BAB 9. METABOLISME Metabolisme adalah total keseluruhan reaksi yang terjadi di dalam sel.

Metabolisme terdiri atas 2 jenis, yaitu katabolisme dan anabolisme. Katabolisme adalah

pemecahan molekul kompleks menjadi lebih kecil, sederhana dan disertai pelepasan

energi. Pelepasan energi ini dapat atau tidak dapat digunakan untuk mendorong reaksi

lainnya. Anabolisme adalah sintesis molekul kompleks dari beberapa molekul

sederhana dan memerlukan sejumlah energi. Pembahasan metabolisme tidak terlepas

dari konsep termodinamika.

KONSEP DASAR ENERGIHukum Termodinamika 1

Energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Hal ini berarti dalam

sistem hidup energi dari lingkungan harus dapat ditangkap dan dikonversikan ke bentuk

lain. Hal ini dilakukan oleh organisme fotosintetik yang mampu menangkap energi panas

matahari menjadi energi kimia (ATP dan NADP) untuk proses biosintesis baik material

sel maupun cadangan makanan (Gambar 9.1). Organisme heterotrof juga mampu

menagkap energi dari makanan menjadi energi (Gambar 9.2).

Gambar 9.1 Penangkapan energi matahari oleh tanaman

Gambar 9.2 Penangkapan energi oleh organisme heterotrof (manusia)

Hukum Termodinamika 2

Pada setiap reaksi energi dapat kehilangan kemampuannya menghasilkan kerja akibat sistem yang tidak teratur (disorder). Pada sistem hidup banyak sekali

energi yang terbuang percuma (entropi).

Energi bebas (G) Semua reaksi dapat dideskripsikan sebagai berikut

DH = DG + TDS, di mana H adalah total energi reaksi, S adalah jumlah energi yang

hilang (entropi), dan G adalah jumlah energi bebas. Reaksi di atas dapat diubah menjadi

DG = DH – TDS. Dengan demikian semakin tinggi entropi (DS), maka semakin tidak

teratur sebuah sistem (DG). Semakin rendah entropi, maka semakin teratur sebuah

sistem.

Reaksi Oksidasi Reduksi (Redoks)Sebagian besar reaksi di dalam sel berlangsung dalam bentuk reaksi redoks.

Reaksi redoks merupakan konsep dasar metabolisme. Semua molekul memiliki elektron

dan setiap molekul berpotensi menerima atau mendonor elektron kepada molekul

lainnya.

NAD(P)+ + 2H+ + 2e+ NAD(P)H + H+

Potensial reaksi redoks untuk mendonasi elektron dapat diukur. Para ilmuwan dengan

susah payah akhirnya dapat menentukan nilai potensial redoks pada kondisi standar

(Eo) yang sebelumnya dianggap mustahil. Tabel 9.1 menunjukkan daftar reaksi redoks

yang umum terjadi dalam sel

Tabel 9.1 Sejumlah reaksi redoks yang terjadi di dalam selReaksi Redoks Eo

2H++ 2e- H2 -0.42ferredoxin(Fe+3) + e- ferredoxin(Fe+2) -0.42NAD(P)+ + 2H+ + 2e- NAD(P)H + H+ -0.32S + 2H+ + 2e- H2S -0.274SO4

-2 + 8H+ + 8e- H2S -0.22pyruvate + 2H+ + 2e- lactate-2 -0.185FAD + 2H+ + 2e- FADH + H+ -0.18cytochrome b(Fe3+) + e- cytochrome b(Fe+2) 0.075ubiquinone + 2H+ + 2e- ubiquinone H2 0.10cytochrome c(Fe+3) + e- cytochrome c(Fe+2) 0.254NO3

- + 2H+ + 2e- NO2- + H2O 0.421

NO2- 8H+ + 6e- NH4 0.44

Fe+3 + e- Fe+2 0.771O2 + 4H+ + 4e- 2H2O 0.815

PEMBAWA ENERGI

Terdapat 3 aktivitas utama pemanfaatan energi di dalam sel, yaitu sintesis

molekul kompleks, transportasi molekul, dan mengerakan struktur sel. Bagaimana sel

memperoleh energi untuk aktivitas tersebut? Sel memperoleh energi langsung dari

reaksi metabolisme atau mengkonversi ke molekul pembawa energi.Terdapat 2 molekul

utama pembawa energi di sistem hidup, yaitu adenosin trifosfat (ATP) dan nikotamida

adenin dinukleotida (NAD+) (Gambar 9.3).

Gambar 9.3 Molekul pembawa energi ATP (atas) dan NAD+ (bawah)

ATP merupakan pembawa energi kimiawi dalam bentuk ikatan fosfat berenergi

tinggi. NAD+ merupakan pembawa hidrogen dan elektron dan terlibat pada berbagai

reaksi redoks. NAD+ dapat mengambil dan mentransport elektron dan proton. Ketika

NAD+ membawa proton dan elektron, maka dia berubah menjadi NADH + H+. Selain

ATP dan NAD+ terdapat molekul lain sebagai pembawa energi seperti asil fosfat. (Untuk

memudahkan penulisan, maka selanjutnya NAD+ cukup ditulis NAD, sedangkan NADH +

H+ cukup ditulis NADH).

ProtonProton atau ion hidrogen (H+) merupakan molekul penting dalam metabolisme

khususnya katabolisme. Hidrogen merupakan elemen terkecil dan hanya memiliki proton

dan elektron (tanpa neutron). Jika kita mengambil elektron maka hidrogen berubah

bentuk menjadi proton. Proten berperan penting dalam respirasi dan reaksi enzimatik

lainnya. Secara tidak langsung proton adalah pembawa energi. Hal ini karena aktivitas

translokasi proton pada ATPase mampu menghasilkan ATP dan transportasi proton via

membran sel dapat dikopling dengan aktivitas pergerakan flagela dan silia.

ENZIMSebagian besar reaksi metabolisme tidak terjadi secara spontan atau cepat,

tetapi memerlukan pendorong untuk terjadinya reaksi. Pendorong terdiri atas 2 bentuk

yaitu molekul anorganik dan organik. Pendorong anorganik disebut katalisator,

sedangkan pendorong organik disebut enzim. Baik katalisator dan enzim berperan

dalam menurunkan energi aktivasi reaksi, sehingga reaksi lebih mudah dan cepat

terjadi.

Enzim adalah protein yang berperan sebagai katalisator metabolisme. Ukuran

enzim bervariasi dari 1x104 Dalton sampai 1x106 Dalton. Selain protein, enzim juga

mengandung molekul lain yang disebut kofaktor. Enzim lengkap dengan kofaktor disebut

holoenzim, sedangkan enzim tanpa kofaktor disebut apoenzim (Gambar 9.4).

Gambar 9.4 Struktur enzim yang terdiri dari 4 domain protein (4 warna molekul).

METABOLISME SENTRALUntuk dapat hidup dan berkembang, organisme harus makan. Makanan

menyediakan sumber energi dan sumber karbon untuk biosintesis komponen sel. Pada

organisme heterotrof sumber energi merupakan senyawa hidrokarbon (...-C-C-C-...).

Senyawa organik dapat monomer maupun polimer. Pada umumnya organisme

heterotrof memerlukan glukosa sebagai sumber energi dan sumber karbon. Karena

glukosa merupakan sumber energi dan sumber karbon, maka proses katabolisme

glukosa disebut metabolisme sentral. Metabolisme sentral pada organisme baik

prokariota dan eukariota adalah glikolisis dan siklus asam sitrat.

Glikolisis merupakan proses pemecahan glukosa menjadi senyawa triosa (C3),

yaitu piruvat. Siklus asam sitrat atau siklus Krebs merupakan proses oksidasi senyawa

trikarboksilat menjadi senyawa sumber elektron atau sumber energi yang kemudian

difosforilasi oksidatif menjadi energi. Senyawa antara pada glikolisis dan siklus asam

sitrat menyediakan prekursor biosintesis asam amino.

GlikolisisPada eukariota glikolisis merupakan proses pemecahan glukosa menjadi piruvat

melalui jalur heksosa bisfosfat. Pada prokariota selain jalur heksosa bisfosfat, juga

terdapat jalur lain pemecahan glukosa menjadi piruvat. Terdapat 4 jalur (pathway)

glikolisis untuk katabolisme glukosa pada prokariota, yaitu jalur Embden Meyerhoff

Parnas (EMP) juga disebut heksosa bisfosfat, jalur Heksosa Monofosfat (HMP) juga

disebut fosfoketolase, jalur Pentosa fosfat (PP), dan jalur Etner Doudoroff (ED) juga

disebut ketoglukonat. Tiga jalur yang disebut belakangan, mengubah glukosa 6-fosfat

menjadi 6-fosfo-glukonat, sedangkan jalur EMP mengubah glukosa 6-fosfat menjadi

fruktosa 6-fosfat. Keempat jalur tersebut mempunyai persamaan, yaitu memecah

heksosa (glukosa) menjadi triosa, yaitu gliseraldehid 3-fosfat (tetapi melalui jalur

berbeda), mengoksidasi triosa, menjadi asam triosa, yaitu piruvat.

Sebagian besar prokariota memproses karbohidrat (glukosa) melalui jalur EMP

dan hanya beberapa prokariota saja yang tidak melalui jalur EMP. Sebagian prokariota

mempunyai lebih dari satu jalur katabolisme karbohidrat (glikolisis). E. coli

menggunakan jalur EMP sebagai jalur utama untuk mengonsumsi glukosa, sedangkan

jalur ED dipakai kalau sumber karbon adalah glukonat. Arkhaea Themoproteus tenax

menggunakan jalur EMP dan ED untuk mekatabolisme glikogen dan trehalosa.

Glikolisis via Jalur EMP

Pada jalur ini glukosa dipecah menjadi 2 piruvat (Gambar 9.5). Jalur EMP

mempunyai 4 tahapan penting katabolisme, yaitu fosforilasi ganda heksosa, pemecahan

heksosa bisfosfat menjadi 2 triosa fosfat, dan defosforilasi triosa bisfosfat menjadi energi

dan piruvat.

Tahap pertama fosforilasi ganda heksosa dimulai dari fosforilasi glukosa menjadi

glukosa 6-fosfat dengan bantuan heksokinase. Glukosa 6-fosfat diisomerisasi (mutasi

gugus karboksil dari karboksilat menjadi keto) menjadi fruktosa 6-fosfat dengan bantuan

fosfoglukoisomerase. Selanjutnya, fruktosa 6-fosfat difosforilasi menjadi fruktosa 1,6-

bisfosfat dengan bantuan fosfofruktokinase.

Tahap kedua pemecahan heksosa bisfosfat menjadi 2 triosa fosfat dimulai dari

pemecahan fruktosa 1,6-bisfosfat menjadi gliseraldehid 3-fosfat (G3P) dan dihidroksi

aseton dengan bantuan aldolase. Dihidroksi aseton fosfat dapat direduksi menjadi

gliserol 3-fosfat dengan bantuan gliserol fosfat dehidrogenase atau diisomerisasi

menjadi G3P dengan bantuan triosa fosfat isomerase, sehingga menghasilkan 2 triosa

bisfosfat (G3P).

Tahap ketiga defosforilasi triosa bisfosfat menjadi energi dan piruvat dimulai dari

fosforilasi G3P oleh fosfat anorganik menjadi triosa bisfosfat (1,3-difosfo gliserat)

dengan bantuan G3P dehidrogenase. Proses ini juga menghasilkan NADH (sumber

elektron bagi respirasi). 1,3-Difosfogliserat didefosforilasi (dikopling dengan sintesis

ATP) menjadi 3-fosfogliserat dengan bantuan fosfogliserokinase. Gugus fosfat dimutasi

dari posisi 3 ke posisi 2, sehingga menghasilkan 2-fosfogliserat dengan bantuan

fosfogliserat mutase. Pembentukan ikatan rangkap (dehidrasi) antara atom C no 2 dan

no 3, sehingga 2-fosfogliserat menjadi fosfoenol piruvat (PEP) dengan bantuan

enolase. PEP didefosforilasi (dipasangkan dengan sintesis ATP) menjadi piruvat dengan

bantuan piruvat kinase.

Dari semua reaksi di jalur EMP terdapat beberapa reaksi yang ireversibel (tidak

balik). Reaksi yang ireversibel adalah glukosa menjadi glukosa 6-fosfat, fruktosa 1,6

bisfosfat menjadi gliseraldehid 3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat, dan fosfoenol

privuvat menjadi piruvat. Hal ini bertujuan supaya proses glikolisis tidak berlangsung

bersamaan dengan proses glukoneogenesis.

Hasil akhir adalah 2 piruvat, 2 NADH, 2 ATP. Piruvat akan diposes lebih lanjut

melalui siklus asam sitrat. NADH dioksidasi lanjut pada respirasi atau fermentasi

tergantung ada tidaknya elektron akseptor dan enzim-enzim rantai respirasi.

Gambar 9.5 Glikolisis glukosa melalui jalur EMP.

Siklus Asam SitratApa yang terjadi dengan piruvat? Piruvat akan diurai menjadi CO2 dan

menghasilkan sejumlah energi melalui respirasi atau difermentasi. Jika difermentasi,

maka piruvat direduksi menjadi produk akhir fermentasi, seperti asam laktat dan etanol.

Jika direspirasi, piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA dan akhirnya menjadi CO2. Pada

tulisan ini dibahas respirasi aerob (oksidasi) piruvat.

Sebelum memasuki siklus asam sitrat, piruvat dioksidasi dulu menjadi asetil KoA

oleh kompleks piruvat dehidrogenase. Kompleks piruvat dehidrogenase E. coli terdapat

di mitokondria (eukariota) dan sitoplasma (prokariota) dan terdiri atas 3 enzim, yaitu

piruvat dehidrogenase (E1), dihidrolipoat transasetilase (E2), dan dihidrolipoat

dehidrogenase (E3).

Gambar 9.6 Proses oksidasi piruvat menjadi asetil KoA

Proses oksidasi piruvat menjadi asetil KoA cukup kompleks, karena melibatkan

perubahan yang terjadi pada kompleks multienzim (Gambar 9.6). Tahapan oksidasi

piruvat menjadi asetil KoA adalah sebagai berikut. Piruvat didekarboksilasi menjadi

asetaldehid aktif dan reaksi ini dikatalisis oleh E1. Asetaldehid aktif bereaksi dengan

disulfida asam lipoat-E2 menjadi karboksil-asam lipoat. Reaksi ini dikatalisisis E1.

Transasetilasi karboksil-asam lipoat, sehingga asam lipoat diganti KoA dan

menghasilkan asetil KoA. Reaksi ini dikatalisisis enzim 2 (E2). Sulfuridril asam lipoat-E2

dioksidasi oleh enzim 3 (E3) menjadi disulfida asam lipoat-E2. E3 tereduksi dan proton

diterima NAD , sehingga menghasilkan NADH.

Reaksi oleh kompleks piruvat dehidrogenase merupakan reaksi tidak dapat

membalik. Piruvat dehidrogenase dihambat umpan balik oleh asetil KoA dan dipacu oleh

piruvat dan AMP. AMP merupakan sinyal bagi proses oksidasi asetil KoA menjadi NADH

yang kemudian dioksidasi menghasilkan ATP.

Gambar 9.7 Siklus TCA/Krebs/Asam Sitrat

Asetil dari asetil KoA ditransfer ke asam oksaloasetat menjadi asam sitrat oleh

sitrat sintase. Proses ini menandakan dimulainnya siklus asam sitrat. Siklus asam sitrat

mempunyai nama lain, yaitu siklus asam sitrat dan siklus Krebs (Gambar 9.7). Reaksi

asetil KoA dan oksaloasetat menjadi sitrat yang dikatalisisis sitrat sintase. Dehidrasi

sitrat menjadi cis-akonitat yang dikatalisis akonitase. Hidrasi cis akonitat menjadi

isositrat yang juga dikatalisis akonitase. Dehidrogenasi isositrat menjadi oksalosuksinat

yang dikatalisis isositrat dehidrogenase. Dekarboksilasi oksalosuksinat menjadi -

ketoglutarat yang dikatalisis isositrat dehidrogenase. Dekarboksilasi dan dehidrogenasi

-ketoglutarat menjadi suksinil KoA yang dikatalisis -ketoglutarat dehidrogenase (perlu

KoA). Konversi suksinil KoA menjadi suksinat yang dikatalisis suksinat tiokinase.

Karena ada gugus KoA yang berenergi tinggi, maka dikopling dengan fosforilasi tingkat

substrat sehingga menghasilkan ATP. Dehidrogenasi suksinat menjadi fumarat yang

dikatalisis suksinat dehidrogenase. Penerima proton adalah FAD. Hidrasi fumarat

menjadi malat yang dikatalisis fumarase. Dehidrogenasi malat menjadi oksaloasetat

yang dikatalisis malat dehidrogenase.

Siklus asam sitrat menghasilkan 3 NADH, 1 FADH2 dan 1 ATP dari 1 molekul

asetil KoA dan 2 CO2. Karena siklus asam sitrat menghasilkan CO2, maka dimungkinkan

suatu dugaan bahwa terdapat organisme autotrof yang mampu melakukan jalur

kebalikan siklus asam sitrat untuk menambat CO2.

KATABOLISME LEMAK (B-OKSIDASI ASAM LEMAK)Hampir semua lemak terpusat di membran sel. Lemak di membran sel jarang

berbentuk trigliserida, tetapi dalam bentuk lebih kompleks, misalnya fosfolipid, glikolipid,

lipoprotein, dan lainnya. Sebagian besar lemak dalam membran sel adalah fosfolipid.

Asam lemak adalah rantai karbon metilen dengan gugus karboksil di salah satu

ujungnya. Asam lemak dapat berupa rantai metilen lurus, atau bercabang, bahkan

aromatik. Sebagian besar asam lemak dalam bakteri sudah teresterifikasi dengan

senyawa lain membentuk senyawa ester.

Sebagian prokariota (seperti Pseudomonas, Bacillus dan E. coli) dapat tumbuh

pada media yang mengandung lemak. Lemak lebih dulu dideesterifikasi menjadi asam

lemak. Asam lemak kemudian siap mengalami oksidasi menjadi asetil KoA. Karena

terjadi oksidasi di atom karbon b, maka oksidasi tersebut dinamakan b-oksidasi.

Pada prinsipnya b-oksidasi mengurai atau memotong asam lemak menjadi satuan

(monomer) asetil KoA. Reaksi pada b-oksidasi adalah sebagai berikut (Gambar 9.8).

Asam lemak memperoleh gugus KoA, sehingga membentuk asil KoA dengan bantuan

asil KoA sintetase. Reaksi ini memerlukan energi dari ATP. Kemudian, asil KoA

mengalami dehidrogenasi, sehingga menghasilkan asil KoA tidak jenuh (mengandung

ikatan rangkap pada atom karbon b). Hidrogen yang dihasilkan, ditangkap FAD+. Reaksi

ini dikatalisis asil KoA dehidrogenase. Hidrasi ikatan rangkap pada asil KoA tidak jenuh,

sehingga menghasilkan hidroksiasil KoA. Reaksi ini dikatalisis hidroksiasil KoA

hidrolase. Dehidrogenasi gugus hidroksil dari hidroksiasil KoA, sehingga menghasilkan

gugus keto. Reaksi ini dikatalisis hidroksiasil dehidrogenase. Hidrogen diterima oleh

NAD+. Pemutusan ikatan karbon-karbon pada posisi b akibat serangan KoA, sehingga

menghasilkan asil KoA (lebih pendek 2 atom karbon) dan asetil KoA. Reaksi ini

dikatalisis b-ketothiolase. Asil KoA kemudian mengalami perulangan reaksi-reaksi

seperti di atas, sehingga menghasilkan asil KoA yang lebih pendek 2 atom C. Asetil KoA

dioksidasi menjadi NADH, FADH, ATP, dan CO2 melalui siklus asam sitrat atau

difermentasi melalui siklus reduktif-asam sitrat menghasilkan prekursor bagi biosintesis

asam amino.

Gambar 9.8 Katabolisme lemak

KATABOLISME ASAM AMINOAsam amino dapat dipakai sebagai sumber energi. Asam amino terlebih dulu

dideaminasi menjadi asam keto. Deaminasi dapat terjadi dalam 3 model, yaitu

deaminasi dengan bantuan flavoprotein oksidase, dehidrogenase, dan transaminase.

Pada proses pertama deaminasi dapat dikopling dengan pembentukan energi. Pada

proses kedua deaminasi tidak dapat langsung dikopling dengan pembentukan energi.

Akan tetapi, pada proses ketiga deaminasi dapat dikopling dengan pembentukan energi.

Secara keseluruhan 20 asam amino didegradasi menjadi 6 senyawa antara yang

berada di metabolisme sentral, yaitu piruvat, asetil KoA, oksaloasetat, fumarat, suksinil

KoA, dan -ketoglutarat (Gambar 9.9). Besar-kecilnya energi yang dihasilkan tergantung

pada jenis senyawa antaranya.

Gambar 9.9 Katabolisme protein

BIOSINTESIS LEMAK

Biosintesis lemak dimulai dengan biosintesis asam lemak. Prekursor biosintesis

asam lemak adalah asetil KoA. Rute biosintesis asam lemak berbeda dengan rute b-

oksidasi asam lemak (Gambar 9.10).

Gambar 9.10 Biosintesis asam lemak

Karboksilasi asetil KoA menjadi malonil KoA. Reaksi ini memerlukan energi dan

dikatalisis asetil KoA karboksilase. Penggantian gugus KoA dengan gugus ACP. Reaksi

ini dikatalisis malonil transasetilase. ACP merupakan target antibiotika pantotenamida

pada E. coli, sehingga mampu menghambat biosintesis asam lemak. Di tempat terpisah,

gugus KoA dari asetil KoA diganti dengan gugus ACP, sehingga menghasilkan asil ACP.

Reaksi ini dikatalisis ketoasil ACP sintase. Asil ACP dan malonil ACP mengalami

kondensasi, sehingga menghasilkan 3-ketoasil ACP dan melepaskan CO2 dan gugus

ACP. Reaksi ini dikatalisis ketoasil ACP sintase. Dehidrogensi 3-ketoasil ACP (pada C

no 3) sehingga menghasilkan 3-hidroksiasil ACP. Reaksi ini dikatalisis ketoasil ACP

reduktase. Dehidrasi pada C no 3, sehingga menghasilkan ikatan rangkap (senyawanya

disebut enoil asil ACP). Reaksi ini dikatalisis b-hidroksiasil ACP dehidrase.

Dehidrogenasi pada ikatan rangkap enoil asil ACP, sehingga menghasilkan asil (C4)

ACP. Reaksi ini dikatalisis enoil asil ACP. Kemudian, Asil ACP mengalami

pemanjangan, yaitu berkondensasi dengan malonil ACP. Reaksi ini sama dengan reaksi

asetil ACP dan malonil ACP seperti di atas. Ketika jumlah karbon dirasa mencukupi, asil

ACP ditransfer ke membran fosfolipid. Proses ini dikatalisis gliserol fosfatase

asiltransferase. Proses inkorporasi fosfat akan dijelaskan pada tulisan berikutnya.

Biosintesis Fosfolipid Fosfolipid merupakan asam lemak yang terikat kovalen dengan fosfat. Terdapat

berbagai jenis fosfolipid di bakteri, tetapi yang akan dibahas adalah fosfolipid yang

umum dijumpai (Gambar 9.11). Struktur fosfolipid dalam membran sel adalah amfibolik,

yaitu satu bagian molekul bermuatan (polar/hodrofilik) dan bagian yang lain tidak

bermuatan (nonpolar/hidrofobik). Area hidrofilik yang berisi fosfat dan hidrofobik yang

berisi asam lemak disebut kepala dan ekor.

Gambar 9.11 Senyawa fosfolipid pada prokariota, yaitu asam fosfatidil (X=H), fosfatidil serin (X=serin), fosfatidil etanolamin (X=etanolamin), fosfatidil gliserol (X=gliserol), dan kardiolipin (X=fosfatidil gliserol).

Beberapa sifat membran sel yang perlu diperhatikan adalah sebagai berikut.

Membran sel hanya dapat dilewati oleh air, gas, dan molekul hidrofob kecil. Membran

sel mampu melakukan kerja seluler, jika terdapat perbedaan muatan (proton dan ion

natrium) di seberang-menyeberang membran sel. Asam lemak yang mengisi area

hidrofob harus dalam kondisi cair (fluid). Kondisi ini untuk mempertahankan fungsi

membran sel. Fluiditas asam lemak terjaga, karena adanya asam lemak tidak jenuh (titik

beku asam lemak tidak jenuh lebih rendah dibandingkan asam lemak jenuh) dan asam

lemak bercabang.

Gambar 9.12 Biosintesis fosfolipid.

Biosintesis fosfolipid dimulai dari reduksi dihidroksi aseton fosfat (senyawa

antara glikolisis) menjadi gliseraldehid 3-fosfat (G3P) (Gambar 9.12). Dua molekul asil

ACP mentransfer gugus asam lemak ke G3P menghasilkan asam fosfatidat. Reaksi ini

dikatalisis gliseraldehid 3-fosfat asil transferase. Asam fosfatidat merupakan fosfolipid

pertama yang dihasilkan. Asam fosfatidat diproses lagi menjadi derivat fosfolipid lainnya,

misalnya fosfatidil serin, fosfatidiletanolamin, dan kardiolipin.

Asam fosfatidat kemudian bereaksi dengan sitidin trifosfat (CTP) menghasilkan

citidin difosfat diasil gliserol dan pirofosfat. Reaksi ini dikatalisis citidin difosfat digliseride

sintase. Penambahan sistein pada citidin difosfat diasil gliserol akan menghasilkan

fosfatidil serin. Reaksi ini dikatalisis fosfatidil serin sintase. Fosfatidil serin

dekarboksilase melakukan dekarboksilasi fosfatidil serin menghasilkan fosfatidil

etanolamin. Secara terpisah, citidin difosfat diasil gliserol bereaksi dengan gliserol fosfat

menghasilkan fosfatidil gliserol fosfat. Reaksi ini dikatalisis fosfatidil gliserol fosfat

sintase. Hidrolisis fosfatidil gliserol fosfat menghasilkan fosfatidil gliserol (dan

melepaskan fosfat). Reaksi ini dikatalisis fosfatidil gliserol fosfat fosfatase. Dua molekul

fosfatidil fosfat berekasi menghasilkan kardiolipin (difosfatidil gliserol). Reaksi ini

dikatalisis kardiolipin sintase.

BIOSINTESIS PROTEINProtein merupakan polipeptida dari 20 jenis asam amino. Ke-duapuluh asam

amino dapat dikelompokkan menjadi 6 kelompok berdasarkan prekursor masing-masing

(Tabel 9.2). Dapat dilihat bahwa prekursor 5 kelompok asam amino berasal dari

senyawa antara pada metabolisme sentral. Hanya histidin yang berasal dari fosforibosil

pirofosfat (PRPP) atau ATP. Meskipun sebenarnya PRPP berasal dari fosforilasi ribosa

5-fosfat dari jalur HMP.

Tabel 9.2 Prekursor asam amino Prekursor Asam amino

Oksaloasetat Piruvat3PGA-KetoglutaratPEP & E4PPRPP & ATP

Aspartat, asaparagin, metionon, lisin, treonin, isoleusinAlanin, valin, leusinSerin, glisin, sistein Glutamat, glutamin, arginin, prolinFenilalanin, tirosin, triptofanHistidin

Biosintesis Asam AminoPada dasarnya sintesis asam amino merupakan reaksi aminasi (pengikatan

gugus amin) karboksilat. Gugus amin biasanya berasal dari amonia. Akan tetapi,

pengikatan gugus amin ke karboksilat dapat langsung (1 tahap) atau tidak langsung (2

tahap). Pengikatan gugus amin langsung terdapat pada proses sintesis glutamat dari -

ketoglutarat (Gambar 9.13). Reaksi ini memerlukan glutamat dehidrogenase.

Gambar 813 Reaksi glutamat dehidrogenase

Gambar 9.14 Reaksi GS-GOGAT

Pengikatan gugus amin tidak langsung terjadi pada proses sintesis glutamat dari

-ketoglutarat dan memerlukan glutamat lainnya (Gambar 9.14). Pada reaksi ini gugus

amin lebih dulu diinkorporasi ke glutamat menghasilkan glutamin (dikatalisis glutamin

sintase/GS). Gugus amin ditransfer ke -ketoglutarat menghasilkan glutamat (dikatalisis

glutamin -oksoglutarat transaminase atau GOGAT). Glutamin yang kehilangan amida,

menjadi glutamat.

Dari kedua tipe reaksi di atas (GH dan GS-GOGAT) tampaknya reaksi GS-

GOGAT merupakan reaksi yang paling mungkin terjadi di alam. Hal ini karena reaksi GH

memerlukan kadar amonia yang tinggi di habitatnya, sedangkan reaksi GS-GOGAT

memerlukan sedikit amonia di habitatnya.

Sintesis asam amino lainnya memerlukan glutamat sebagai sumber nitrogen

(gugus amin) ke karboksilat. Reaksi ini merupakan proses transaminasi, sehingga

enzimnya disebut transaminase.

BIOSINTESIS NUKLEOTIDANukleotida adalah polimer molekul purin atau pirimidin, ribosa atau deoksiribosa,

dan fosfat (Gambar 9.15). Jika tanpa fosfat, maka polimer tersebut dinamakan

nukleosida. Jadi nukleotida adalah nukleosida fosfat. Tiga molekul pirimidin penyusun

nukleotida adalah sitosin, timin, dan urasil dan nama nukleosidanya adalah sitidin,

timidin, dan uridin. Dua molekul purin penyusun nukleotida adalah guanin dan adenin

(Gambar 9.16) dan nama nukleosidanya adalah guanosin dan adenosin.

Gambar 9.15 Monomer nukleotida

Gambar 9.16 Molekul purin (atas) dan pirimidin (bawah)

Biosintesis PirimidinBerdasarkan asal atom karbon dan nitrogen, pirimidin disintesis dari aspartat,

amonia yang berasal dari glutamin, dan CO2 yang berasal dari karbonat (Gambar 9.17).

Gambar 9.17 Prekursor pirimidin (kiri) dan purin (kanan)

Sintesis nukleotida pirimidin dimulai dari fosforilasi aminasi karbonat (Gambar

9.18). Aminasi dan fosforilasi karbonat menjadi karbamoil fosfat. Reaksi ini dikatalisis

karbamoil fosfat sintetase. Selanjutnya, aspartat terikat pada karbamoil, sehingga

menghasilkan karbamoil aspartat (melepaskan fosfat). Reaksi ini dikatalisis aspartat

transkarbamoilase. Hidrasi karbamoil aspartat menjadi dihidroorotat. Reaksi ini

Gambar 9.18 Biosintesis pirimidin

dikatalisis dihidroorotase. Dehidrogenasi (oksidasi) dihidroorotat menjadi orotat. Reaksi

ini dikatalisis dihidroorotat dehidrogenase. Terikatnya 5-fosforibosil pirofosfat (disintesis

dari fosforilasi ribosa 5-fosfat) pada atom nitrogen dari orotat, sehingga menghasilkan

orotidin monofosfat (melepaskan pirofosfat). Reaksi ini dikatalisis orotat fosforibosil

transferase. Dekarboksilasi orotidin monofosfat menjadi uridin monofosfat (UMP).

Reaksi ini dikatalisis orotidin fosfat dekarboksilase. Fosforilasi uridin monofosfat menjadi

uridin difosfat (UDP). Reaksi ini dikatalisis nukleosidamonofosfat kinase. Fosforilasi

uridin difosfat menjadi uridin trifosfat (UTP). Reaksi ini dikatalisis nukleosidadifosfat

kinase. Uridin trifosfat merupakan prekursor uridin.

Terikatnya amonia pada uridin trifosfat menghasilkan sitidin trifosfat (CTP).

Reaksi ini memerlukan energi/ATP. Sitidin trifosfat merupakan prekursor sitidin. Timidin

disintesis dari metilasi UTP.

Biosintesis PurinAtom karbon dari purin berasal dari format atau serin, glisin, dan karbon

dioksida. Atom nitrogen dari purin berasal dari aspartat, glisin, dan glutamin (Gambar

9.17).

Sintesis cincin purin dimulai dari terikatnya atom nitrogen glutamin pada

fosforibosil (berasal dari fosforibosil pirofosfat) menghasilkan 5-fosforibosilamin (Gambar

9.19). Reaksi ini dikatalisis fosforibosil pirofosfat amidotransferase. Tersisipnya glisin ke

5-fosforibosilamin, sehingga menghasilkan 5-fosforibosil glisinamida. Reaksi ini

memerlukan energi (ATP) dan dikatalisis fosforibosil glisinamida sintetase. Terikatnya

formil pada fosforibosil glisinamida, sehingga menghasilkan 5-fosforibosil N

formilglisinamida. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil formilglisinamida sintetase.

Pengikatan gugus NH2 dari glutamin,sehingga menghasilkan 5-fosforibosil N

formilglisinamidin. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil formilglisinamidin sintetase dan

memerlukan energi.

Pembentukan struktur cincin pada fosforibosil N formilglisinamidin, sehingga

menghasilkan 5-fosforibosil 5-aminoimidazol. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil

aminoimidazol sintetase. Karboksilasi 5-fosforibosil 5-aminoimidazol, sehingga

menghasilkan asam 5-fosforibosil 5-aminoimidazol 4-karboksilat. Reaksi ini dikatalisis

fosforibosil aminoamidazol karboksilase. Terikatnya aspartat pada asam 5-fosforibosil 5-

aminoimidazol 4-karboksilat, sehingga menghasilkan asam 5-fosforibosil 4-N

suksinokarboksamida 5-aminoimidazol. Reaksi ini dikatalisis fosforibosilaminoamidazol

suksinokarboksamida sintetase. Terlepasnya 4 karbon yang semula berasal dari

aspartat dari reaksi sebelumnya (Jadi aspartat akhirnya hanya menyumbang nitrogen

saja), sehingga menghasilkan 5-fosforibosil 4-karboksamida 5-amidoimidazol.

Gambar 9.19 Biosintesis purin

Reaksi ini dikatalisis adenilosuksinat liase. Terikatnya formil ke 5-fosforibosil 4-

karboksamida 5-amidoimidazol, sehingga menghasilkan 5-fosforibosil 4-karboksamida

5-formamidoimidazol. Reaksi ini dikatalisis fosforibosil amidoimidazol karboksamida

formiltransferase. Pembentukan cincin (kedua) dari 5-fosforibosil 4-karboksamida 5-

formamidoimidazol, sehingga menghasilkan inosinat monofosfat (IMP). Reaksi ini

melepaskan air dan dikatalisis inosinat siklohidrolase. IMP merupakan prekursor dari

semua nukleotida purin.

REGULASI METABOLISMEOrganisme mampu mengkatalisis lebih dari seribu reaksi kimia dalam jalur-jalur

metabolisme yang saling berkaitan. Semua reaksi dalam metabolisme dikatalisis oleh

enzim. Oleh karena itu, terdapat pengaturan (regulasi) enzim pada proses metabolisme.

Regulasi enzim terdapat dalam 2 bentuk, yaitu regulasi non-kovalen (noncovalent

bonding) dan regulasi modifikasi kovalen (covalent modification). Regulasi non-kovalen

adalah terikatnya efektor oleh (biasanya) produk pada daerah alosterik (allosteric

effector) secara nonkovalen (Gambar 9.20). Regulasi modifikasi kovalen adalah

menempelnya gugus kimia (misalnya fosfat atau nukleotida) pada enzim.

Gambar 9.20 Perubahan konformasi enzim sebelum penghambatan (kiri) dan setelah penghambatan alosterik (kanan). Enzim (E) mempunyai 3 sisi pengikatan, yaitu sisi koenzim (K), sisi alosterik (A), dan sisi aktif (SA). Ketika enzim mengikat penghambat alosterik (PA), maka struktur sisi aktif berubah, sehingga tidak mampu menangkap substrat (S).

Regulasi NonkovalenInhibisi Umpan Balik (feedback inhibition)

Pada reaksi biosintesis produk akhir selalu berperan sebagai efektor alosterik

negatif pada percabangan enzim (Gambar 9.21). Penghambatan ini disebut inhibisi

umpan balik. Terdapat tiga pola inhibisi umpan balik, yaitu sederhana, kumulatif, dan

terkonsentrasi (Gambar 9.22).

Jika enzim dihambat oleh 1 produk akhir saja, maka disebut inhibisi umpan balik

sederhana. Jika enzim dapat dihambat oleh 2 produk akhir, maka disebut inhibisi umpan

balik kumulatif. Jika enzim dihambat oleh 2 produk akhir secara terus-menerus sampai

terjadi penghambatan, maka disebut inhibisi umpan balik terkonsentrasi.

Gambar 9.21 Regulasi pada metabolisme bercabang. Garis panah takputus menunjukkan arah reaksi, garis panah terputus menunjukkan regulasi.

Gambar 9.22 Pola inhibisi umpan balik sederhana (kiri); kumulatif (tengah); dan terkonsentrasi (kanan).

Pada inhibisi umpan balik kumulatif setiap produk akhir tidak mempunyai

efektivitas penuh menghambat aktivitas enzim. Akan tetapi, jika kedua produk akhir

bergabung, maka mampu menghambat aktivitas enzim secara signifikan. Misalnya

produk A menghambat enzim X sebesar 40%, produk B menghambat enzim X sebesar

50%. Maka produk A dab B menghambat enzim X sebesar 75% (bukan 40+50=90%).

Akan tetapi, inhibisi umpan balik terkonsentrasi tidak dapat dihambat oleh satu produk

saja.

Regulasi Positif

Metabolisme dapat diregulasi secara positif (dipacu). Regulasi seperti ini dapat

dilakukan oleh senyawa produk antara. Regulasi positif terdapat 2 pola, yaitu aktivasi

prekursor dan regulasi positif biasa.

Pada aktivasi prekursor enzim dipacu oleh senyawa antara pada jalur

metabolisme sama. Misalnya, enzim piruvat kinase (yang mengkatalisis reaksi PEP

menjadi piruvat ) diregulasi positif oleh fruktosa bisfosfat (jalur glikolisis). Fruktosa

bisfosfat merupakan prekursor PEP.

Pada regulasi positif biasa, jika enzim dipacu oleh senyawa antara pada jalur

metabolisme berbeda. Contoh PEP karboksilase yang mengkatalisis PEP menjadi

oksaloasetat (jalur biosinteis) di regulasi positif oleh asetil KoA (jalur katabolisme).

Regulasi Enzimatik

Banyak reaksi yang dikatalisis enzim regulatif merupakan percabangan reaksi.

Enzim regulatif adalah enzim yang dapat menentukan arah produk dari suatu substrat.

Biasanya enzim regulatif terdiri atas 2 jenis enzim yang mampu berinteraksi dengan

substrat yang sama. Pada metabolisme enzim regulatif biasanya ireversibel (tidak dapat

mengkatalisis balik).

Perubahan Bentuk Konformasi EnzimKetika efektor berikatan dengan enzim di daerah alosterik, terjadi perubahan

bentuk konformasi enzim, sehingga mengubah kinetika enzim. Asumsikan sebuah

enzim mempunyai 3 daerah pengikatan, yaitu substrat, efektor positif, dan efektor

negatif. Asumsikan juga enzim mempunyai 2 bentuk konformasi, yaitu A dan B. Jika

enzim mengikat efektor positif (misalnya koenzim), maka enzim berbentuk konformasi A,

sehingga enzim mampu mengikat substrat dan melakukan reaksi. Jika enzim mengikat

efektor negatif (misalnya penghambat alosterik), maka enzim berbentuk konformasi B, di

mana daerah substrat mengalami perubahan, sehingga tidak mampu mengikat substrat

(Gambar 9.20).

Regulasi Modifikasi Kovalen

Meskipun sebagian besar enzim diregulasi secara non-kovalen (efektor

alosterik), tetapi terdapat beberapa enzim atau protein yang diregulasi secara modifikasi

kovalen. Modifikasi kovalen pada enzim atau protein biasanya dilakukan oleh gugus

asetil, fosfat, metil, adenil, dan uridil. Modifikasi kovalen biasanya merupakan perlekatan

dapat pulih (tidak permanen). Sejumlah enzim yang mengalami modifikasi kovalen

tercantum dalam Tabel 9.3

Tabel 9.3 Enzim yang diregulasi secara modifikasi kovalen

Enzim ModifikasiGlutamin sintetase E. coliIsositrat liase E. coliIsositrat dehidrogenase E. coliHistidin protein kinase sebagian besar bakteriProtein regulator fosforilasi sebagian besar bakteri Sitrat liase pada RhodopseudomonasProtein kemotaksis E. coli

AdenilisasiFosforilasiFosforilasiFosforilasiFosforilasiAsetilasiMetilasi