinase protein kinase kinase yang diaktifkan oleh AMP (AMPKK). Glukagon (dan epinefrin) meningkatkan cAMP sehingga mengaktifkan enzim AMPKK melalui protein kinase dependencAMP. Kinase enzim kinase juga diduga diaktifkan oleh asil-KoA. Insulin mengaktifkan asetil-KoA karboksilase, mungkin melalui suatu protein "aktivator' dan protein kinase terstimulasi-insulin.
BAB 23: BIOSINTESIS ASAM LEMAK & EIKOSANOID / 211
jalur yang diperlihatkan di Gambar 23-10. Oleh sebab itu, kebutuhan gizi untuk arakidonat dapat diabaikan jika linoleat dalam diet memadai. Sistem desarurasi dan pemanjangan rantai sangat berkurang pada keadaan kelaparan sebagai respons terhadap pemberian glukagon dan epinefrin, dan jika tidak terdapat insulin seperti pada diabetes melitus tipe 1.
ke dalam sua^u asam lemak jcnuh hampir selalu terletak Ji • a9 Suatu slstem enzim—A9 desaturase (Gambar 23gv j. reCikulLim endoplasma akan mengatalisis perubahan i . i^KoA atau stcaroil-KoA masing-masing menjadi rVoil-KoA atau olcoil-KoA. Reaksi ini memerlukan dan NADH atau NADPH. Enzim-enzim ini l^e, a rninp dengan sistem mono-oksigenase y-ang SSSn«^-"^(Bab.2).
'ikitcSIS ASAM LEMAK TAK-JENUH oakioA MELIBATKAN SISTEM EN2IM DKATURASE * elongase Ik 'katan rangkap tambahan yang disisipkan ke dalasi Vmak tak-jenuh tunggal yang sudah ada selalu d* e saCu sama lain oleh satu gugus metilen (methyl*^ pisahkan^ ^cuali pada bakteri. Karena memiliki
nterrupt ^ ^ewan dapat membentuk famili co9 (asam ole^) esaturas » tak-jenuh secara lengkap dengan cara kombin^ asam lent* ^an desaturasi rantai (Gambar 23'9)> NamU1^ Pemanja ^njUkkan di atas, asam linoleat (co6) atau cx-lir»^. seperti ‘ yang diperlukan untuk sintesis anggota enat (^ atau <*>3 harus dipasok dari makanan. Linoleai amili uu . menjadi arakidonat melalui y-linolenat 0\eU dapat di l
Fami li co9
GEJALA DEFISIENSI TERJADI JIKA ASAM LEMAK ESENSIAL (EFA) TIDAK TERDAPAT DALAM MAKANAN Tikus yang diberi makan diet nonlemak yang mengandung vitamin A dan D memperlihatkan penurunan laju pertumbuhan dan defisiensi reproduksi yang dapat dipulihkan dengan penambahan asam linoleat, a-linolenat, dan arakidonat ke dalam diet. Asam-asam lemak ini banyak ditemukan di minyak nabati (Tabel 15-2) dan dalam jumlah kecil di tubuh hewan. Asam lipid esensial diperlukan untuk membentuk prostaglandin, tromboksan, leukotrien, dan lipoksin (lihat bawah), dan asam-asam ini juga memiliki beragam fungsi lain yang kurang. diketahui. Asam-asam lemak ini ditemukan dalam lemak struktural sel, sering di posisi 2 fosfolipid, dan berkaitan dengan integritas struktural membran mitokondria. Asam arakidonat terdapat di membran dan merupakan 5 —15% asam lemak dalam fosfolipid. Asam dokosaheksaenoat (DHA; 0)3, 22:6), yang disintesis dari asam a-linolenat atau diperoleh secara langsung dari minyak ikan, terdapat dalam konsentrasi tinggi di retina, korteks serebrum, testis, dan sperma. DHA sangat diperlukan untuk perkembangan otak dan retina serta dipasok melalui plasenta dan susu. Pasien dengan retinitis pigmentosa dilaporkan memperlihatkan kadar DHA darah yang rendah. Pada defisiensi asam lemak esensial, asam polienoat nonesensial dari famili 0)9, terutama asam A5-8 "-eikosatrienoat (o)9 20:3) (Gambar 23-
20:2
Asarn oleat — 18:1 f 1 ^1 ifZs 22:1 20:1 / ^ #
24:1
/
Asar
Fam ili
co6
Famili
21
n linoleat -—* 18^^—
18:2
4
i1
menumpuk pada defisiensi asam lemak esensial
3• 1 20:3 —► 20:4 —
22:4
22:5
20:3 —*• 20:4 —
22:4
22:5
20:2 ' W
Asam “linoienat 18:3
G a m b a r Biosintesis famili cog, &
-!-► 22:3 -!-► 22:4
18:2
6, dan ^3 ^4 (T1 | mak tak-jenuh ganda. Setiap tahap dikatalisis oleh e
sistem pemanjang ranta' atau desaturase m'krOS(7^; 1, elongase; 2, Ah desaturase; 3, Ar' desaturase; 4, A desaturase (Q, jnhibis>)-
4
212 / BAB 23: BIOSINTESIS ASAM LEMAK & EIKOSANOID / 213
0
12 ___9 L
es
ensial dan'j lcmali tra"s bcrsaing dengan Selain 'tu, asam ° defisiensi asam leniak * lni sccara struktural serupa d ™c,,do,ong er ' (Bab 15>«rta memiliki elek setara^ (Bab 26). 6 "’’“S* hipcrk0|cstt.rolcnlia Ja,, atero'^
~S— KoA c
Fosfolipid membran
Diot
m micu
i"°'BOi'-KoA(4‘“-ok.ad8kadlonoi|.KoA) O. +
NADH + H'
Linoleat
A0 DESATURASE
2H.O +NAD’ *
-2H
LEJV
'AK{^icJ ^'BENTUK DARI ASA^ ^ ENUH G4NM c» ,» Ci- Qan k,,i
KELOMPOK 1 Prostanoid
i
PGE,
» mnya me„„u ?,rapa asan' lemak tak-jc-nU1’J^
r-Linolenoil-KoA(A—-ok1adekat,enojN
KoA)
C
(Malonil-KoA^ ''N. NADPH) '
. (ELONGASE)
din |-a8landin (PQ ^f).
arrna
^°l°gis aktif clan cliken*1
t^a2itrbok-“ kotr, s<
(tx
TXA.
>- '-
-Eikosatrienoat 10
m°-y-lin0| Gnat)
»e£> l>ekei f,15); Secara faali. senyawa rCScptor terk • ^ *lormon ^’kal V'1"® it,iKc °^wi„y, te^tt-protein c. [ncnitnl11 er , . dapa, • . fE >'
KELOMPOK 3 prostanoid
PGD. PGE PGF, PGI TXA.
COOH Dihomo-y-|jno!enoii-KoA
,
Q!t
■eikosatrienoj). KOA)
O, + NADH + H'
> A5
_2 f£ATU RASE
\
**
'
’
O
v w0"5-^
Arakidonoil-KoA (A -^.u.ai. s
| +20 °kladokatetraenoat
Gambar 24-6]) ada j’ ^
. (p—-rf -”1'1i
LTA, LTB LTC
5.8.11.14-17*.
Elkosapentaono
jaw scri tx
J
»
anyabrakldonat (<£ ,donat dalam makanan ^ 0l 1 ' ’^ ^ri DtPat diPeroleh dari U,ltul< me ?SfoliPase a'SI, 2 fosfolipid di nieinbr" ,l-s‘ ;
Leukotrie n
-2H etraenoat
Eikosat
bias
MLUR " SUbStrat Sdo^^Gamba^^1 °' ALAn
J
Diet
atau s
eri LT, dan ^
» sin?e'OKsiGenase bebpe^H 8Ganoid
,
«to«l«rMnol,KoA)
Gam/>ar 23-70. Perubahan linoleat mpni itidak dapat melakukan perubahan ini arakidonat k desaturase dan harus memperoleh
.,
C«: lot
9), menggantikan asam lemak esensial dalam E kompleks lam, dan membran. Rasio „ ■ osfolipid, Ii„-, L I P I D plasma dapat digunakan untuk m dafc a defisiensi asam lemak esensial gnos(s t: 111 un gKat
23 H R -' 'V kelomP°k eik0f nn°® jal"rsik|0 '0k5iSenaSe; : LT LX lip kS alitlka,a - ' ° «ai senyawanranRkapdi molekul dan sen asal
SL^Fi^ak Esensial Tidak Menjj$aluf ^sis'^aiEnya Semafa-mata ro
sfaglandin
Ue S> V .e rki- mak esensial dalam
Asam Lemak Trams DSduga Be dlaOam IBetrhagai Penyakh
SakeLl
S E J U M L A H kecil asam lemak trans-tak-jenuj L E M A K P E M A M A H biak (misalnya lemak^g * teniu*Cai' pad 2- 7%). A S A M - A S A M L E M A K ini berasal kerjT^L83 ^Hi^ D I R U M E N , T E TAP I sumber utama dalam D I C ^ °°r8 aniSrn' D A R I M I N YAK N A B A T I yang cerhidrogenasi par* anUS'a a daJa^ ars,al
• mising-masing. (PG, prostaglandin; PGI, prostasiklin; TX, al biosintests fjur |jpoksigenase). Subskrip menunjukkan jumlah
n ns
idak m e
uk men^ran n den an
g PembentukT Jala drfs,Tt
ngHilangkanjejtidak e Sensial da
i ’ n defisiensi asam ^ 'nhibisi sintesis prostag an
diri sendiri—yi. Enzim ini adalah suatu “enzim bunuhdiri”. Selain itu, inaktivasi prostaglandin oleh 15hidroksiprostaglandin dehidrogenase berlangsung cepat. Penghambatan terhadap kerja enzim ini oleh sulfasalazin atau indometasin dapat memperlama waktu-paruh prostaglandin dalam tubuh.
iyBCOTRBiM & LIPOKSIN DBBINTOK OlEH JALO^ LIPOKSIGENASE L
Leukotrien adalah suatu famili triena terkonjugasi yang dibentuk dari asam eikosanoat di leukosit, sel mastositoma, trombosit, dan makrolag oleh jalur lipoksigenase sebagai respons terhadap rangsang imunologis dan nonimunologis. Terdapat tiga lipoksigenase (dioksigenase) berbeda yang
BAB 23: BIOSINTESIS ASAM LEMAK & EIKOSANOID / 215 214/ BAGIAN BIOENERGETIKA & METABOLISME 216/II:BAGIAN II: BIOENERGETIKA &
METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
cAMP di trombosit, tiroid, korpus luteum, tulang janin, adenohipofisis, dan paru, tetapi menurunkan kadar cAMP di sel tubulus ginjal dan jaringan adiposa (Bab 25).
^namc.|lT,,'Cmak l'->nj«ne «k-jcnuk yan S masine.„ . t,V,tas en/in> dc--.uur.iM- dan clongasr. tCrl
nipcrp • as,ng MCNYISIPK.M ik.it.in R.INGK^P ‘ HCWan '■8 -mi asil yang s udah ada. desaturase r ,* t, . n ^ 1 M E M I L I K I A
COOH
a
gkap baru
^P
at
nicnyisipkan ikatan
',
112-LlPOKSIGiNAiij
A\ dan A"
Ara
,COOH
kidonat
Kothleen M. Bolham, PhD, DSc & Peter A. Mayes, PhD, DSc
COOH
ICNI IK m Vnti P°sisi 9 asani LEM.IK. KARENA itu. harus
Leukotrien dan Lipoksin Merupakan Regulator Kuat Berbagai Proses Penyakit COOH
f7iIlP0^GiNASEj
& Sfingolipid
mc
ran
24
Metabolisme Asilgliserol
biosintesis
OOH 15-HPETE
COOH
Aspirin Indometasin
' U O S AIbuprofen N O I D t da,ri makan-' S L O W - R E A C T I N G S U B S TAN C E O F A N A P H Y L A X I S (SRS-A) yan Sdisintesis 7 asam,cmak Cu, (eikosanoat) adalah suatu M kcl °mpoK-KCL() T ,Cmak t‘scnsi;,, t,an membentuk campuran leukotrien C}, D4, PROST dan Er Campuran leukotrien 6SIO, ,NP scn awa OGIS DAN F , >' PANTING yang SECARA ASIKLI ini adalah konstriktor kuat ototN bronkus. Berbagai leukotrien tr °mboksan I1?1',ko,0^is akti/; MDIPMI PROSTAGLANDIN , HO-. ini bersama dengan leukotrien B( juga menyebabkan ,CUK OTRICN, dan LIPOKSIN. peningkatan pcrmeabilitas vaskular serta menarik dan 12-HETE mengaktifkan leukosit dan merupakan regulator penting di *£FBREHSI banyak penyakit COOH yang melibatkan peradangan atau reaksi °MERASE COOK hipersensitivitas tipe cepat, misalnya asma. Leukotrien ^cM ^J^alondeialdQhid HM LC ^0ngati0n ;n Y ' 'D dc.sam ration and chain bersifat vasoaktif, dan 5-lipoksigenase ditemukan di dinding ; Imidazol L'P°proteifJS biochemistry of Lipins. arteri. Bukti-bukti menyokong peran anti-inflamasi lipoksin ‘ ™e,”br
OH
PE COOH
15-HETE ini berikatan dengan albumin serum. Hal ini diikuti oleh
*AN BIOMEDIS
penyerapan asam lemak bebas oleh jaringan (termasuk hati COOH
Tri ^ ,Ser°l membentuk mayoritas lipid di dalam tubuh. dj ^hserol adalah lipid utama di timbunan lemak dan am di & ,JW!UI aUa ;m Peran senvawa ini dalam transpor dan da| ' nv.L-,,v,n '4MU ............................................. Pen • m makanan. Peran senyawa ini dalam transpor dan ni ob . ‘ Panan lipid serta pada berbagai penyakit, seperti di diabetes, dan hiperlipoproteinemia akan dibahas V H-0 sfi ^'^ab selanjutnya. Sifat amfipatik fosfolipid dan ■Vi l l ic n ycuc l ii i\ a ii ■- '. '•■Isangat J................................................., keduanya cocok digunakan Sebmenyebabkan COOH a -^agai komponen utama membran sel.r^UPOKsicENASEj Fosfolipid juga i
!S
.COOH
jantung, ginjal, otot, paru, testis, dan jaringan adiposa, tetap\
OH
lainnya.
[5-LIPOKSIGENAsil
otak tidak) tempat asam-asam ini dioksidasi atau mcneah re-esterifikasi. Pemakaian gliserol bergantung pada apakah jaringan memiliki gliserol kinase yang dijumpai dalim jumlah bermakna di hati, ginjal, usus, jaringan adiposa
OH OH
cokelat, dan kelenjar mamaria laktasi. ,COOH
i n ,
TRIASILGLISEROL & FOSFOGLISEROL DIBENTUK MELALUI ASILASI OH TRIOSA FOSFAT mis., LXA«
mengontrol peradangan dan tekanan darah, serta meredakan asma dan sumbatan hidung. Selain itu, PGD, adalah zat
Aav\ se&'v \m\H\^W0wM.
^
n
*S tL° ^cno , '>
-UP iV'.\
'>r' fosfor'.
J
Vtos\cu\o\d JVdaXaVx Xcrt &° °® '/Qu^ K\ia\ X
|* ^ .V'V v' V\\^ .
C
*
danTX.yangdibentukdari
menghambat pembebasan ‘Pld ^an Pcmbcntukan PG, dan TX,. Q K tef9p,- yQyiUOrtr°mbosit yang sama kuatnya ^ Vai-,, adalah agregator yang lebih lemah £ Mengubah keseimbangan
Q/
penginduksi tidur yang kuat. Prostaglandin meningkatkan 217
BAB 24: METABOLISME ASILGLISEROL & SFINGOLIPID / 219
dan faktor penggiat trombosit (PA I*). Gliserol 3-fosfat dan dihidroksiaseton losfat adalah zat-zat antara dalam glikolisis, dan menjadikan keduanya penghubung yang sangat penting antara metabolisme karbohidrat dan lipid.
Baik gliserol maupun asam lemak harus diaktifkan oleh ATP sebelum dapat dibentuk menjadi asilgliserol. Gliserol kinase mengatalisis pengaktifan gliserol menjadi jw-gliserol 3 -fosfat. Jika aktivitas enzim ini rendah atau tidak ada, seperti di jaringan adiposa atau otot, sebagian besar gliserol 3 -fosfat dibentuk dari dihidroksiaseton fosfat oleh gliserol- 3 -fosfat dehidrogenase (Gambar 24-2).
dibentuk dari etanolamin melalui suatu ja|ur yang mirjp dengan jalur yang diperlihatkan dalam pembentukan fosfatidilkolin dari kolin.
Dua molekul asil-KoA yang dibentuk melalui pengaktifan asam lemak oleh asil-KoA sintetase (Bab 22) berikatan dengan gliserol 3-fosfat untuk membentuk fosfatidat (1 ,2 diasilgliserol fosfat.) Hal ini berlangsung dalam dua tahap, yang dikatalisis oleh gliserol-3-fosfat asiltransferase dan lasilgliserol-3-fosfat asiltransferase. Fosfatidat diubah oleh fosfatidat fosfohidrolase dan diasilgliserol asiltransferase (DGAT) menjadi 1,2-diasilgliserol dan kemudian triasilgliserol. DGAT mengatalisis satu-satunya tahap yang spesifik untuk sintesis triasilgliserol dan diperkirakan menentukan laju reaksi pada sebagian besar keadaan. Di mukosa usus, monoasilgliserol asiltransferase mengubah monoasilgliserol menjadi 1 ,2 -diasilgliserol di jalur monoasilgliserol. Sebagian besar aktivitas enzim- enzifn ini dijumpai di retikulum endoplasma, tetapi sebagian dijumpai di mitokondria. Fosfatidat fosfohidrolase terutama ditemukan di sitosol, tetapi bentuk aktif enzim ini terikat dengan membran. Dalam biosintesis fosfatidilkolin dan fosfatidiletanolamin (Gambar 24-2), kolin atau etanolamin mula-mula harus diaktifkan melalui fosforilasi oleh ATP diikuti oleh pengikatan ke CTP. CDP-kolin atau CDP-etanolamin yang terbentuk, bereaksi dengan 1 ,2 -diasilgliserol, masing-masing untuk membentuk fosfatidilkolin atau fosfatidiletanolamin. Fosfatidilserin dibentuk dari fosfatidiletanolamin secara langsung melalui reaksi dengan serin (Gambar 24-2). Fosfatidilserin dapat membentuk kembali fosfatidiletanolamin melalui dekarboksilasi. Jalur alternatif di hati memungkinkan fosfatidiletanolamin menghasilkan fosfatidilkolin secara langsung melalui metilasi progresif residu etanolamin. Meskipun terdapat sumber-sumber ini, kolin dianggap sebagai nutrien esensial pada banyak spesies mamalia tetapi untuk manusia hal ini belum dipastikan.
Pengaturan biosintesis triasilgliserol, fosfatidilkolin, dan fosfatidiletanolamin didorong oleh ketersediaan asam lemak bebas. Asam-asam lemak yang lolos dari oksidasi umumnya diubah menjadi fosfolipid, dan jika kebutuhan ini telah terpenuhi maka asam-asam tersebut digunakan untuk sintesis triasilgliserol. Suatu fosfolipid yang terdapat di mitokondria adalah kardiolipin (difosfatidilgliserol; Gambar 15-8). Senyawa ini dibentuk dari fosfatidilgliserol yang kemudian disintesis dari CDP-diasilgliscrol (Gambar 24-2) dan gliserol 3-fosfat sesuai dengan skema yang diperlihatkan di Gambar 24-3. Kardiolipin yang ditemukan di membran mitokondria bagian dalam, memiliki peranan kunci dalam struktur dan fungsi mitokondria, dan juga diperkirakan berperan dalam kematian sel terprogram (apoptosis). B. B IOSINTESIS G LISEROL E TER F OSFOLIPID
Jalur ini terdapat di peroksisom. Dihidroksiaseton fosfat adalah prekursor gugus fosfolipid gliserol pada gliserol eter (Gambar 24-4). Senyawa ini berikatan dengan asil-KoA untuk menghasilkan 1 -asildihidroksiaseton fosfat. Ikatan eter dibentuk pada reaksi berikutnya, dan menghasilkan 1 alkildihidroksiaseton fosfat yang kemudian diubah menjadi 1 alkilgliserol 3 -fosfat. Setelah asilasi selanjutnya di posisi 2, 1 -alki 1-2-asilgliserol 3-fosfat yang terbentuk (analog dengan fosfatidat di Gambar 24-2) dihidrolisis untuk menghasilkan turunan gliserol bebas. Plasmalogen yang membentuk sebagian besar fosfolipid di mitokondria dibentuk melalui desaturasi turunan 3-fosfoetanolamin analog (Gambar 24-4). P L A T E L E T A C T I VAT I N G FAC T O R (PAF), (faktor penggiat trombosit, 1 -alkil-2-asetil-j«-gliserol-3-fosfokolin) disintesis dari turunan 3 -fosfokolin. Senyawa ini dibentuk oleh
CDP-
sn-Gliserol 3-fosfat
Diasilgliserol
CMP Fosfatidilgliserol fosfat
H2O
Fosfatidilgliserol
CMP Kardiolipin (difosfatidilgliserol)
GAMBAR 24-3. Biosintesis kardiolipin.
1 1 Defisiensi Enzim PENYAKIT TAY-SACHS ; HEKSOSAMINIDASE A
Lipid yang , Gejala Klinis Ter»imbun
RETARDASI MENTAL, KEBUTAAN, KELEMAHAN OTOT.
CER-GLC-GAL(NEUAC); GALNAC GANGLIOSIDA GM7
PENYAKIT FABRY ; A-GALAKTOSIDASE
CER-GLC-GAL; GAL GLOBOTRIAOSILSERAMID
LEUKODISTROFI ; ARILSULFATASE A METAKROMATIK !
CER-GAL;0S03 3-SULFOGALAKTOSILSERAMID
PENYAKIT KRABBE ; P-GALAKTOSIDASE
CER; GAL GALAKTOSILSERAMID
PENYAKIT GAUCHER * FI-GLUKOSIDASE
CER; GLC GLUKOSILSERAMID
HATI DAN LIMPA MEMBESAR, EROSI TULANG PANJANG, RETARDASI MENTAL PADA BAYI.
PENYAKIT NIEMANN- ' SFINGOMIELINASE PICK
CER; P-KOLIN SFINGOMIELIN
HATI DAN LIMPA MEMBESAR, RETARDASI MENTAL; FATAL PADA USIA DINI.
PENYAKIT FARBER ; SERAMIDASE
ASIL; SFINGOSIN SERAMID
RUAM KULIT, GAGAL GINJAL (GEJALA LENGKAP HANYA PADA PRIA; RESESIF TERKAIT-KROMOSOM X). RETARDASI MENTAL DAN GANGGUAN PSIKOLOGIS PADA ORANG DEWASA; DEMIELINISASI: RETARDASI MENTAL; MIELIN HAMPIR TIDAK ADA.
SUARA SERAK, DERMATITIS, DEFORMASI TULANG, RETARDASI MENTAL, FATAL PADA USIA DINI.
BAB 24: METABOLISME ASILGLISEROL & SFINGOUPID / 221 220 / BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
222 / BAGIAN II: BIOENERGETIKA 4 METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
J jj clengia n H.-C-o-(CH.):-R; k / O HC-O-JCHJ.-R. -<----H,C—O—@—CH,-CH. -NH, I CDP-ETAHOLA.V.IN, Surfaktan paru yang terutama teuliri dat' I enCCgA beberapa protein dan nl J ^ C O C H ^ --------------R C O — C H ■ 3 w . R l cr l l,n& CH3 (CH2)12 CH2 CH2 C CH — H C - O - ® Fosfolipid dipalmitot ^ HO-OH Ikarbohidrat. FOSFOHIDROLASE . CH2—OH j | ’ ‘. sfotidilkolU kolapsnya alveolus. ALK1LASILGLISER0L 1 -Alkil-2-asilgliserol FOSFOETANOLAMI 1-Alkil-2-asilglisorol 3-fosfat NHN3* 3-fosfoetanolamin ^ TRANSFERASE 3-Ketosfinganin 1-Alkil-2-asilgliserol
menurunkan - CDP-kolin tegangan permukaan (.'■u/fac ^^ngi keryj pertemuan udara-cairan
NADPH + H*
NADPH, O, 3-KETOSFINGANIN DESATURASE Cyt
FOSFOLIPASE A |
HC
— OH-O ®- C - H
1 -Alkil-2-asilgliserol
Kolin
3-fosfokolin
1-Alkil-2-lisoglisorol 3-fosfokolin
R — CO — S — KoA
Asetil-KoA
• -in ja*™3”
Beberapa penyakit tertentu ditandai oleh ke a ^ penyakit- lipid-lipid ini di jaringan, terutama di jaiingan jornpok: (l'' penyakit ini dapat diklasifikasikan ASETILTRANSFERASE menjadi dua penyakit demielinisasi sejati dan (2) sfingolipk ^ penyukit Pada O H.C O (CH,)j —'R, sklerosis multipel, yaitu (terutama KoA — SH ' Y\ HjC— C — O — C — H demielinisasi terjadi pengurangan _ os ° l^^stanSia alba, plasmalogen etanolamin) CH3 — (CH2)12 — CH2— CH2— CH-CH -CH2~OH H,C —O-® dan sfingolipi c arl • .• alba mirip Oleh karena itu, komposisi lipid pada I s u s e r e b Kolin r o s p i n a l dengan komposisi pada substansia g< ISCljj all ‘ OH NH-CO-R 1 -Alkil-2-asetilgliserol 3-fosfokolin PAF Dihidroseramid memperlihatkan peningkatan kadai losfo ipic . adalah DIHIDROSERAMID Sfingolipidosis (penyakit penim unan ^ defek DESATURASE 2H sekelompok penyakit herediter yang <-1SC a j ^ s£ngosin. genetik katabolisme G a m b a r 2 4 - 4 . Biosintesis lipid eter, termasuk plasmalogen, dan faktor penggiat trombosit (PAF). Di j‘ 1*ur c*° novo un,u*< yang menganc u p jcelomp°k Kelompok penyakit ini adalah bagian t ari CH3 (PAF, CH2), CH-CH-CH2-di OHtahap*, dan menghindari dua tahap lipid 2-CH=CH-sintesis asetil-KoA bergabung terakhir di jalur yang diperlihatkan di sini. jjbatkan penyakit lisosom yang lebih luas serta mcm p beberapa gambaran tetap: (1) lerjadi penun ^ teratama kompleks yang mengandung seramid <-1 se ’ aSj dan 0 NH —CO —Ragregasi 5).diFosfolipase \ untuk 2 mengatalisis hidrolisis gliserofos sel darah dan jaringan lain serta OH menyebabkan sel neuron, danAmenyebabkan neuio e0
Asil-KoA "N
DIHIDROSFINGOSI N /VASILTRANSFERASE
banyak Seramid trombosit pada konsentrasi serendah 10“M mol/L. Senyawa ini G AMBAR 24-7. Biosintesis seramid. juga memiliki efek hipotensif dan ulserogenik serta berperan dalam berbagai respons biologis, termasuk peradangan, kemotaksis, dan fosforilasi protein.
F@sffo!lo[pcfse MemungkSirakan Penguraian A Seramid & Remodeling Fosffogliiseroll Sfingomielin Meskipun fosfolipid diuraikan secara aktif, namun masingFosfatidilkolin Diasilgliserol masing bagian molekul ini mengalami pergantian pada kecepatan yang berbeda-beda, misalnya waktu pergantian gugus fosfar berbeda dengan waktu penggantian gugus l- asil. Hal ini , pApcparsial disebabkan adanya UDPGal enzim UDP yang memungkinkan degradasi R qQ.V. y Galakto
^ fer^ST—^
HC-O-C-R, 'I HO-C-H
HO
O. II
(Cer-GIc)
membentuk asam lemak bebas dan lisofosfolipi ) ^ pada gilirannya mungkin direasilasi oleh asil-KoA ^8 keberadaan asiltransferase. Cara lainnya, lisofosfolipi lisolesitin) diserang oleh lisofosfolipase, yang mcm entu’ basa gliseril fosforil yang pada gilirannya dapat 'P00' ' oleh suatu hidrolase yang membebaskan gliserol 3-*« at dan basa. Fosfolipase A,, A2, B, C, dan D men)e j, ikatan yang ditunjukkan di Gambar 24-6. Fosfolipa* : ditemukan di cairan pankreas dan bisa ular serta di banyak jenis sel; fosfolipase C adalah salah satu toksin utama yang dikeluarkan oleh bakteri; dan fosfolipase D dikenal ter i at dalam transduksi sinyal mamalia. Lisolesitin (lisofosfatidilkolin) dapat dibentuk me 1 uj suatu rute alternatif yang melibatkan lesitin:kolestcr°
Biosintesis sfingomielin (A), galaktosilseramid
«**«*» m. (PAPS, "sulfa, akV adenosin 3-. (sulfatida) fosfat-5'-fosfosulfat.)
o HC-O-C-R, II • I R-C-O-C-H UDPGlc H C — O —® — Kolin UDP
♦ H' NADP' » AH C - O - (CH ), - R pengenalan—sci.H Beberapa diantar.un.» *l ^ terter.:v mis. substansi O - C - H golongan darah AB^X .rl (n'",s‘ uruv‘v H C -o-® @j REDUKTASE berfungsi sebagai reseptor untuk toksin l^njlil sJ®*
O R, - (CH.), - OH
CH 3 (CH2)14 C — S — KoA Palmitoil-H,C — 0 — C — R, o=c H COH
NADPH
NH,
+
H.C-O-® — Kolin Asil-KoA
asiltransferase (LCAT). Enzim ini yang ditemukan di plasma, mengatalisis pemindahan satu- R E S I D U asam lemak METABOLISME ASILGLISEROL & SFINGOUPID / 223 dari BAB posisi24:kedua lesitin ke kolesterol untuk membentuk ester kolesteril dan lisolesitin serta dianggap menentukan CMP-NeuAc UDP sebagian besar ester kolesteril dalam CMP lipoprotein plasma. Asam lemak jenuh rantai- panjang ditemukan terutama di posisi 1 fosfolipid, sedangkan asam tak-jenuh ganda (mis. Cer-Glc-Gal I prekursor prostaglandin) lebih sering bergabung dengan NeuAc M3) posisi 2. Masuknya asam lemak ke dalam lesitin(Gterjadi melalui sintesis lengkap fosfolipid, melalui transasilasi antara ester kolesteril dan lisolesitin, dan melalui asilasi UDP-N-asetil langsung lisolesitin oleh asil-KoA. galaktosamin Oleh karena itu, dapat terjadi pertukaran asam lemak secara terus menerus, terutama dalam kaitannya dengan masuknya asam J lemak UDP UDPGal esensial ke dalam molekul fosfolipid. UDP ->■
Lisofosfatidilkolin (lisolesitin)
W
SEMUA SFINGOUPID DIBENTUK Cer-Glc-Gal-GalNAc I I DARI NeuAc SERAMID NeuAc LISOFOSFOLIPASE G (GMi) ( M2 ) dari Seramid (seramida) disintesis di retikulum endoplasma J, asam amino serin sesuai Gambar 24-7. Seramid adalah R — COOH Carrtb 'ar 24-9. Biosintesis gangliosida. (NeuAc, asam N-asetilneuraminat.) molekul penyalur sinyal penting ( S E C O N D M E S S E N G E R ) H .C yang mengatur berbagai jalur termasuk kematian sel OH mc dalam (apoptosis), penelitian. Beberapa contoh penimbunan lipid mendcknya masa hidup. (2) Laju sintesis lipid masih terprogram siklus sel, serta penyakit diferensiasi dan n HO-C-H yang penting disajikan di Tabel 24-1. °rmal. (3) Defek enzimatik terletak di jalur penguraian penuaan sel. s Defi siensi multipel f*ngolipid di lisosom. (4)HIC-O—®ingkat penurunan aktivitas Cnz,m Kolin Sfingomielin (Gambarsulfatase 15-11) adalah fosfolipid dan menyebabkan penimbun an sulfogalaktosilseramid, steroid sulfat, dan yang terkena sama di semua jaringan. Belum ada Pengobatan dibentuk ketika seramid bereaksi dengan fosfatidilkolin untuk Gliserilfosfokolin " N proteoglikan akibatdan defisiensi kombinasi arilsulfatase yang efektif untuk sejumlah besar penyakit ini, Hieskipun membentuk sfingomielin diasilgliserol (Gambar 24-8A).A, B, dan GLISERILFOSFOKOLIN HO HIDROLASE serta steroid sulfatase. pernah dilaporkan keberhasilan penerapan terapi Pcn8 gantian Hal iniCterutama terjadi di aparatus Golgi dan dalam tingkatan (terapi sulih) enzim dan transplantasi sumsum tulang pada yang lebih kecil di membran plasma. RINGKASAN penyakit Gaucher dan Fabry. Pendekatan lain yang menjanjikan adalah terapi pengurangan substrat untuk menghambat sintesis Glikosfingolipid Adalah Kombinasi Seramid C-OH • Triasilgliserol adalah lipid utama untuk menyimpan energi, sfingolipid dan terapi C H A P E R O N E kimiawi. Terapi gen untuk dengan Satu atau Lebih Residu Gula sfingomielin, dan sedangkan fosfogliserol, HO-Cpenyakit lisosom juga sedang H Glikosfingolipid yang paling sederhana (serebrosida) adalah Kolin galaktosilseramid (GalCer) dan glukosilseramid (GlcCer). Tabel 24-1. Contoh sfingolipidosis. GalCer adalah lipid utama pada mielin, sedangkan GlcSer G a m b a r 2 4 - 5 - Metabolisme fosfatidilkolin (lesitin). adalah glikosfingolipid utama pada jaringan di luar saraf serta prekursor sebagian besar glikosfingolipid yang lebih kompleks. GalCer (Gambar 24-8B) dibentuk dalam suatu reaksi antara seramid dan UDPGal (dibentuk melalui epimerisasi UDP Glc— Gambar 21 -6 ). Sulfogalaktosilseramid dan sulfolipid lain, misalnya sulfo(galakto)-gliserolipid dan steroid sulfat dibentuk setelah reaksi-reaksi lebih lanjut yang melibatkin 3 ’fosfoadenosin-5 ’-fosfosulfat (PAPS; “sulfat aktif”) Galgliosida disintesis dari seramid melalui penambahan bertahap gula-gula aktif (mis. UDPGlc dan UDPGal) dan asam sialat, biasanya asamAT-asetd-neuraminat (Gambar 24-9). Seium- besar fn8',OS,dac faPat *"tuk dengan berat molekul yang semakin besar Sebagian besar enzim yang memindahkan gula dar, gula nukleotida (gl.kosil transferase) ditemukan di aparatus Golgi. Glikosfingolipid adalah unsur pokok lembar luar membran pada Gambar 24-6. Tempat-tempat aktivitas hidrolitik fosfolipase plasma dan penting dalam perlekatan sel dan Gangliosida yang
HO -v
lebih tinggi a■ (disialo- dan trisialo-gangliosida)
substrat fosfolipid.
Cer-Glc-Gal-GalNAc-Gal
•NeuAc, asam A/-asetilneuraminat; Cer, seramid; Glc, glukosa; Gal, galaktosa. , tempat defisiensi reaksi enzim.
BAB 25: PENGANGKUTAN & PENYIMPANAN LIPID / 227
/ BAGIAN Ik BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & UPID 224 / BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
226
heredir^
protein pengangkut asam lemak membran yang bekerja sebagai kotransporter rransmembran bersama Na\ Ketika memasuki sitosol, asam lemak bebas diikat oleh protein pengikat asam leniak intrasel. Peran protein golongan ini dalam transpor intrasel diperkirakan serupa dengan peran albumin scrum dalam transpor ekstrasel asam lemak rantai-
Pengangkutan & Penyimpanan Lipid i Apoprotein ponter (mis apo C)
CnRUrai,
il
S *'P * list»M»ni akibat det^
cnz, glikosfingolipid bersifat amfipatik dan memiliki fungsi m-cnzim hidrolase). Tabel 25-1. Komposisi lipoprotein dalam plasma manusia. struktural di membran sel serta peran khusus lainnya. R£ F Komposisi • Triasilgliserol dan beberapa fosfogliserol disintesis ERENSI Apolipoprottin i — -'<*■•-*-........... melalui asilasi progresif gliserol 3-fosfat. Jalur ini Protein ; Lipid Komponen (%) Densitas McPhail [r.(%) Lipid Utama in signal ,ra sduccion Garis Lipoprotein ; Sumber bercabang di fosfatidat, yang membentuk fosfolipid . " - Vancc nr: Pl,P°Prolr">*. (g/mL) tengah and Membranes, *»th cvi inositol dan kardiolipin di satu pihak serta triasilgliserol A-l A ll, A-IV1, WS (nm) Merrill Af-f1-2 ’• " j 98-99 ' >- Elsevier, 2002. j Triasilgliserol dan fosfolipid etanolamin dan kolin di pihak lain Ol. C-ll, C in. E K S l,in S I G N ; I L J N F , I T, '* P B»l*P*ds: mecabolism c*| 90-1000 (PAF)<0,95 ; penggiat trombosit »Kilomikron Plasmalogen danj Usus faktor adalah Membra^ 4 T /Ww'/"'r>’ °f *■&*. Upop"**" B-48, E ancc Va ’• 92-94; Triasilgliserol, ”cc JE (Eds.). fosfolipid eter yang dibentuk dari dihidroksiaseton ; 2002. 6-8 45-150; <1,006 Sisafosfat Kilomikron : fosfolipid, Meyer KC 7' kilomikron ; ^p > t'"ln’CrmanJJ: ; ; kolesterol ° Sfingolipid dibentuk dari seramid (/V-asilsfingosin). and surfaciant. Pacdu„* l a R B-100, C-l, C*««.SM^ OO;,,30Triasilgliserol Sfingomielin terdapat di membran organel0,95-1,006 yang 7-10™-; i 90-93■ X. ,atclcI act,va VLDL 30-90 ; Hati (usus) V I AT O R S A ' ' *«ng factor and related lip^ berperan dalam proses sekresi (mis. aparatus Golgi). ll,_C4T B-100, E ”i RcV 89B,Hchcm 2000:69;4 Ruvolo pp. jntr ,,U1 I 9. Triasilgliserol, IDL 1,006-1,019 • 11 cc Glikosfingolipid : VLDLyang paling sederhana adalah ramidc ,^U*ar s'8nal transduction ; kolesterolpathways activated K 25-35 rs): kombinasi seramid dan satu residu gula (mis. GalCer di B-100 ................. Scrivcr CR . , mctabo,itcs - Pharmacol Rcs 2003:47:383. hherited.n 79 1 Kolesterol 'l,019-l,063 A-l’ A-l I, A-IV, CA, lhe21 LDL mielin). Gangliosida VLDL adalah glikosfingolipid yang lebih Metabolic an,/ Molecular Bases ,, • Fosfolipid, 20-25 C-ll, c-lll. D*. E HDL kompleks dan mengandung lebih banyak 8 Cd McGraw residu gula dan Vancc DE p^T ' -Hill, 2001 . 68 * kolesterol I Hati, usus, 1,019-1,063 32 HDL, biosynthesis i„ ,,lk;lryoKs. D** asam sialat. Senyawa-senyawa ini terdapat di lapisan I VLDL, V ancc DP v’ L,67 l,°P: rotenu “>"1 Membranes, *1ch ^ 20-25 1,063-1,125 : 33 HDL, luar membran plasma, tempat gangliosida ini ikut (Eds ) Kls i kilomikron Echttn C c 43 -: " "- 2002. membentuk glikokaliks dan penting 10-20 sebagai antigen dan HDL, 1,125-1,210 : to57 pologv J' °. K' C’;,n8,los'dc metabolism. Enzymol^. ( rcgulation. 5-10 reseptor3 sel. J Biol Clicin I 993:268:534 1 • A-l Prap-HDL >1 * 2 1 0 <5 ° Fosfolipid dan sfingolipid berperan dalam beberapa proses >1,281 ; 99 • Asam lemak penyakit, termasuk pernapasan pada Albumin/asam • Jaringan sindrom distres ; bebas bayi (ketiadaan surfaktan paru), sklerosis multipel 1 DL, /oiv-denstv (demielinisasi), dan sfingolipidosis (ketidakmampuan 11 \ ______________________________; ---------— " "~ lsilt,s st.dang>;
Kolesterol
(
bebas
Fosfolipid
_________________)
Kathleen M. Botham, PhD, DSc & Peter A. Mayes, PhD, DSc Ester
panjang.
kolesteril
TRIASILGLISEROL DIANGKUT DARI DALAM BENTUK KILOMIKRON & DARI HATI DALAM BENTUK LIPID DIANGKUT BERDENSITAS DI DALAM PLASMA LIPOPROTEIN SEBAGAIRENDAH LIPOPROTEIN SANGAT
Triasilgliserol
a Cc ,h (F ds
INTERMEDIATE-DENSILY LIPOPROTEIN HIGH-DENSILY LIPOPROTEIN LIPOPMTCIN LIPOPROTEIN VERY LOW P. lemak bebas adiposa
_________________________________
*
. • i r,i„n«;it-is rendah); IDL,
(lipoprotein here c nsi . Singkatan: HDL. (lipoprotein l)« rde (lipoprotein berdensitas sangat rendah) (lipoprotein berdensitas rendah); VLDL, 'Disekresikan bersama kilomikron tetapi dipindahkan ke HDL. -Berkaitan dengan o<>; ivunn 6 1 subfraksi HDL, dan HDL, bentuk apo B yang
SuatuT* '- ^ei-diri dari Inti Nonpolar & a posain Permukaan Lipid Amfipatik
estorlT I noi\P°^ar terutama terdiri dari triasilgliserol dan T Z\ Serta dikclil i"gi oleh satu lapisan permukaan
di
disintesis
NT
MoS sehingga guo-us Jl mem,lllti onentasi ^demikian rupa pir b , polarnya menghadap ke luar ke medium naHx n rt'membran sel (Bab 15). Gugus protein apoproteiPr0te'h Seba8 ai «poKpop»o«ein atau HDL daThany^lvT.^"^ hampir ? ° % d*r‘ Sebagia" bersifat integral ° k .7'nikron- Sebagian apohpoprotein
x.". y. M. «*,
terpotong (B-48) yang disintesis usus, sementara B-100 di hati. Apo adalah salah satu rantai polipeptida tunggal yang diketahui paling panjang, dan memiliki 4536 asam amino dan massa molekul Da. Apo B-48 (48% dibentuk dari mRNA yang sama seperti B-100 setelah introduksi sebuah sinyal perhentian oleh suatu enzim RNA. Apo C-l, C-II, dan C-I1I adalah polipeptida yang lebih kecil (massa molekul Da) yang bebas dipindahkan dari satu ke lipoprotein lain. Apo E ditemukan di VLD1, HDL, kilomikron, dan sisa kilomikron; pada orang normal, apo-E membentuk apolipoprotein VLDL total. Apolipoprotein melakukan beberapa peran: (1) dapat membentuk sebagian struktur lipoprotein, mis. apo B; (-) kofaktor enzim, mis. C-ll untuk lipoprotein lipase, A-l untuk lesitin:kolesterol asiltransferase, atau inhibitor enzim, misalnya apo A-II dan apo C-II I untuk lipoprotein hpasc, apo C-I untuk protein pengangkut ester kolesteril; dan (.•>) berfungsi sebagai ligan untuk interaksi dengan reseptor lipoprotein di jaringan, misalnya apo B-100 dan apo 1’ untuk reseptor LDL, apo E untuk protein terkait-reseptor LDL (.L DL R E C E P T O R R E L A T E D , P R O T E I N , LRP) yang diidentifikasi sebagai reseptor sisa, dan apo A-I untuk reseptor HDL.
St£izr‘
setiap lipopiotein terdapat satu atau lebih apohpoprotein (protem atau polipeptida). Apohpoprotein utama pada HDL (cxlipoprotein) disebut A (Tabel 25-1 ). Apolipoprotein utama pada LDL ([3-lipoprotein) adalah apolipoprotein B (B-100) yang juga ditemukan pada V1.DL. Kilomikron mengandung
550.000
B-100
B-100)
penyunting
7.000-9.000
lipoprotein
5-10%
25
BIOMEDIS Inti torutaina
USUS
nonpolar ^-ernak ( FAT ) yang diserap dari makanan dan lipidlipid yang di sintesis Berdasarkan definisi, KILOMIKRON ditemukan dalam KILUS Dalam Lipoprotein Terdapat Empat oleh hati dan jaringan adiposa harus diangkut ke berbagai jaringan yang hanya dibentuk oleh sistem limfe yang MENGALIRI Kelas Utama Lipid dan organ untuk digunakan dan disim- Pan. Karena lipid tidak Apoprotei USUS. Kilomikron bcrtanggung jawab mengangkut semua Lapisan tunggal terutama an Lipid plasma terdiri dari triasilgliserol ( 16%), fosfolipid larut di dalam lipid dalam plasma n air, masalah cara peng- gkutan lipid amfipatik lipid dari makanan kc dalam sirkulasi. Sejumlah kecil integral (mis. (30%), kolesterol (14%), dan ester kolesteril (36 %) darah yang berbahan dasar air, ^•pecahkan dengan cara VLDL juga ditemukan dalam kilus. Namun, sebagian besar apo B) c serta sedikit asam lemak rantai-panjang rak-teres ter ifikasi (asam menggabungkan lipid nonpolar ( riasilgliscrol dan ester kolesteril) VLDL plasma berasal dari hati. VLDL ADALAH KENDARAAN G a m b a r 25-7. Struktur umum lipoprotein plasma. Tampak lemak bebas, FFA) (4%). Fraksi yang terakhir ini, asam lemak dengan lipid amfipatik (fosfolipid dan kolesterol) serta protein UNTUK MENGANGKUT TRIASILGLISEROL DARI HATI KE kemiripan dengan struktur membran plasma. Sejumlah kecil ester bcbas (FFA), secara metabolik adalah lemak plasma yang paling untuk menghasilkan lipoprotein yang dapat bercampur dengan air. JARINGAN kolesteril dan triasilgliserol rlapat ditemukan di lapisan permukaan aktif. Pada omnivora pemakan daging seperti manusia, kele bihan dan sedikit kolesterol bebas di bagian inti. ekstrahepatik. kalori diserap ke dalam fase anabolik siklus makan, yang diikuti Terdapat kemiripan yang mencolok dalam mekanisme •i ^lob Terdapat kemiripan yang -------------------apo A-IV dankalori apo D negatif masih belum diketahui pasti oleh Namun, periode lungsi keseimbangan ketika organisme sel usus dan VLDL oleh sel Empat Kelompok Utama pembentukan kilomikron oleh sel usus dan VLDL oleh sel menggunakan karbohidrat dan lemaknya. Lipoprotein meskipun simpanan apo D diperkirakan merupakan faktor penting dalam Lipoprotein m parenkim hati Plasma (Gambar Telah 25-2), mungktn karena-selatn memerantarai siklus ini dengan engangkut lipid dari usus sebagai penyakit neurodegcneratif manusia. Diketahui kelenjar mamaria—usus dan hati adalah satu-satunya jaringan kilomikron—dan dari hati sebagai lipoprotein berdensitas sangat menyekresikan lipid dalam bentuk part,kel. VLDL rendah ( V E R Y L O W density lipoproteins, VLDL)—ke sebagian besar Karena lemak kurang padat daripada air, berat jenis (densicas) dan kilomikron yang baru disekresikan atau N A S C E N T hanya CEPATadiposa untuk disim- pan. jaringanASAM untuk diLEMAK oksidasi BEBAS dan kc jaringan lipoprotein menurun seiring dengan peningkatan proporsi lipid mengandung sedikit apolipoprotein C dan E dan bentuk Lipid dimobilisasi dari jaringan adiposa sebagai asam lemak bebas terhadap protein (Tabel 25-1). Empat kelompok utama lipoprotein DIMETABOLISME utuhnya diperoleh dari HDL di dalam s.rkulas, (Gambar ( F R E E Asam FAT T Y A C I D S , FFA) yang melekat pada al bumin serum. lemak bebas (M*A, asam lemak tak-teresterifikasi) yang penting sccara fisiologis dan penting dalam diagnosis klinis 25 3 dan 25-4). Apo B sangat penting untuk membentuk Kelainandalam metabolisme lipoprotein menye babkan berbagaidi hipoplasma berasal dari lipolisis triasilgliserol jaringan telah berhasil diketahui. Keempatnya adalah kilomikron yang dan berasal VLDL. dari Pada abctalipoproteinemia atau hiperlipoproteinemia. Yang tcrsering adalah(1) kilomikron penyerapan triasilgliserol (suatu dan lipid adiposa atau sebagai hasil kerja lipoprotein lipase sewaktu nenyakit yang jarang ditemukan) tidak terbentuk lipoprotem diabetes melitus; pada penyakit ini, terjadi defisiensi insulin di usus; (2 ) lipoprotein berdensitas sangat rendah (very-low penyerapan triasilgliserol plasma kc dalam jaringan ber- lainyang mengandung apo B dan terjadi pen.mbunan but.ran yang menyebabkan mobilisasi FFA sccara berlebihan dibarengi langsung. FI-A ditemukan berikatan dengan albumin, density lipoproteins, Vl.DL, atau pra-fS- lipoprotcin) yang berasal rendahnya pemanfaatan kilomikron dan VLDL sehingga terjadi usus dan hati. hati untuk ekspor triasilgliserol; ( 3 ) lipoprotein berdensitas suatu pelarut yang sangat efektif dalam kadar yang berva- dari di hipertriasilgliserol- emia. Sebagian besar kondisi rendah ( low density lipoprotein LDL, atau (3 -lipoprotein) Di bawah ini, faktor-faktor yang mengendalikan sekresi yang riasi antara 0,1 sampai 0,2 peq/mL plasma. Kadarnya akan patologis lain yang mengenai transpor lipid terutama disebabkan menggambarkan suatu tahap akhir metabolisme VLDL; dan (4) rendah pada keadaan kenyang dan meningkat menjadi VLDL hati dibahas secara lebih rmci. oleh kelainan bawaan yang sebagian di antaranya menyebabkan lipoprotein berdensitas tinggi (high density lipoprotein , HDL, atau a0 ,7 -0,8 |.ieq/mL pada keadaan kelaparan. Pada diabetes hiperkolesterol- emia dan aterosklerosis prematur. KILOMIKRON & LIPOPROTEIN lipoprotein) yang berperan dalam transpor kolesterol dan pada melitus tak-terkontrol, kadar tersebut dapat meningkat Obesitas —terutama obesitas abdomen—adalah faktor risiko BERDENSITAS SANGAT RENDAH Triasilgliserol adalah lipid metabolisme VLDL dan kilomikron. hingga 2 pcq/mL. peningkatan morhipertensi, melitus dari tipe darah 2, utamaCEPAT pada DIKATABOUSME kilomikron dan VLDL, sedangkan kolesterol dan Asamtalitas, lemak bebas sangatdiabetes cepat dikeluarkan hiperlipidemia, hiperglikemia, dan berbagai disfungsi fosfolipid masing-masing adalahdari lipid utama pada LDL dandengan HDL dan dioksidasi (memenuhi 25-50% kebutuhan energi pada PEMBERSIHAN kilomikron darah berlangsung ccpat, endokrin. 25-1). Lipoprotein dapat dipisahkan berdasarkan sifat-sifat keadaan kelaparan) atau diesterifikasi untuk membentuk (Tabelwaktu paruh eliminasi kurang dari 1 jam pada manusia. Partikel yang menjadi -a, -(3, dan pra -lipoprotein-p. triasilgliserol di jaringan. Pada keadaan kelaparan, lipid elektroforetiknya lebih besar dikatabolisme lebih cepat daripada partikel yang lebih kecil. teresterifikasi dari sirkulasi atau di jaringan juga akan Asam-asam lemak yang berasal dari triasilgliserol kilomikron terutama dioksidasi, terutama di sel otot rangka dan jantung, tempat disalurkan ke jaringan adiposa, jantung, dan otot (80%), sementara simpanan lipid banyak ditemukan. sekitar 20% menuju hati. Namun, HATI TIDAK MEMETABOLISME yang
lipid
,
Penyerapan asam lemak bebas oleh jaringan, berkaitan
langsung dengan kadar asam lemak bebas di dalam plasma, yang selanjutnya ditentukan oleh laju lipolisis di jaringan adiposa. Setelah disosiasi kompleks asam lemak-albumin di membran plasma, asam lemak kemudian berikatan dengan 225
KILOMIKRON ATAU VLDL SECARA SIGNIFIKAN; oleh karena itu, asam lemak di hati berasal dari metabolismenya di jaringan
ekstrahepatik.
BAB 25: PENGANGKUTAN & PENYIMPANAN LIPID / 229
228/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & UPID
apolipoprotein E; HDL, lipoprotein berdensitas tinggi; TG, triasilgliserol; C, kolesterol dan ester kolesteril, , fos olipid, HL, 'ipase hati; LRP, protein terkait-rescptor LDL). Hanya lipid-lipid predominan yang diperlihatkan.
I HL DIMETABOLISM Dredomuiciii 0
limfe yang mengalir ke duktus torasikus
Pembuluh
Kapiler darah
Lumen sinusoid darah
>nc « ‘
I IM kilomikron oleh sebuah sel usus clan (B) lipoprotein Herdcnsitns sanga 2 Gambar 25- »* - Pembentukan dan se rkasar; SER, retikulum endoplasma halus; G, badan Golgi; N. nu oleh sebuah sel hati. (RER, retikulum e ^ dote|. $D, ruang Disse, mengandung plasma darah). Apolipop r‘)U‘in ' j triasilgliserol. Setelah ponanibanai kilomikron; VLDL, lipoprotein bendens' , ,^ 'sin esis di RER, bergabung dengan lipoprotein cii acr\, « Ci„ri ................ ^ ar o idrat di G, zat ini dibebaskan dari sel melalui proses pinositosis terbilik G 3 am sis,e,T > limfe. VLDL disekresikan ke dalam ruang Disse dan kemudhn l r('.V('rse pinoi ytosis). Kilomikron
"I'""- - • berdiameter sekitar separuh diameter kilomikron relatif kaya akan ester kolesteril dan kolestero karena berkurangnya triasilgliserol (Gambar 25-3). Peruba ian terjadi pada VLDL, disertai pembentukan sisa VLDL IDL (lipoprotein berdensitas sedang) (Gambar 25-4).
c
terbentuk
l
induk
h
sfR tempat utama smtes s
C
serupa atau
" 0 dalam sinusoid h.iti mol.ilui fenestra
lapisan endotel.
oleh Liponral
Kil
25-3 dan 25-4). r : <^,'anS^ut ke dalam jaringan (Gambar rendah Untuk P°protcin lipase hati memiliki Km yang 1
°™ikr°n & VLDL Dihidrolisis
HIPILER darah, d dindi S meleCp^ 11 ^ 6 ' " * yang sulfat ya
^a.d^rnTSa>lim.Pa'
tidak
aktif
pacfa
^ar
mamar
^dalam
ditemukan di
paru, medula GINJAL, aorta, keadaan laktasi, namun
TIDAK DITEMUKA'N I ^ °ran® dewasa. ENZIM ini NORMALNYA HEPARIN, TERJADI *' ^ dara^’ namun, setelah penyuntikan dengan hepar-m ^T^basan Apoprotein lipase dari IKATANNYA padapermuk * ^ ^ da^am sirkulasi. LIPASE HATI terikat NAMUN, cozim” S,nUso*d se^ ^latl dan dibebaskan oleh heparin, HDL VLDI dan sisamikilomikron. atau - niudah bereaksi DENGAN KILOMIKRON SFOLIPID dengan metabolisme 'L DAN SISAberhubungan kofaktor untukmaup aktivitas lipoprotein lipase, seme — - . °Iipid maupun apo C-II diperlukan sebagai A-II dan apo ltuk C-IIIaktivitas berfungsiI sebagai inhibitor. Hidrolisis AA1 d sementa a ap an aPo C_irr u c . !' ° berlangsung sewaktu lipoprotein 3o C-III berfu melekat pada cnz.m d. endotel. TRIASILGLISEROL ' sewaktu lip< mengalami hidrolisis secaia pi ogres
•>—I dan akhirnya
asilgliserol meng
diasilgliserol
menjadi
asam lemak bebas dan ini kembali ke dalam sirkulasi, me e
'S^sarn
monoasi
8
gliserol.
Sebagian
a
Hati Berperan Menyerap Lipoprotein Sisa -- I—
yaitu sekitar sepersepulul, - J:'->osa.
Poprotem Lipase
LNI
gliserol,
lemak
bcbas
^
albumin,
'" W U N G K I N K A N J , enz,m d 1 jaringan adiposa. *— ar * jaringan ad- ''n c,]lak dari triasilgliserol dialihkan kadar kelaparan CC
triasiM-
*
CCj antUn
g
pada
Hal ini
keadaan
serupa di kelenjar Ir,g l&Cr?* p,asma menurun. Pengalihan yang roemungkinkan*0131"'3 rcr^adl sewaktu masa menyusui JPoprotein untuk ^Cnycrapan asam LEMAK triasilgliserol le>L berperan p nitmProduksi lemak susu. Reseptor TNASI GLISEROL
VLDi j1^ ^a^ani Penyahiran asam lemak dari
an nicr
nbawanya |, ,C adiPosit denga n me ngikat VLDI
jaringan 1 adip0sa> j ‘ °ntak dengan lipoprotein lipase. Di ipase di D A L A I N A D I ^"" nicningkatkan sintesis lipoprotein Um, nal
. endotel kapii*'1 ^ permukaan * E R I ° UPoprotei„ , •
Cranslol
Apoprotein SisQ Pase Membentuk
dan
Sisa kilomikron diserap oleh hati melalui endositosis yang diperantarai oleh reseptor, dan ester kolesteril serta triasilgliserol dihidrolisis dan dimetabolisme. Penyerapannya diperantarai oleh apo E (Gambar 25-3), melalui dua reseptor dependcn-apo E, reseptor LDL (apo B-100, dan LRP Lipase hati memiliki peranan ganda: (1 ) berfungsi sebagai ligan untuk mempermudah penyerapan sisa dan (2 ) menghidrolisis fosfolipid dan triasilgliserol sisa. Setelah di metabolisme menjadi IDL, VLDL dapat diserap oleh hati secara langsung melalui reseptor LDL (apo B100, E), atau dapat diubah menjadi LDL. Hanya terdapat satu molekul apo B-100 di masing-masing partikel lipoprotein ini, dan hal ini dipertahankan selama transformasi. Oleh karena itu, setiap partikel LDL berasal dari satu partikel VL.DL prekursor (Gambar 25-4). Pada manusia, cukup banyak IDL yang membentuk L,DL dan merupakan penyebab meningkatnya kadar LDL pada manusia dibandingkan pada hewan mamalia lainnya. E)
(protein terkait reseptor-LDL).
LDL DIMETABOLISME MELALUI RESEPTOR LDL Hati dan banyak jaringan ekstrahepatik mengekspresikan LDL B-100, E). Reseptor ini dinamai demikian karena spesifik untuk apo B-100, tetapi tidak untuk R 48 yang tidak memiliki domain termmal karboksil B-100 yang mengandung ligan reseptor LDL dan juga menyerap lipoprotein yang kaya akan apo E. Pada h.perkolesterolem.a reseptor ini terganggu. Sekitar 30% LDL diuraikan I" ringan eLrahepatik dan 70% di hati. Terdapat korelasi 'itif antara insidens koroner dan kadar LDL plasma. Untuk pernbahasan lebih lanjut mengenai reseptor LDL, lihat Bab 26. mengenai pengam— -. - - -« *irTAnr reseptor
(apo
familial
aterosklerosis
kolesterol
pengaturan
HDL IKUT SERTA DALAM METABOLISME UPOPROTEIN TRIASILGLISEROL & KOLESTEROL HDL disintesis dan disekresikan dari hati dan usus (Gambar 255).- Namun, apo C dan apo E disintesis di hati dan d‘ indahkan dari HDL hati ke HDL. usus ketika HDL usus inf memasuki plasma. Fungsi utama HDL adalah sebagai tempat penyimpanan apo C dan apo E yang dibutuhkan dalam metabolisme kilomikron dan VLDL. HDL N A S C E N T terdiri dari lapis-ganda fosfolipid diskoid yang mengandung apo A dan kolesterol bebas. Lipoprotein ini serupa dengan partikel yang ditemukan di dalam plasma pasien dengan
BAB 25: PENGANGKUTAN & PENYIMPANAN UPID /
Lapis-ganda fosfolipid
/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & UPID 2OU
/
-
Usus halus
VLDL
nasce nt
Kolesterol empedu dan asam empedu
VLDL JARINGAN STRAHEPATIK
Reseptor LDL (apo B-100, E) i IPPPRQTEIN LIPASE
Asam lemak
B-100
Kolesterol
Asam
IDL (Sisa VLDL)
Destruksi terakhir di hati, jaringan ekstrahati (mis. limfosit, fibroblas) melalui endositosis Gambar
Reseptor LDL (apo B-100, E)
Gliserol
JARINGAN EKSTRAHATI
A\
11
rend*
2 5 - 4 . Nasib lipoprotein berdensitas sangat rendah (VLDL) secara motihniiu i i ■ • r • i n A:a oli
lriasHgHseroMDL | P P°P
ro,ein
10
<
U
'
a m b a r 2 5 - 5 . Metabolisme lipoprotein berdensiwi asiltransferase; C, kolesterol; CE, ester kolesteril; PL, fosfolipi , G
B' ® ^po'iwrolein C; E, apolipopS
Sebagln !DL
^
>ip>d predomi yang
' ***
P
b i n d i n g
MriLtf°,d,T,a,Ui kerja LCAT* mcnerima kolesterol
diester
defisiensi enzim plasma lesitin:lcolesterol^^ruktif. (LCAT) dan di dalam plasma pasien lkter LCIAT—dan aktivator LCAT apo A-l- berikatan dengan partikel diskoid, dan fosfolipid permukaan sert. bebas diubah menjadi ester kolesteril dan UsolesmnJBab 24). Ester kolesteril nonpolar bergeia< mC^ j,so\esitin interior hidrofobik dari lapis-ganda, sement. terbentuk dipindahkan ke albumin plasma. Oleh Membentuk HDL bagian inti vana nnnnnlar. van^ I
Untu
bagian inti yang nonpolar, yang permukaan pseudomisel sferis yang dibungkus ole P rncmperrnudah lipid polar dan apolipoprotein. Hal mi esterifikasi pengeluaran kelebihan kolesterol yanS U berikut. C U I S S dari lipoprotein dan jaringan seperti dije as a B S C A V E N G E R R E C E P T O R B1 (SR-B1; ““Pj" ^ peranan Bl) diidentifikasi sebagai reseptor HD iarinean ganda dalam metabolisme HDL. Di hat, dan d p g ■ii • • •i/.or HDL melalui apo steroidogemk, reseptor mi mengikat meskipun dan ester kolesteril secara selektif disalur
SR_Bl dan ko,esrer0, kcmud an
!
k me ml ^CAl, yang memperbesar ukuran partikel
kemudian TerrtUk| ^ ku™S HDL, ^ektif ester lr . al1’ baik s«elah penyaluran hi drolisis rri-, °I T . , had mda,l|i SR-BI atau melalui hati-Pertuk-, Sl 8'S FOSFOLIPID HDL, oleh lipase HDL
(GAMBARN25NSTAAHDAL2,DLAN HDL> INI ~DISEBUT SIKIUS ,ni dan
memh . se
1
membentuk
ifikiolerLCAT
konstituen permukaan surplus, misalnya fosfolipi a apo A-l yanK dibebaskan sewaktu hidrolisis kdomi ro clan VLDL serta ikut membentuk praP-HDL dan
prafi-HDL setelah berikaenn dengan
HDL
anggota
yang menggabungkan
artikel YJN
*P
S yangkemudhn R k'u’
•plasma pada wanita.
disintesis di hati de novo atau dari penyerapan • kolesterol disintesis dilipoprotein hati de no’"' dari26). peny (Bab (2) Hati secara aktif membentuk dan mengoksidasi asam lemak (Bab 22 dan 23) dan juga membentuk triasilgliserol dan fosfolipid (Bab 24). (3) Hati mengubah asam lemak menjadi badan keton (ketogenesis) (Bab 22). (4) Hati merupakan bagian integral dari sintesis dan metabolisme lipoprotein plasma (bab ini).
ma
=*l-balik dengan kadar
a secaralan8 ns d
iip2r.£ H ;
r'
apolipoprotein
semua berkaitan
bersama-sama
makanan.
HDL
satu
plasma atau
bertanggung
hewan
ini
satu-satunya
lipoprotein dari
darah
kaya
adalah adalah
lebih
jawab
yang a
apo komp
°
^
• uk
siklus
meta
dalam
p
kompleks pengangkutan lipid plasma.
c . . , t - o m a beril<
" P™P-
‘aP'™L adala1' bentuk paling potcr, timb
dan
dalam
TRANSPOR & METABOLISME LIPID
m,sal ya
(GAMBAR 25-5) P R ZN! !'DL' MDAL“I HDL DISKOID HDL yane mp • Kadar HDH •' ko,ester°l dari jaringan. triasilgliserol T"'
saling
akibat
di
^
naktivi
-
P • HAL im mungkin disebabkan oleh
I KMIM5PUK n-----------Hati melaksanakan fungsi-fungsi utama berikut dalam metabolisme lipid: (1) Hati mempermudah pencernaan clan penyerapan lipid dengan menghasilkan yang mengandung kolesterol dan garam empedu yang empedu
L
r hUL2
HATI BERPERAN SENTRAL DALAM
substrat dimr A Pen8,katan suatu substrat sehuigg-, cenderune m .'Pmtk,hkan mcl‘ntasi membran. ABCAl eStero1 dari sel k
ditemukan
hiperkolesterolemik
yang
^drolisis ATP,!"1rga"8kut ^an8
(HDL)
kolesterol, Tampaknya,
' penting KEDUA untuk cassettetram*™™ '<0,cstcro, ^libatkanATP-binding dari famili f°"e'AJ (ABCAI)-ABCA1 adalnh
"g meSr; , °! HDL atau apo A-l
^ || O ' ( 251 Konstituen permukaan suip.«- — 1 a PraP-HDL, HDL,, HDL3— p /aktivitas lipase hati
mencerminkan efisiensi transpor kolesterol ter «
8 nj Mekanisme
k
A 1 . )
insiclens aterosklerosis koroner, mungkin karena
DHANCURKAN . Pld dan ko,esrerol. Kelebihan apo A- transpor berl C'
kura
t r a n s p o r t e r
diskoid. Kadar HDL2 berbanding terbalik de"^1
, P° bebas dihasilkan oleh proses
junilah kecil fUf !•
c a s s e t t e
D ‘•*,Ou ^
ditingkatkan oleh androgen *'Pase pada kilomikron dan VLDL merupakan sumber lain pra| °'eh estrogen, yang mungkin menjadi penyebab lebih tinggi nya
dari
------------ ------r
U
Sekresi VLDL Hati Berkaiton dengan Diet
&.
Status Hormonal Proses-proses di dalam sel yang berkaitan dengan pembentukan dan sekresi VLDL telah dijelaskan di atas (Gambar 25-2) dan diperlihatkan di Gambar 25-6. Sintesis triasilgliserol hati merupakan stimulus langsung untuk pembentukan dan sekresi VLDL. Asam-asam lemak yang digunakan mungkin berasal dari dua sumber: (1) sintesis di dalam hati dari asetil-KoA yang terutama berasal dari karbohidrat (mungkin tidak terlalu penting pada manusia) dan (2) penyerapan asam lemak bebas dari sirkulasi. Sumber asam lemak pertama mendominasi dalam keadaan kenyang,
232/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
BAB 25: PENGANGKUTAN & PENYIMPANAN LIPID / 233
saat sintesis asam lemak tinggi dan kadar asam lemak bcbas darah rendah. Karena triasilgliserol normalnya tidak menumpuk di hati pada kondisi ini, dapat disimpulkan bahwa asam lemak bebas diangkut dari hati dalam bentuk VLDL sccepat sintesisnya dan bahwa sintesis apo B-100 bukan merupakan tahap penentu kecepatafi metabolisme. Asam lemak bebas dari sirkulasi adalah sumber utama selama masa kelaparan, mengonsumsi diet tinggi lemak, atau pada diabetes melitus, saat lipogenesis di hati terhambat. Faktor- faktor yang meningkatkan sintesis triasilgliserol maupun sekresi VLDL oleh hati mencakup (1) keadaan kenyang (bukan lapar); ( 2 ) mengonsumsi diet kaya karbohidrat (terutama jika mengandung sukrosa atau fruktosa) sehingga lipogenesis dan esterifikasi asam lemak meningkat; (3 ) tingginya kadar asam lemak bebas dalam darah; (4) konsumsi etanol; dan (5) adanya insulin dengan kadar tinggi dan glukagon dengan kadar rendah yang meningkatkan sintesis dan esterifikasi asam lemak serta menghambat oksidasinya (Gambar 25-6).
VLDL
DARAH
HEPATOSIT HATI
VLDL
nascent
VLDL
nascent
Kompleks Golgi (
0
Residu glikosil
Retikulum endoplasma halus
Asam orotat
Karbon tetraklorida
Destruksi surplus apo B-
Puromisin Etionin
100
Karbon tetraklorida
Asam amino
Kolesterol Ester kolesteril
Sintesis protein
Poliri bosom Sintesis membran
Retikulum
ASPEK KLINIS
endoplasma
Rantai
kasar
Triasilgliserol'
Ketidakseimbangan Laju Pembentukan Triasilgliserol & Ekspornya Menyebabkan Perlemakan Hati
polipoptida apo B-100
Fosfolipid
Mengonsumsi kolesterol % Defisiensi EFA
nascent
Oleh karena berbagai sebab, lipid—terutama sebagai triasilgliserol—dapat terakumulasi di hati (Gambar 25-6). Penimbunan berlebihan dianggap sebagai keadaan patologis. Jika penimbunan lipid di hati menjadi kronik, perubahan fibrotik dapat terjadi di scl-sel yang berkembang menjadi sirosis dan gangguan fungsi hati. • Perlemakan hati { FAT T Y L I V E R ) dibagi menjadi dua kategori utama. Tipe pertama berkaitan dengan
Defisiensi kolin 1
.2-Diasilgliserol
Fosfokolin Insulin Etanol
Insulin
Kolin
Glukagon
peningkatan kadar asam lemak bebas plasma akibat mobilisasi lemak dari jaringan adiposa atau
>• Oksidasi
Insulin
Lipogenesis dari karbohidrat
Gambar 25-6. Sintesis
menyebabkan penimbunan^rj16'-? |3erclens,tas sanga* rendah (VLDL) di hati dan kemungkin,
berdensitas tinggi; Apo, apoljpo'
<
Jan
P
er,emakan hatL (EFA
/,
asam
le
k
, ™ esensial; .......................
I .1
Ii
1 lc
* ItU. rFA i riQl 1 1 i
„H„K-----
as-111
bagi proses-proses yang dijelaskan i ^' i protem Pengan8kut triasilgliserol mikrosom). jalur-jalur yang diperlihatkan VLDL dari asil-KoA. Oleh karena it 'rr! 01.Kompartemen TRIASILGLISEROL utama di hati tidak terletak di jalur langsung sintesis
membentuk
rtlnl/nnnn r*-» rr» i I i b i Jnl rnnr,— - - •
dasar
dari hidrolisis triasilgliserol lipoprotein oleh lipoprotein lipase di jaringan ekstrahepatik. Pembentukan VLDL tidak dapat mengimbangi meningkatnya influks dan esterifikasi asam lemak bebas sehingga terjadi pcnumpuk- an triasilgliserol yang menyebabkan perlemakan hati. Hal ini terjadi selama kelaparan dan mengonsumsi diet tinggi lemak. Kemampuan tubuh menyekresikan VLDL juga dapat terganggu (mis. pada kelaparan). Pada diabetes melitus tak- terkontrol, twin lamb disease, dan ketosis pada ternak, in- filtrasi lemak dapat sedemikian parah sehingga hati tampak pucat ( FAT T Y A P P E A R A N C E ) dan membesar disertai kemungkinan disfungsi hati. Tipe kedua perlemakan hati biasanya disebabkan oleh blok metabolik dalam produksi lipoprotein plasma sehingga terjadi penimbunan triasilgliserol. Secara
teoretis, lesi dapat disebabkan oleh ( 1 ) blok pada sintesis apolipoprotein, (2 ) blok pada sintesis lipoprotein dari lipid
dan apolipoprotein, (3 ) kegagalan penyediaan fosfolipid yang ditemukan pada lipoprotein, atau (4) kegagalan mekanisme sekretorik itu sendiri. Salah satu tipe perlemakan hati yang telah diteliti secara mendalam pada tikus disebabkan oleh defisiensi kolin yang oleh karenanya dinamai faktor lipotropik. Antibiotik puromisin, etionin (asam a-amino-y-merkaptobutirat), karbon tetraklorida, kloroform, fosfor, timbal, dan arsen dapat menyebabkan perlemakan . hati dan penurunan mencolok kadar VLDL pada tikus. Kolin tidak akan melindungi organisme dari zat-zat ini, tetapi tampaknya membantu proses penyembuhan. Kerja karbon tetraklorida mungkin melibatkan pembentukan radikal bebas yang menyebabkan peroksidasi lipid. Diet yang mengandung vitamin E sedikit banyak dapat memberikan proteksi melalui efek antioksidao. Etionin diperkirakan berefek melalui penurunan ketersediaan ATP karena zat ini menggantikan metionin di 5 -adenosilmetionin, dan menyebabkan adenin yang ada tcrperangkap dan menghambat sintesis ATP. Asam orotat juga menyebabkan perlemakan hati; zat ini diperkirakan mengganggu glikosilasi lipoprotein sehingga menghambat pembebasan, dan juga mungkin mengganggu perekrutan triasilgliserol kc partikel. Pada perlemakan hati tipe defisiensi kolin, defisiensi vitamin E memperparah nekrosis hati. Penambahan vitamin E atau selenium memberikan efek protektif dengan menekan peroksidasi lipid. Selain defisiensi protein, defisiensi asam lemak esensial dan vitamin (mis. asam linoleat, piridoksin, dan asam pantotenat) dapat menyebabkan infiltrasi lemak di hati.
Etanol Juga Menyebabkan Perlemakan Hati Alkoholisme menyebabkan penimbunan lemak di hati, hiperlipidemia, dan akhirnya sirosis. Perlemakan hati
disebabkan oleh kombinasi gangguan oksidasi asam lemak dan meningkatnya lipogenesis yang diperkirakan disebabkan oleh perubahan potensial redoks [NADH]/[NAD*] di hati, dan juga karena interferensi kerja faktor-faktor transkripsi yang mengatur ekspresi berbagai enzim yang berperan di jalur ini. Oksidasi etanol oleh alkohol dehidrogenase menyebabkan produksi berlebihan NADH. ALKOHOL DEHIDROGENASE CHj — CH, — OH yr—^---------------► CH. — CHO
Etanol
NAD' NADH + H'
Asetaidehida
NADH yang dihasilkan bersaing dengan ekuivalen pereduksi dari substrat lain, termasuk asam lemak untuk rantai respiratorik, yang menghambat oksidasi substrat ter sebut, dan menyebabkan peningkatan esterifikasi asam le mak menjadi triasilgliserol sehingga terjadi perlemakan hati.
BAB 25: PENGANGKUTAN & PENYIMPANAN LIPID /
Ketiga enzim ini diatur secara terpadu melalui mekanisme fosforilasi-defosforilasi. Efek utama insulin di jaringan adiposaadalah menghambat aktivitas lipase peka-hormon, yang tidak hanya mengurangi pembebasan asam lemak bebas, tetapi juga gliserol. Jarinoan adiposa jauh lebih peka terhadap insulin ketimbang banyak jaringan Iain yang menunjukkan bahwa jaringan adiposa adalah tempat utama efek insulin in vivo.
234/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
Oksidasi etanol menyebabkan terbentuknya asetaldehida, yang dioksidasi oleh aldehida dehidrogenase menjadi asetat. Meningkatnya rasio [NADH]/[NAD'] juga menyebabkan meningkatnya [laktat]/[piruvat] sehingga terjadi hiperlakta- tasidemia yang menurunkan ekskresi asam urat dan memper- parah gout. Sebagian metabolisme etanol berlangsung melalui sistem pengoksidasi etanol di mikrosom (M I C R O S O M A L E T H A N O L O X I D I Z I N G S Y S T E M , MEOS) dependen sitokrom P450 yang me libatkan NADPH dan O,. Sistem ini meningkat aktivitasnya pada alkoholisme kronik dan dapat ikut berperan meningkat bersihan metabolik pada kondisi ini. Etanol juga menghambat metabolisme beberapa obat, misalnya barbiturat dengan berkompetisi untuk enzim-enzim dependen-sitokrom
OLCH L!
nik'nruktsm
ckstnhepaakfiji ma5uk Ice darah /
PcnvcraPannva
^
kc
dalam
untuk
jaringan
/ Ka,vna tidak daPa‘ digunakan, gliserol
^rti hati da„ P- ? SCrap stTta digunakan oleh janngan. 'Wasam lemtl V i*" 8 mcmi,iki ™atu G L I S E R O L K I N A S E A K N T diuba h K E M B A L I I yang dibt,ncuk olch lipolisis dapat ^-KoAsin*.,, 1 J* N T ' N A D I P°™ mcn/adi asil - KoA old, Untu ^membenriiL (an lrt‘’cstcri/ikasi dengan G L I S E R O L 3 -fos&t U P O L I S I S D A N R C ^‘^ I S C R O L . ()|t.|, karena itu. terjadi siklus di dalam ^"B I N B A N Z I H I ./ R T 1 1 "' ,a'u rc-«*tcrirtk;isi T I D : I K D A P V yan ke g mudian h . T R I akumi*'^i .tsam lemak bebas jar,ngan
,ni
terseb„,tSv
LS
'
yUng
tcr,,s
Beberapa Hormon Mendorong Lipolisis lain mempercepat pengeluaran asam lemak bebas dari jaringan adiposa dan meningkatkan kadar asam lemak bcbas di dalam plasma dengan meningkatkan laju lipolisis simpanan triasilgliserol (Gambar 25-8). Hormonhormon ini mencakup epinefrin, norepinefrin, glukagon, hormon adrenokortikotropik (ACTH), adan (3-MSH ( M E L A N O C Y T E S T I M U L A T I N G H O R M O N E ' ), T H Y R O I D Hormon-hormon
»icncru-s
kcdalam den «'' plasma tempat asam-asam BCBAS PLASN^'N L,MIN DAN MENINGKATKAN kadar asam
berikatan
LCTNAK
MEOS
STIMULATING
CH3— CH2— OH+ NADPH + H* + O.,Etanol
CH3—CHO + NADP* + 2H20 Asetaldehida
Pada beberapa populasi Asia dan orang Amcrika asli, konsumsi alkohol menyebabkan peningkatan reaksi simpang asetaldehida akibat defek genetik pada aldehida dehidrogenase mitokondria.
JARINGAN ADIPOSA ADALAH TEMPAT PENYIMPANAN UTAMA TRIASILGLISEROL DI TUBUH Simpanan triasilgliserol di jaringan adiposa secara terus menerus mengalami lipolisis (hidrolisis) dan re-esterifikasi (Gambar 257). Kedua proses ini adalah jalur yang sama selcali berbeda yang melibatkan reaktan dan enzim yang berlainan. Hal ini memungkinkan proses esterifikasi atau lipolisis diatur secara terpisah oleh banyak faktor nutrisi, metabolik, dan hormon. Hasil kedua proses ini menentukan besarnya kompartemen asam lemak bebas di jaringan adiposa, yang pada gilirannya menentukan kadar asam lemak bebas di dalam plasma. Karena kadar asam lemak bebas ini memiliki efek paling mencolok pada metabolisme jaringan lain, terutama hati dan otot, faktor-faktor yang bekerja pada jaringan adiposa yang mengatur aliran keluar asam lemak bebas menimbulkan pengaruh yang jauh melebihi pengaruh pada jaringan itu sendiri.
^‘basan gliserol r . ^ 'cdiaa» gliserol 3 -fosfat YANG MCNJALANI beber-, . • i aS3m ,cmak bebas. GLUKOSA DAPAT TER MASUK OKSIDNFa ^ Ur|me,al)ollsn,e di JARINGAN ADIPOSA, °KSIDASI DI .*aJur NKN;ADL C°2 melalui siklus asam sitrat, niak rantai-pan.^n nt°jSa f°sfat’ Perut>ahan menjadi asam le- 8,iserol P^mul.n ASILGLISEROL MELALUI
«baRian .!!,2l5'7)- J**®
pemakaian glukosa jadi CO dm TV1!'” ^an8 DISERAP AKAN DIOKSIDASI ,r,ng dengan2nen. 1 ^ ’*1 men*adl asam lemak. Namun, se- batiyak proporsi r^nan pemaka‘an glukosa total, semakin gliserol 3-FOSF\R i°S
GAMBAR 25-7. Metabolisme triasilgliserol di jaringan adiposa. Lipase peka-hormon diaktifkan oleh ACTH, TSH, glukagon, Pe
rribebasan
d
ipengarut,UoTJrTriy!rtormtn dan 'arin8‘in ad'P°S'' V esterifikasi atau L F J U lipoid , mOT“Sarul,i pembebasan asam lemak bebas da" ■ menghJmb«
stiokl pcnurun?n
LTb8:bnasafc ™ menmgkatkan Iipogenesis dan sint<^
235
epinefrin, norepinefrin, dan vasopresin serta dihambat oleh .insulin, prostaglandin E , dan asam nikotinat. Rincian tentang pembentukan gliserol 3-fosfat dari zat-zat antara glikolisis diperlihatkan di Gambar 24-2. (ppp, JA|UR pentosa fosfat; TG, triasilgliserol; FFA, asam lemak bebas; VLDL, lipoprotein berdensitas sangat rendah).
asilgliserol serta meningkatkan oksidasi glukosa menjadi C0 2 melalui jalur pentosa fosfat. Semua efek ini bergantung pada keberadaan glukosa dan sedikit banyak dapat dijelaskan berdasarkan kemampuan insulin meningkatkan penyerapan glukosa ke dalam sel adiposa melalui transporter GLUT 4. Insulin juga meningkatkan aktivitas piruvat dehidrogenase, asetil-KoA karboksilase, dan gliserol fosfat asiltransferase, yang memperkuat efek-efek peningkatan penyerapan glukosa terhadap peningkatan sintesis asam lemak dan asilgliserol.
HORMONE
(TSH), hormon pertumbuhan (GH), dan vasopresin. Banyak hormon ini yang mengaktifkan lipase peka-hormon. Agar efeknyaoptimal, sebagian besar proses lipolitik ini memerlukan keberadaan glukokordkoid dan hormon tiroid. Hormonhormon ini bersifat fasilitatorik atau permisif dalam kaitannya dengan faktor endokrin lipolitik lainnya. Hormon-hormon yang bekerja cepat dalam mendorong lipolisis, yi. katekolamin, melakukannya dengan merangsang aktivitas adenilil sildase, yaitu enzim yang mengubah AFP menjadi cAMP. Mckanismenya analog dengan mekanisme perangsangan glikogenolisis oleh hormon (Bab 19). cAMP, dengan merangsang protein kinase dependencAMP, mengaktifkan lipase peka-hormon. Oleh karena itu, proses yang merusak atau mempertahankan cAMP akan memengaruhi lipolisis. cAMP diuraikan menjadi 5’AMP oleh enzim siklik 3 ’,5 ’-nukleotida fosfodiesterase. Enzim ini dihambat oleh golongan metilxantin, misalnya kafein dan teofilin. Insulin melawan efek hormonhormon lipolitik. Lipolisis tampaknya lebih peka terhadap perubahan kadar insulin daripada pemakaian dan esterifikasi glukosa. Efek antilipolitik insulin, asam nikotinat, dan prostaglandin E, ditimbulkan oleh inhibisi sintesis cAMP di tempat adenilil sildase yang bekerja melalui protein G.. Insulin juga merangsang fosfodiesterase dan lipase fosfatase yang menginaktifkan lipase peka-hormon. Efek hormon pertumbuhan dalam mendorong lipolisis bergantung pada sintesis protein-protein yang berperan dalam pembentukan cAMP. Glukokortikoid meningkatkan lipolisis melalui sintesis protein lipase baru melalui jalur dependen-cAMP, yang dapat dihambat oleh insulin, dan juga dengan meningkatkan transkripsi gen-gen yang terlibat dalam kaskade sinyal cAMP. Temuan ini membantu menjelaskan peran kelenjar hipofisis dan korteks adrenal dalam meningkatkan mobilisasi lemak. Jaringan adiposa menyekresikan hormon leptin yang
SINTESIS, TRANSPOR, &
1 26
EKSKRESI KOLESTEROL
KATHLEEN M. BOTHAM, PHD, DSC & PETER A. MAYES, PHD, DSC
236/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
BAB 25: PENGANGKUTAN & PENYIMPANAN LIPID / 237
238/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID
•
gliserol dilepaskan. Asam lemak bebas adalah sumber bahan bakar yang penting. Jaringan adiposa cokelat adalah tempat 'termogenesis tanpa menggigil.’ Jaringan ini dijumpai pada hewan yang menjalani hibernasi dan hewan baru lahir serta terdapat dalam jumlah kecil pada manusia. Termogenesis terjadi karena adanya suatu protein U N C O U P L I N G , termogenin di membran dalam mitokondria.
REFERENSI Eaton S, et al: Multiple biochemical effects in the pathogenesis of fatty liver. Eur J Clin Invest 1997;27:719. Goldberg IJ, Merkel M: Lipoprotein lipase: physiology, biochemistry and molecular biology. Front Biosci 2001;6:D388. Holm C er al: Molecular mechanisms regulating hormone sensitive lipase and lipolysis. Annu Rev Nutr 2000;20:365.
BAGIAN LUAR
MEMBRAN DALAM MITOKONDRIA
BAGIAN DALAM
Kershaw EE, Flier JS: Adipose tissue as .111 endocrine organ. J G.r. Endocrinol Metab 2004:89:25*18. Lardy H, Shrago E: Biochemical aspects ol obesity. Annu Rn Biochem 1990:59:689. Redgrave TG: Chylomicron metabolism. Biochem Soc Irins 2004:32.79. Rye K-A, et al: Overview of plasma lipid transport. Dalam: PL L <^ L I P I D S ( I N D T H E I R R O L E I N D I S E A S E . Barter I’J, Rye K-A (editors'. Harwood Acadcmic Publishers, 1999. Sell H, DcshaiesY, Richard D: The brown adipocyte: update on its metabolic role. IntJ Biochem Cell Biol 2004 :36 :2098 . Shclness GS, Sellers JA: Vcry-Iow-density lipoprotein assembly and secretion. Curr Opin Lipidol 200 1:12:151. Various authors: B I O C H E M I S T R Y O J L I P I D S , L I P O P R O T E I N S A N D M E M B R A N T S * 4th ed. Vancc DE, Vancc JE (editors). Elsevier, 2002.
yang terpajan cuaca dingin (termogenesis tanpa menggigil), dan dalam pembentukan panas pada hewan baru lahir. Meskipun tidak menonjol pada manusia, jaringan adiposa cokelat terdapat pada orang normal dan mungkin berperan dalam Layak dicatat bahwa jaringan adiposa cokelat berkurang atau tidak ditemukan pada orang obesitas. Jaringan ini ditandai oleh aliran darah yang baik dan tingginya kandungan mitokondria dan sitokrom, tetapi aktivitas ATP sintasenya rendah. Metabolisme ditekankan pada oksidasi glukosa dan asam lemak. yang dibebaskan dari ujung saraf simpatispentinguntuk meningkatkan lipolisisdi jaringan dan mendorong sintesis lipoprotein lipase untuk meningkatkan pemakaian lipoprotein kaya-triasilgliserol dari sirkulasi. Di jaringan ini, oksidasi dan fosforilasi di mitokondria tidak digabungkan, dan fosforilasi terjadi di tingkat substrat, mis. di tahap suksinat tiokinase dan pada glikolisis. Oleh karena itu, termogenesis yang dipicu
oleh
Norepinefrin
oksidasi menghasilkan banyak panas, dan hanya sedikit energi bebas yang diserap dalam bentuk ATP.
Terdapat protein U N C O U P L I N G termogenik, yang bekerja sebagai jalur penghantar proton untuk melepasakan potensial elektrokimia pada membran mitokondria (Gambar termogenin
25-9). Ekivalen pereduk si
RINGKASAN •
kaskade ^cak^Tnfjaringan adiPosa-ITSH, thyroid stimulating hormone; FFA, asam lemak bebas.). Perhatikan rangkaian peranesane-keria^ioaseka." P*"^313"
di
setiap tahapnya. Stimulus lipolitik 'padam' akibat hilangnya
•
hormon-hormon
dan neneeknnn rAMP aL- k;”SI *'Pase dan adenilil siklase oleh FFA berkadar tinggi; inhibisi adenilil siklase oleh adenosin, vivo karena k-irhr m^in '^ ^os^°d'esterase. ACTH, TSH, dan glukagon mungkin tidak mengaktifkan adenilil siklase in 1. ;. ^ mas'ng hormon yang dibutuhkan in vitro jauh lebih tinggi daripada yang ditemukan dalam darah. Efek regulator,k posit,f (®) dan negatif (0) diwakili oleh garis putus-putus dan aliran substrat oleh garis utuh.
mengatur homeostasis energi. Meskipun pada awalnya
diduga melindungi tubuh dari obesitas, bukti-bukti yang ada sekarang mengisyaratkan bahwa peran utama leptin adalah bekerja sebaga, suatu sinyal kecukupan energi ketimbang sinyal kelebihan energi.
Sistem saraf simpatis melalui pembebasan norepinefrin di jaringan adiposa, berperan sentral dalam mobilisasi asam lemak bebas. Oleh karena itu, menin|katnya lipolisis oleh berbaga. faktor yang dijelaskan di atas dapat dikurangi atau dlhilangkan dengan denervasi jaringan adiposa atau dengan blokade ganglion.
Terdapat Banyak Mekanisme yang Mengontrol Secara Halus Metabolisme Jarongan Adiposa Jaringan adiposa manusia mungkin bukan merupakan tempat penting lipogenesis. Tidak banyak glukosa atau piruvat yang
makanan’.
Gambar 25-9. Termogenesis di jaringan adiposa coklat. Aktivitas rantai
diubah menjadi asam lemak rantai-panjang, ATP * liase, suatu enzim kunci dalam lipogenesis, t a m p ) tidak ditemukan, dan enzim lipogenik lain- mis. g u 6 -fosfat dehidrogenase dan enzim malat tidak menga perubahan adaptif. Memang, muncul anggapan bahwa pa a manusia terdapat suatu “sindrom kelebihan karbo * akibatketerbatasan tubuh mengalihkan kelebihan karbo u melalui lipogenesis. Pada unggas, lipogenesis (dirangsa g oleh estrogen) terbatas di hati, yang utama penting se ag? tempat penyediaan lemak untuk membentuk telur. Jaringan adiposa manusia tidak responsif terhadap sebagian hormon lipolitik selain katekolamin. . Berdasarkan gangguan berat metabolisme yang terja pada (sebagian besar akibat pening '>'tan pembebasan asam lemak bebas dari simpanan) dan kenyataan bahwa insulin umumnya dapat mengoreksi penyakit ini, dapat disimpulkan bahwa insulin berperan penting a am mengatur metabolisme jaringan adiposa. diabetes
MENDORONG TERMOGENESIS Jaringan adiposa cokelat terlibat dalam metabolisme terutama pada saat pembentukan panas diperlukan. Oleh karena itu, jaringan ini sangat aktif pada beberapa spesies saat spesies tersebut bangkit dari hibernasi, pada hewan
•
Karena lipid nonpolar tidak-larut di dalam air, agar dapat dipindahkan antar-jaringan di dalam plasma darah, lipid tersebut dikombinasikan dengan lipid amfipatik dan protein untuk membentuk lipoprotein yang dapat bercampur dengan air Terdapat empat kelompok utama lipoprotein yang dikenal: Kilomikron mengangkut lipid yang dihasilkan dari pencer naan dan penyerapan. Lipoprotein berdensitas sangat ren dah (VLDL) mengangkut triasilgliserol dari hati. Lipopro tein berdensitas rendah (LDL) menyalurkan kolesterol ke jaringan, dan lipoprotein berdensitas tinggi (HDL) membawa kolesterol ke jaringan dan mengembalikannya ke hati untuk diekskresikan dalam proses yang dikenal sebagai transpor kolesterol terbalik ( R E V E R S E C H O L E S T E R O L TRANSPORT) Kilomikron dan VLDL dimetabolisme melalui hidrolisis triasilgliserolnya, dan sisa lipoprotein tetap berada di dalam sirkulasi. Sisa lipoprotein ini diserap oleh hati, tetapi sebagian sisa (IDL) yang berasal dari VLDL membentuk LDL yang diserap oleh hati dan jaringan lain melalui reseptor LDL. Apolipoprotein merupakan gugus protein da lipoprotein. Senyawa mi berftmgsi sebagai aktivator enzim (mis. apo CII dan apo A-I) atau sebagai ligan untuk reseptor sel (mis. apo A-I, apo E, dan apo B-100) Triasilgliserol adalah lipid simpanan utama di jaringan adiposa. Sewaktu mobilisasi, asam lemak bebas dan
Asetil-KoA Adalah Sumber Semua Atom Karbon dalam Kolesterol PERAN BIOMEDIS Biosintesis kolesterol dapat dibagi menjadi lima tahap: Kolesterol terdapat di jaringan dan plasma sebagai kolesterol (1) Sintesis mevalonat dari asetil-KoA (Gambar 26-1). bebas atau dalam bentuk simpanan, yang berikatan dengan (2) Pembentukan unit isoprenoid dari mevalonat melalui asam lemak rantai-panjang sebagai ester kolesteril. Di dalam pengeluaran CO, (Gambar 26-2). (3) Kondensasi enam unit plasma, kedua bentuk tersebut diangkut dalam lipoprotein isoprenoid untuk membentuk skualen. (4) Siklisasi skualen (Bab 25). Kolesterol adalah lipid amfipatik dan merupakan menghasilkan steroid induk, lanosterol. (5) Pembentukan komponen struktural esensial pada membran dan lapisan luar kolesterol dari lanosterol (Gambar 26-3). lipoprotein plasma. Senyawa ini disintesis di banyak jaringan HMG-KoA (3- hidroksi-3 dari asetil-KoA dan merupakan prekursor semua steroid lain metilglutaril-KoA) dibentuk melalui reaksi-reaksi yang di tubuh, termasuk kortikosteroid, hormon seks, asam empedu, digunakan di mitokondria untuk membentuk badan keton dan vitamin D. Sebagai produk tipikal hewan, (Gambar 22-7). Namun, karena sintesis kolesterol berlangsung kolesterol terdapat dalam makanan yang berasal dari hewan di luar mitokondria, kedua jalur ini berbeda. Pada awalnya, misalnya kuning telur, daging, hati, dan otak. Lipoprotein dua molekul asetil-KoA bersatu untuk membentuk asetoasetilberdensitas rendah (LDL) plasma adalah kendaraan untuk KoA yang dikatalisis oleh Asetoasetil- KoA membawa kolesterol dan ester kolesteril kc jaringan. mengalami kondensasi dengan molekul asetoasetil- KoA lain Kolesterol bcbas dikeluarkan dari jaringan lipoprotein yang dikatalisis oleh untuk membentuk HMG-KoA berdensitas tinggi (HDL) plasma dan diangkut ke hati, tempat yang direduksi menjadi oleh NADPH dan dikatalisis senyawa ini dieliminasi dari tubuh tanpa diubah atau setelah oleh Ini adalah tahap regulatorik utama di jalur diubah menjadi asam empedu dalam proses yang dikenal sintesis kolesterol dan merupakan tempat kerja golongan obat sebagai terbalik (Bab 25). Kolesterol adalah unsur penurun kadar kolesterol paling efektif, yaitu inhibitor HMGpokok batu empedu. Namun, peran utamanya dalam proses KoA reduktase (golongan statin) (Gambar 26-1). patologis adalah sebagai faktor pembentukan artcriTahap 2—Pembentukan Unit Isoprenoid: MEVALONAT arteri vital, yang menimbulkan penyakit pembuluh darah mengalami fosforilasi secara sekuensial oleh Al P dengan tiga perifer, koroner, dan serebrovaskular. kinase, dan setelah dekarboksilasi (Gambar 26-2) terbentuk unit isoprenoid aktif, KOLESTEROL BERASAL SAMA BANYAK DARI Isopentenil difosfat MAKANAN & DARI BIOSINTESIS mengalami isomerisasi melalui pergeseran ikatan rangkap untuk Sekitar separuh kolesterol tubuh berasal dari proses sintesis membentuk yang kemudian bergabung dengan (sekitar 700 mg/hari) dan sisanya diperoleh dari makanan. molekul lain isopentenil difosfat untuk membentuk zat antara Hati dan usus masing-masing menghasilkan sekitar 10% dari sepuluh- karbon (Gambar 26-2). Kondensasi lebih sintesis total pada manusia. Hampir semua jaringan yang lanjut dengan isopentenil difosfat membentuk Dua sel berinti mampu membentuk kolesterol, yang molekul fainesil difosfat bergabung di ujung berlangsung di retikulum endoplasma dan sitosol. Tahap
1—Biosintesis
mevalonat:
mctabolismc
tiolasesitosol.
banyak
olch
HMG-KoA sintase
mevalonat
HMG-KoA reduktase.
transpor kolesterol
aterosklerosis
isopentenil difosfat.
Tahap
3—Enam
Unit
dimetilalil
Isoprenoid
Membentuk
Skualen:
difosfat,
geranil
difosfat
farnesil
mengandung
239
difosfat.
BAB 26: SINTESIS, TRANSPOR, & EKSKRESI KOLESTEROL / 241 240/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID ATP
O
• o»
CH3 —C^S —KoA 2 Asetil-KoA TIOLASE
SH ch3 O °C — CH, —°C 'V* S — KoA II Q Asetoasetil-KoA o CH3 —C'^-'S— KoA
H.O
Aselil-KoA
HMG-KoA SINTASE
KoA-SH
OH 3-Hidroksi-3-metilglutaril-KoA (HMG-KoA) Asam empedu, kolesterol
Poli-isoprenoid dolikol (Gambar 1 5-20 dan Bah 46) dir* ubikuinon (Gambar 13-5) dibentuk d.iri farnesil difosfat melalu: penambahan lebih lanjut residu isopentenil difosfat hingga sebanyak 16 (dolikol) atau 3—7 (ubikuinon) bnah. Sebagnn protein pengikat-GTP di membran sel mengalami premia oleh residu farnesil atau geranilgeranil (20 karbon). Premba protein diperkirakan mempermudah mclckatnya protein padi membran lipoid dan mungkin juga berperan dalam interaksi antarprotein dan pemindahan protein di membran.
Farnesil Difosfat Menghasilkan Dolikol & Ubikuinon
CH^ /OH -OOCC
KoA - SH
? 3.
’OOC — CH.—°C — CH-CH, - OH
II
OH Mevalonat
G a m b a r
2 6 - 1 . Biosintesis mevalonat. HMG-KoA reduktase dihambat oleh atorvastatin, pravastatin, dan simvastatin. Lingkaran putih dan hitam menunjukkan nasib masing-masing karbon di gugus asetil dari asetil-KoA.
difosfat untuk membentuk skualen. Pada awalnya, pirofosfat anorganik dieliminasi, yang membentuk praskualen difosfat, yang kemudian mengalami reduksi oleh NADPH disertai eliminasi satu molekul pirofosfat anorganik lainnya. Tahap 4—Pembentukan Lanosterol: Skualen dapat melipat membentuk suatu struktur yang sangat mirip dengan inti steroid (Gambar 26-3). Sebelum terjadi penutupan cincin, skualen diubah menjadi skualen 2 ,3 -epoksida oleh oksidase berfungsicampuran, skualen epoksidase di retikulum endoplasma. Gugus metil di C|4 dipindahkan ke C, 3 dan yang ada di C 8 ke C, 4 sewaktu terjadi siklisasi, dikatalisis oleh oksidoskualenrlanosterol siklase. Tahap 5—Pembentukan Kolesterol: Pembentukan kolesterol dari lanosterol berlangsung di membran retikulum endoplasma dan melibatkan pertukaran-pertukaran di inti steroid dan rantai samping (Gambar 26-3). Gugus metil di CJ4 dan C4 dikeluarkan untuk membentuk 14-desmetil lanosterol dan kemudian zimosterol. Ikatan rangkap di CH- Cy kemudian dipindahkan ke C5 -C6 dalam dua langkah, yang membentuk desmosterol. Akhirnya, ikatan rangkap rantai samping direduksi, dan menghasilkan kolesterol. Belum dapat dipastikan bagaimana urutan masing-masing tahap yang dijelaskan di atas dapat benarbenar terjadi.
C^
CH
CH2 CH2 O-®
MEVALONA T KINASE
Mevalonat 5fosfat
KATPMg *
^/
OOC
C
CH,
Mevalonat 3-fosfo-5-difosfat
HMG-KoA CH, I ‘/C<^
c< Xfi o-®~® X
Protein yang mengalami prenilasi
Rantai samping ^ ubikuinon Heme a
c
\
CH, CH2
0-®~® Mevalonat 5-difosfat
°
CH3 C
ISOPENTENIL DIFOSFAT ISOMERASE
T
C/SPRENIL TRANSFERAS E H c ch c9 ch 2 2 3 CH, CH CH2 CH
CH, Isopentenil
°
V__________ ___________
tRNA isopentenil
/c\ /
C< Xc<
3,3-Dimetilalll difosfat
•X-
ADP
CO, + P.
DIFOSFOMEVALONAT DE KARBOKSILASE
A
2
CH3 OH P
DIFOSFOMEVALONA T KINASE_______
CHj CHj Q-®~®
Pirau trans- | Motilglutakonat
ATP
ADP
CH 0-(P)
BANYAK FAKTOR YANG MEMENGARUHI KESEIMBANGAN KOLESTEROL DI JARINGAN Di jaringan, keseimbangan kolesterol diatur sebagai berikut (Gambar 26-5). Peningkatan kolesterol sel terjadi karena penyerapan lipoprotein yang mengandung kolesterol oleh reseptor, misalnya reseptor LDL atau S C A V E N G E R RECEPTOR,
CH OH
\/\/^^
FOSFOMEVALONAT KINASE __________
PROTEIN
(SREBP, protein pengikat elemen pengatur sterol). SRERP adalah suatu famili protein yang mengatur transkripsi berbagai gen yang berperan dalam penyerapan dan metabolisme kolesterol serta lipid lain oleh sel. Pada sintesis kolesterol dan aktivitas reduktase dijumpai adanya variasi diurnal. Selain mekanismc-mekanisme yang mengatur laju sintesis protein ini, aktivitas enzim juga dimodulasi secara lebih cepat melalui modifikasi pascatranslasi (Gambar 26-4). Insulin atau hormon tiroid meningkatkan aktivitas HMG-KoA reduktase, sementara glukagon atau glukokortikoid menurunkannya. Aktivitasnya dimodifikasi sccara reversibel oleh mekanisme fosforilasi-defosforilasi yang sebagian di antaranya bergantung pada cAMP sehingga cepat berespons terhadap glukagon. Upaya-upaya untuk menurunkan kadar kolesterol plasma dalam diet memberikan hasil bervariasi. Secara umum, penurunan 100 mg kolesterol dalam makanan menyebabkan penurunan sekitar 0,13 mmol/L kolesterol serum.
‘OOC C
^
.
Mevalonat
OLEH
Pengaturan sintesis kolesterol dilaksanakan menjelang awal jalur reaksi, di tahap HMG-KoA reduktase. Berkurangnya pembentukan kolesterol pada hewan yang kelaparan disertai oleh berkurangnya aktivitas enzim. Namun, proses yang dihambat oleh kolesterol dalam makanan hanyalah sintesis di hati. HMG-KoA reduktase di hati dihambat oleh mevalonat, produk langsung jalur tersebut, dan olch kolesterol, produk utamanya. "Kolesterol dan mctabolit-metabolitnya menekan transkripsi HMG-KoA reduktase melalui pcngaktivan faktor transkripsi S T E R O L REGULATORY ELEMENT-BINDING
2 6 - 2 . Biosintesis skualen, ubikuinon, dolikol, dan turunan poli-isoprena lainnya. (HMG, 3-hidroksi3-metilglutaril; x, sitokinin.) Di heme a sitokrom oksidase terdapat satu residu farnesil. Karbon yang ditandai oleh tanda bintang menjadi Cn atau C12 dalam skualen. Skualen sintetase adalah suatu enzim mikrosom; semua enzim lain yang ditandai adalah protein yang larut dalam sitosol, dan sebagian ditemukan di peroksisom.
BAB 26: SINTESIS, TRANSPOR, & EKSKRESI KOLESTEROL / 243
242/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & LIPID 246/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT a UPID 244/ BAGIAN II: BIOENERGETIKA & METABOLISME KARBOHIDRAT & UPID ||
Gambar 26-4. Berbagai kemungkinan mekanisme pengaturan sintesis kolesterol oleh HMG-KoA reduktase. Insulin memiliki peran
SIKLASE
JARANG; ASILGLISEROL DARAH RENDAH; TERJADI AKUMULASI ASILGLISEROL DI USUS DAN HATI. MALABSORPSI USUS. KEMATIAN DINI DAPAT DIHINDARI C —N—CH,COOH J H DENGAN —COOH II PEMBERIAN VITAMIN LARUT-LEMAK DALAM O DOSIS TINGGI,
lebih dominan dibandingkan dengan glukagon. Tanda bintang: Lihat Gambar 19-6. Asam tauro- dan gllkokonodeoksikolat
(asam empedu primer)
Dekonjugasi + 7n-dohidroksi!asi selama pembentukan IDL dan akhirnya LDL yang diserap oleh dibentuk olch LCAT mengalir ke hati melalui sisa (IDL) atau reseptor LDL di hati dan jaringan ekstrahepatik (Bab 25). NADPH Asam glikokolat LDL (Gambar 26-6). HDL, yang dipcr a >- 1 triasilgliserol Oj, NADPH COOH SEMUA MEMPERLIHATKAN HDL YANG KECENDERUNGAN MENGALAMI s^sam empedu primer) ca COOHHDL (Gambar 25NADmenyalurkan kolcstcrolnya ke hari siklus RENDAH ATAU HAMPIR TIDAK ADA. HIPERTRIASILGLISEROLEMIA AKIBAT APO C-LL YANG LCAT Plasma Bertanggung Jawab Terhadap Lanosterol MENYEBABKAN LPL YANG TIDAK - AKTIF. KADAR 5). LDL 14-Desmetil Zimosterol Hampir Semua EsterDekonjugasi Kolesteril Plasma pada lanosterol RENDAH +. ATEROSKLEROSIS Manusia 7a-dehidroksi!asi Asam deoksikolat KOLESTEROL DIEKSKRESIKAN DARI TUBUH DI (asam empedu Asam litokolat sekunder) DALAM EMPEDU E B A G Asekunder) I KOLESTEROL ATAU ASAM (asamSempedu HIPERTRIASILGLISEROLEMIA AKIBAFberkaitan DEFISIENSI dengan Aktivitas LCAT HDL yang mengandung apo BERSINAR KILOMIKRON DAN VLDL MELAMBAT. KADAR (GARAM) EMPEDU LPL,. LPL A-I. ABNORMAL , ATAUkolesterol DEFISIENSI APO LDL DAN HDL RENDAH IDAK ADA Sewaktu di HDL mengalami esteri as ., Ttercipta , 27.hidr°ks,lase* gradien konsentrasi yang menarik kolestero jaringan dan dari kolesteroldikeluarkan oleh ^ Setiap hari, sekitar 1i -.rlmksilasi gram kolesterol dari tubuh. pmoedu. Jalur kedua di mitokondria melibatkan lipoprotein (Gambar 26-5 anPENINGKATAN sehingga KADAR HDL dapat NADPH LDL DAN HIPERKOLESTEROLEMIA , separuhnya DEFEK RESEPTOR LDL ATAUlain MUTASI DI REGIO LIGAN Sekitar diekskresikan di dalam tinja setelah NADPH hie MENYEBABKAN berfungsi dalam transpor
GAMBAR 26-7.
empedu.
/a-Hidroksilase senyawa ini dibentuk dari kolesterol oleh bakteri di usus bagian Proteon Transfer Ester Kolesteril Mempermudah P , , 111 primer dan sekunder diserap hampir semata m‘ orta T ahap bawah. penentu laju utama dalam biosintesis asam empedu adalah DEFISIENSI PEMBERSIHAN SISA LEMAK OLEH HATI PENINGKATAN SISA VLDL DAN KILOMIKRON DENGAN (FE0 ' °P dise ase "ILIAL Kolesterol Pemindahan Ester Koles eriBERAT dariJENIS HDL ke Lipoprotein Desmosterol A -Kolestadienol(GAMBAR 26-7). AKIBAT KELAINAN APO E. P ASIEN TIDAK MEMILIKI <1,019 ((5-VLDL). M ENYEBABKAN dan 98-99% dikembalikan ke hati melalui di REAKSI KOLESTEROL 7A-HIDROKSILASE bar °NL REMOVAL (24-dehidrokolesterol) ISOFORM ELain HIPERKOLESTEROLEMIA, XANTOMA, DAN Aktivitas enzim ini diatur secara umpan-balik melalui reseptor 3 DAN E SERTA HANYA MEMILIKI E ?,Triparanol FAMILJ AT)’ , P°P 'A Asam Empedu Dibentuk dari Kolesterol Hal ini dikenal sebagai sirkulasi enterohepati ( YANG TIDAK BEREAKSI ATEROSKLEROSIS. pengikat-asam empedu nukleus, yaitu RESEPTOR FARNESOID X 26-6). Namun, asam litokolat, karena sifatnya yang^i AsamJjka empedu disintesisasam di hati dari kolesterol. AsamProtein ini, yang berikatan dengan HDL, ditemukan dalam (FXR). ukuranprimer kompartemen empedu dalam sirkulasi larut, tidak direabsorpsi dalam jumlah absorps ot in asam ini adalah asam kolat ( C H O L I C A C I D ; ditemukan plasma spesies lain. ^ ^ transfer esteryang diberi P RTRIASI|G|J | J F J|J | J JP0 JYJ G VLDL a manusia m b a r dan 2 6banyak - 3 . Biosintesis kolesterol. nomor adalahmeningkat, posisi inti steroid, sementara dan transkripsi gendalam enterohepatik FXR diaktifkan 7aKOLESTEROLPosisi-posisi MENINGKAT DENGAN KONSENTRASI VODUKSI BERLEBIHAN SERING DISERTAI sebagian kecil YANG garam empedu yanungc a•KADAR apun, ialur jumlah besar) dan asam kenodeoksikolat lingkaran terbuka dan tertutup nasib masing-masing karbon asetil pada asetil-KoA. Tanda kolesteril ini mempermudah esterl.LDL kolesteril dari HDL SUBNORMAL DAN HDL CENDERUNG . di gugus sehinggga dikeluarkan melalui * menunjukkan ^VLDL. Setiap OLEH INTOLERANSI GLUKOSA DAN HIPERINSULINEMIA .P !™" hidroksilase tertckan. Asam KENODEOKSIKOLAT sangat penting kolestero ini merupakan jalur bintang: Lihat label skualen di Gambar 26-2. ( C H Emengaktifkan N O D E O X Y E BFXR. O L I C Aktivitas A C I D ; Gambar 26-7). JENIS POLA INI SERING BERKAITAN DENGANuntuk PENYAKIT ke VLDL, IDL, pemberian dan dipertukarkan dengan triasilgliserol, yang kolesterol 7CT7a-Hidroksilasi - hidroksilase JANTUNG KORONER, DIABETES MELITUS TIPE II, pada kolesterol adalah tahap regulatorik pertama dan terpenting m Oleh juga ditingkatkan oleh kolesterol yang berasal dari makanan dan X 3-5 g) didaur OBESITAS, ALKOHOLISME, DAN PEMBERIAN dalam biosintesis asamempedudandikatalisisoleh kolesterol 7 aendogen serta diatur oleh hormon insulin, glukagon, hari inhibisi sejumlah a.™ LCA kecil T pada^HDL asam empedu oleh g* ^ ^ karena itu, pada manusia, empedu HORMON‘PROGESTASIONAL. hidroksilase. dan tiroid. melalui glukokortikoid, banyanusus enam sampai sepuluh
J ,
