Reaksi Metabolisme Asam Amino [PDF]

Citation preview

Reaksi Metabolisme Asam Amino Tahap awal reaksi metabolisme asam amino, melibatkan pelepasan gugus amino, kemudian baru perubahan kerangka karbon pada molekul asam amino. Dua proses utama pelepasan gugus amino, yaitu transaminasi dan deaminasi akan dibahas berikut ini. Transaminasi Transaminasi ialah proses katabolisme asam amino yang melibatkan pemindahan gugus amino dari satu asam amino kepada asam amino lain. Dalam reaksi transaminasi ini gugus amino dari suatu asam amino dipindahkan kepada saah satu dari tiga senyawa keto, yaitu asam piruvat, α ketoglutarat atau oksaloasetat, sehingga senyawa keto ini diubah menjadi asam amino, sedangkan asam amino semula diubah menjadi asam keto. Ada dua enzim penting dalam reaksi transaminasi yaitu alanin transaminase dan glutarat transaminase yang bekerja sebagai katalis dalam reaksi berikut:



Reaksi transaminasi bersifat reversibel. Pada reaksi ini tidak ada gugu amino yang hilang, karena gugus amino yang dilepaskan oleh asam amino diterima oleh asam keto. Alanin transaminase merupakan enzim yang mempunyai kekhasan terhadap asam piruvat-alanin sebagai satu pasang substrat, tetapi tidak terhadap asam-asam amino yang lain. Dengan demikian alanin transaminase dapat mengubah berbagai jenis asam amino menjadi alanin, selama tersedia asam piruvat. Glutamat transaminase merupakan enzim yang mempunyai kekhasan terhadap glutamat-ketoglutarat sebagai satu pasang substrat, karena itu enzim ini dapat mengubah asam-asam amino menjadi asam glutamat. Apabila alanin transaminase terdapat dalam jumlah banyak, maka alanin yang dihasilkan dari reaksi transaminasi akan diubah menjadi asam glutamat.



Enzim yang bekerja sebagai katalis dalam reaksi tersebut ialah alanin-glutamat transaminase. Dari reaksi-reaksi di atas dapat dilihat bahwa walaupun ada beberapa jalur reaksi transaminasi, namun asam ketoglutarat merupakan akseptor gugus amino yang terakhir. Dengan demikian hasil reaksi transaminasi keseluruhan ialah asam glutamat.



Reaksi transaminasi ini terjadi dalam mitokondria maupun dalam cairan sitoplasma. Semua enzim transaminase tersebut dibantu oleh piridoksalfosfat sebagai koenzim. Telah diterangkan bahwa piridoksalfosfat tidak hanya merupakan koenzim pada reaksi transaminasi, tetapi juga pada reaksi-reaksi metabolisme yang lain.



Deaminasi Oksidatif Asam amino dengan reaksi transaminasi dapat diubah menjadi asam glutamat. Dalam beberapa sel misalnya dalam bakteri, asam glutamat dapat mengalami proses deaminasi oksidatif yang menggunakan glutamat dehidrogenase sebagai katalis. Dalam proses ini asam glutamat melepaskan gugus amino dalam bentuk NH4+. Selain NAD+ glutamat dehidrogenase dapat pula menggunakan NADP+ sebagai akseptor elektron. Oleh karena asam glutamat merupakan hasil akhir proses transaminasi, maka glutamat dehidrogenase merupakan enzim yang penting dalam metabolisme asam amino. Dua jenis dehidrogenase lain yang penting ialah L−asam amino oksidase dan D−asam amino oksidase. L−asam amino oksidase adalah enzim flavoprotein yang mempunyai gugus prostetik flavinmononukleotida (FMN). Enzim ini terdapat dalam sel hati pada endoplasmik retikulum dan bukan merupakan enzim yang penting. D−asam amino oksidase adalah juga enzim flavoprotein dan merupakan katalis pada reaksi:



Enzim ini mempunyai FAD sebagai gugus prostetik dan terdapat dalam sel hati. Oleh karena D−asam amino jarang terdapat pada tubuh manusia, maka fungsi D−asam amino oksidase belum diketahui dengan jelas. Di samping melalui metabolisme gugus amino, asam amino dapat mengalami reaksi-reaksi



yang



mengakibatkan



berubahnya



rantai



karbon.



Gambar



1



memperlihatkan metabolisme rantai karbon asam amino yang dikaitkan dengan siklus asam sitrat.



Pembentukan Asetil Koenzim A Pada Gambar 1 terlihat bahwa asetil koenzim A merupakan senyawa penghubung antara metabolisme asam amino dengan siklus asam sitrat. Ada dua jalur metabolik yang menuju kepada pembentukan asetil koenzim A, yaitu melalui asam piruvat dan melalui asam asetoasetat.



Asam-asam amino yang menjalani jalur metabolik melalui asam piruvat ialah alanin, sistein, glisin, serin, dan treonin. Alanin menghasilkan asam piruvat dengan langsung pada reaksi transaminasi dengan asam α ketoglutarat. Serin mengalami reaksi dehidrasi dan deaminasi oleh enzim serin α dehidratase. Treonin diubah menjadi glisin dan asetaldehida oleh enzim treonin aldotase. Glisin kemudian diubah menjadi asetil koenzim A melalui pembentukan serin dengan jalan penambahan satu atom karbon, seperti metil, hidroksi metil dan formil. Koenzim yang bekerja di sini ialah tetrahidrofolat.



Metabolisme Beberapa Asam Amino Di muka telah dibahas beberapa jalur metabolik asam amino secara umum yang meliputi reaksi-reaksi transaminasi dan deaminasi oksidatif. Berikut ini akan dibahas jalur metabolik masing-masing asam amino, yaitu glisin, alanin, valin, leusin dan isoleusin, treonin, fenilalanin dan tirosin, tritofan, sistin dan sistein, metionin, asam aspartat, asam glutamat, asparagin, glutamin, arginin, histidin, prolin dan hidroksiprolin. Glisin Glisin dapat mengalami reaksi deaminasi oksidatif oleh glisin oksidase, yaitu enzim yang terdapat dalam jaringan hati dan ginjal. Dalam reaksi ini glisin akan diubah menjadi asam glioksilat dan amonia. Asam glioksilat yang terbentuk dapat diuraikan lebih lanjut menjadi formaldehida dan karbon dioksida.



Asam glioksilat dapat juga diubah menjadi asam malat yang menjalani metabolisme melalui siklus asam sitrat. Di samping itu glisin dapat diubah pula menjadi



serin



dengan



adanya



5−formiltetrahidrofolat.



Dalam



reaksi



ini



5−formiltetrahidrofolat berfungsi sebagai donor gugus formil kepada glisin.



Glisin dapat berfungsi dalam proses penawar racun, misalnya apabila asam benzoat atau derivatnya termasuk dalam makanan maka glisin akan bergabung dengan zat-zat tersebut sehingga terbentuk asam hipurat yang tidak bersifat racun. Dalam tubuh glisin dapat dibentuk dari serin dalam jumlah yang cukup, karena itu glisin adalah asam amino nonesensial. Serin dibentuk dari asam 3−fosfogliserat yang merupakan salah satu hasil antara dalam proses glikolisis. Dengan demikian dapat dilihat bahwa ada hubungan antara glikolisis dengan biosintesis glisin.



Alanin Alanin dapat diubah menjadi asam piruvat melalui proses transaminasi berikut ini:



dan reaksi tersebut bersifat reversibel. Asam piruvat merupakan senyawa yang terbentuk pada jalur metabolisme karbohidrat. Dengan demikian reaksi metabolisme alanin ini merupakan hubungan antara metabolisme protein dengan metabolisme karbohidrat. Alanin adalah asam amino nonesensial yang dapat dibuat dalam tubuh melalui reaksi transaminasi piruvat dengan asam glutamat atau asam amino lain.



Valin Melalui beberapa tahap reaksi, valin dapat diubah menjadi suksinil KoA yang kemudian masuk ke dalam siklus asam sitrat. Dalam metabolisme ini, valin mula-mula diubah menjadi asam ketoisovalerat dengan cara transaminasi. Selanjutnya asam ketoisovalerat diubah berturut-turut menjadi isobutiril KoA dan suksinil KoA.



Biosintesis valin, suatu asam amino esensial, hanya terjadi dalam tumbuhan dan organisme mikro. Biosintesis ini diawali dari asam piruvat yang berturut-turut diubah menjadi aseto laktat, α, β dihidroksi isovalerat, α ketoisovalerat, dan kemudian valin.



Leusin Leusin dapat diubah menjadi asam keto melalui reaksi transaminasi oksidatif. Kemudian asam keto ini melalui beberapa tahap reaksi diubah menjadi asetil KoA. Salah satu senyawa yang terbentuk dalam tahap reaksi tersebut ialah β hidroksi β metil glutamil KoA (HMG CoA), yang juga merupakan salah satu zat antara dalam biosintesis kolesterol.



Hal ini merupakan salah satu contoh hubungan antara metabolisme protein, lemak, dan karbohidrat. Leusin adalah salah satu asam amino esensial yang disintesis oleh organisme mikro atau tumbuhan dari asam piruvat.



Isoleusin Dalam metabolismenya isoleusin juga mengalami reaksi transaminasi oksidatif sehingga terbentuk asam keto, yaitu asam α keto β metil valerat. Kemudian asam ini melalui beberapa tahap reaksi diubah menjadi asetil KoA dan propionil KoA. Asetil KoA dapat langsung masuk ke dalam siklus asam sitrat, sedangkan propionil KoA diubah terlebih dahulu menjadi suksinil KoA baru kemudian masuk ke dalam siklus asam sitrat. Isoleusin juga merupakan asam amino esensial yang disintesis dalam organisme mikro. Biosintesis isoleusin ini dimulai dari asam α ketobutirat yang dapat dibentuk dari treonin. Melalui beberapa tahap reaksi asam ketobutirat diubah menjadi isoleusin.



Serin



Metabolisme serin berlangsung melalui reaksi deaminasi dan menghasilkan asam piruvat. Metabolisme ini terjadi dengan menggunakan treonin aldotase selaku katalis.



Biosintesis serin dimulai dari asam fosfogliserat yang terbentuk pada proses glikolisis dan berlangsung melalui beberapa tahap reaksi sehingga terbentuk serin.



Disamping itu serin dapat pula terbentuk dari glisin. Serin merupakan bagian dari fosfatidil serin yaitu salah satu lipid yang terdapat dalam otak. Serin juga dapat membentuk etanolamina yang merupakan bagian dari fosfatidil etanolamina.



Treonin Treonin mengalami metabolisme yang serupa dengan serin. Asam ketobutirat kemudian diubah menjadi propionil KoA yang selanjutnya diubah menjadi suksinil KoA.



Di samping metabolisme tersebut treonin juga dapat diubah menjadi glisin dan asetaldehida dengan cara pemecahan molekulnya.



Reaksi pemecahan molekul treonin ini berlangsung oleh enzim aldotase treonin dan piridoksalfosfat sebagai koenzim. Biosintesis treonin berasal dari asam aspartat melalui beberapa tahap reaksi sebagai berikut.



Tirosin Tirosin dapat diubah menjadi asam p−hidroksifenilpiruvat dengan cara transaminasi. Reaksi ini berlangsung dengan bantuan enzim tirosin ketoglutarat transaminase dan piridoksal fosfat sebagai koenzim. Selanjutnya melalui beberapa tahap reaksi asam p−hidroksifenilpiruvat diubah menjadi asam fumarat dan asam



asetoasetat. Asam asetoasetat pada akhirnya diubah menjadi asetil KoA dan asam asetat.



Tirosin dapat dibentuk dari fenilalanin dengan bantuan enzim fenilalanin hidroksilase sebagai katalis. Dalam reaksi ini O2 diubah menjadi H2O dan untuk ini ada dua kegiatan yang berlangsung yaitu kegiatan II reduksi dihidrobiopterin oleh NADPH menjadi tetrahidrobiopterin dan kegiatan I reduksi O2 menjadi H2O dan perubahan fenilalanin menjadi tirosin, sedangkan tetrahidrobiopterin berubah menjadi dihidrobiopterin kembali.



Fenilalanin Sebagaimana telah diuraikan pada metabolisme tirosin, fenilalanin dapat diubah menjadi tirosin yang kemudian melalui beberapa tahap reaksi dapat diubah menjadi asam formiat dan asam asetoasetat. Reaksi pembentukan tirosin dan fenilalanin adalah reaksi tidak reversibel, artinya fenilalanin tidak dapat dibentuk dari tirosin dan karenanya fenilalanin adalah asam amino esensial sedangkan tirosin merupakan asam amino nonesensial. Biosintesis fenilalanin terjadi pada organisme mikro dan dapat dibentuk dari asam fosfoenol piruvat dan eritrosa−4−fosfat. Kedua jenis ini melalui beberapa tahap reaksi dapat membentuk asam fenilpiruvat yang selanjutnya dengan reaksi transaminasi terbentuk fenilalanin.



Triptofan Triptofan adalah suatu asam amino esensial dan satu-satunya asam amino esensial yang mengandung cincin indol. Metabolisme triptofan berlangsung antara lain melalui jalur kinurenin-antranilat, yaitu suatu metabolisme melalui beberapa tahap reaksi yang menghasilkan asam α ketoadipat yang kemudian membentuk asetoasetil KoA. Dalam



metabolisme ini kinurenin dan asam 3−hidroksi antranilat merupakan senyawasenyawa antara.



Seperti fenilalanin, triptofan juga dapat dibentuk dari reaksi fosfoenolpiruvat dengan eritrosa−4−fosfat. Melalui beberapa tahap reaksi terbentuk asam antranilat yang kemudian dapat diubah menjadi triptofan. Biosintesis ini terjadi pada organisme mikro.



Sistin dan Sistein Sistin dan sistein adalah dua senyawa yang saling dapat diubah dari yang satu kepada yang lain dan mengalami metabolisme yang sama dalam tubuh. Dalam metabolisme sistein dapat diubah menjadi asam piruvat melalui tiga cara: a.



Reaksi pengubahan sistein dengan enzim sistein desulfhidrase.



b.



Melalui pembentukan asam sisteinsulfinat, kemudian diubah menjadi asam β sulfinilpiruvat sehingga membentuk asam piruvat.



c.



Melalui reaksi transaminasi membentuk asam tiolpiruvat, kemudian diubah menjadi asam piruvat.



Sistein dan sistin adalah asam amino nonesensial yang dibuat dari asam amino esensial metionin. Metionin terlebih dahulu diubah menjadi homosistein, kemudian homosistein bereaksi dengan serin membentuk homoserin dan sistein.



Metionin Telah dikemukakan di muka bahwa metionin dapat diubah menjadi sistein, tetapi sistein tidak dapat diubah kembali menjadi metionin. Homoserin yang terbentuk pada reaksi pengubahan metionin menjadi sistein dapat diubah menjadi asam α ketobutirat. Biosintesis metionin berawal dari asam aspartat. Asam ini dapat diubah berturutturut menjadi β aspartilfosfat, aspartatsemialdehida, homoserin, sistationin, homosistin, dan metionin. Biosintesis ini terjadi pula pada tumbuhan atau organisme mikro.



Asparagin dan Asam Aspartat Dalam metabolismenya, asparagin diubah menjadi asam aspartat dengan bantuan enzim asparaginase. Kemudian asam aspartat diubah menjadi asam oksaloasetat oleh enzim transaminase. Di samping itu asam aspartat dapat membentuk beberapa buah asam amino esensial melalui beberapa tahap reaksi. Asam amino esensial yang terbentuk dari asam aspartat adalah lisin, metionin, treonin, isoleusin. Sebaliknya asam aspartat dapat dibentuk dari asam oksaloasetat dengan reaksi transaminasi. Dari asam aspartat dapat dibentuk asparagin dengan enzim asparagin sintetase. Dalam reaksi ini diperlukan donor gugus amino dan ATP sebagai sumber energi yang diubah menjadi AMP. Sebagai kofaktor diperlukan ion Mg2+. Donor gugus amino untuk reaksi yang terjadi pada binatang mamalia adalah glutamin, sedangkan pada bakteri digunakan amonia. Asparagin dapat pula dibentuk dari asam α ketosuksinat.



Glutamin dan Asam Glutamat Asam glutamat banyak terlihat dalam reaksi transaminasi dengan bantuan enzim glutamat transaminase, suatu enzim yang mempunyai aktivitas tinggi dan terdapat banyak pada jaringan hewan. Dalam reaksi transaminasi asam glutamat diubah menjadi asam α ketoglutarat. Selain dengan reaksi transaminasi, asam α ketoglutarat dapat pula dibentuk dari asam glutamat dengan reaksi deaminasi oksidatif. Dalam reaksi ini yang bekerja sebagai katalis ialah glutamat dehidrogenase dengan bantuan koenzim NAD+ dan NADP+. Oleh karena transaminasi maupun deaminasi oksidatif tersebut adalah reaksi yang reversibel, maka kedua reaksi tersebut dapat merupakan reaksi katabolisme maupun biosintesis asam glutamat. Dalam otak, asam glutamat dapat diubah menjadi asam γ amino butirat dengan reaksi dekarboksilasi oleh enzim glutamat dekarboksilase. Asam γ amino butirat ini dapat diubah kembali menjadi asam glutamat oleh asam α ketoglutarat.



Glutamin dapat diubah menjadi asam glutamat oleh enzim glutaminase dalam reaksi deaminasi yang tidak bersifat reversibel. Biosintesis glutamin dari asam glutamat berlangsung dengan bantuan enzim glutamin sintetase serta ATP dan Mg++. Enzim tersebut terdapat dalam ginjal, otak, dan retina.



Mekanisme reaksi berlangsung sebagai berikut:



Lisin Lisin adalah suatu asam diamino monokarboksilat. Lisin dapat memberikan juga amino kepada asam amino lain, tetapi tidak dapat dibentuk lisin kembali artinya tidak dapat terjadi proses reaminasi setelah lisin mengalami reaksi deaminasi. Melalui beberapa tahap reaksi lisin dapat diubah menjadi asam glutarat.



Telah diuraikan di muka bahwa lisin dapat terbentuk dari asam aspartat melalui beberapa tahap reaksi. Asam aspartat diubah menjadi aspartat β semialdehida yang kemudian bereaksi dengan asam piruvat dan pada reaksi tahap akhir membentuk lisin. Biosintesis lisin ini terjadi dalam bakteri. Ragi dapat memproduksi lisin dari asam α ketoglutarat dengan asetil KoA.



Arginin Dalam siklus urea, yaitu siklus reaksi-reaksi yang menghasilkan urea dari CO2 dan NH3, arginin merupakan salah satu senyawa pada siklus tersebut. Arginin diubah oleh enzim arginase menjadi ornitin dan urea. Selanjutnya sebagian dari ornitin dapat diubah menjadi prolin dan asam glutamat yang kemudian dapat pula diubah menjadi asam ketoglutarat yang masuk dalam siklus asam sitrat. Arginin dapat dibuat dalam tubuh tetapi bagi bayi tidak cukup untuk keperluan pertumbuhan sel, sedangkan bagi orang dewasa telah cukup untuk proses penggantian sel-sel yang rusak. Jadi, kecepatan produksi arginin dalam tubuh orang dewasa telah dapat mengimbangi kekurangan yang terjadi oleh kerusakan protein. Pada bayi atau anak-anak, selain untuk penggantian



protein yang rusak, diperlukan pula untuk pertumbuhan badan. Karenanya pada bayi atau anak-anak kecepatan produksi belum optimal, sehingga diperlukan tambahan arginin dalam protein makanan.



Histidin Seperti arginin, histidin diperlukan dalam protein makanan untuk binatang muda (tikus) karena asam amino ini tidak diproduksi dengan kecepatan yang cukup untuk memenuhi kebutuhan. Namun bagi orang dewasa, histidin yang diproduksi dalam tubuh telah cukup untuk mempertahankan keseimbangan nitrogen, sehingga tidak diperlukan tambahan histidin yang berasal dari protein dalam makanan. Selain fungsinya sebagai pembentuk protein dalam tubuh, histidin dapat diubah menjadi histamin dengan cara dekarboksilasi. Histamin adalah suatu senyawa yang dapat memperkecil tekanan darah, dan juga meningkatkan pengeluaran cairan lambung. Enzim yang bekerja sebagai katalis dalam reaksi pembentukan histamin ialah asam amino aromatik dekarboksilase yang terdapat dalam ginjal, otak, dan hati. Metabolisme histidin sebagian besar terjadi dalam hati. Melalui beberapa tahap reaksi, histidin diubah menjadi asam glutamat oleh enzim histidase dan urokinase. Biosintesis histidin yang berlangsung pada organisme mikro terdiri atas beberapa tahap reaksi yang berawal dari reaksi kondensasi antara fosforibosil pirofosfat dengan ATP, yang dibantu oleh ATP fosforilase sebagai katalis.



Siklus Urea Dari uraian tentang metabolisme asam amino telah diketahui bahwa NH3 dapat dilepaskan dari asam amino melalui reaksi transaminasi dan deaminasi. Pada reaksi transaminasi gugus –NH2 yang dilepaskan diterima oleh suatu asam keto, sehingga terbentuk asam amino baru dan asam keto lain, sedangkan pada reaksi deaminasi, gugus –NH2 dilepaskan dalam bentuk amonia yang kemudian dikeluarkan dari dalam tubuh dalam bentuk urea dalam urine. Amonia dengan kadar yang tinggi merupakan racun bagi tubuh manusia.



Hans Krebs dan Kurt Henseleit pada tahun 1932 mengemukakan serangkaian reaksi kimia tentang pembentukan urea. Mereka berpendapat bahwa urea terbentuk dari amonia dan karbon dioksida melalui serangkaian reaksi kimia yang berupa siklus, yang mereka namakan siklus urea. Pembentukan urea ini terutama berlangsung dalam hati. Urea adalah suatu senyawa yang mudah larut dalam air, bersifat netral, terdapat dalam urine yang dikeluarkan dari dalam tubuh. Biosintesis urea terdiri atas beberapa tahap reaksi yang merupakan suatu siklus sebagai berikut:



Reaksi 1. Sintesis karbamil fosfat Dalam reaksi pembentukan karbamil fosfat ini, satu mol amonia bereaksi dengan satu mol karbon dioksida dengan bantuan enzim karbamilfosfat sintetase. Reaksi ini membutuhkan energi, karenanya reaksi ini melibatkan dua mol ATP yang diubah menjadi ADP. Di samping itu sebagai kofaktor dibutuhkan Mg++ dan N−asetil-glutamat.



Reaksi 2. Pembentukan sitrulin Karbamil fosfat yang terbentuk bereaksi dengan ornitin membentuk sitrulin. Dalam reaksi ini bagian karbamil bergabung dengan ornitin dan memisahkan gugus fosfat. Sebagai katalis pada pembentukan sitrulin adalah ornitin transkarbamilase yang terdapat pada bagian mitokondria sel hati.



Reaksi 3. Pembentukan asam argininosuksinat



Selanjutnya sitrulin



bereaksi



dengan asam



aspartat



membentuk



asam



argininosuksinat. Reaksi ini berlangsung dengan bantuan enzim argininosuksinat sintetase. Dalam reaksi tersebut ATP merupakan sumber energi dengan jalan melepaskan gugus fosfat dan berubah menjadi AMP.



Reaksi 4. Penguraian asam argininosuksinat Dalam reaksi ini asam argininosuksinat diuraikan menjadi arginin dan asam fumarat. Reaksi ini berlangsung dengan bantuan enzim argininosuksinase, suatu enzim yang terdapat dalam hati dan ginjal.



Reaksi 5. Penguraian arginin



Reaksi terakhir ini melengkapi tahap reaksi pada siklus urea. Dalam reaksi ini arginin diuraikan menjadi urea dan ornitin. Enzim yang bekerja sebagai katalis dalam reaksi penguraian ini ialah arginase yang terdapat dalam hati. Ornitin yang terbentuk dalam reaksi hidrolisis ini bereaksi kembali dengan karbamilfosfat untuk membentuk sitrulin (reaksi 2). Demikian seterusnya reaksi berlangsung secara berulang-ulang sehingga merupakan suatu siklus. Adapun urea yang terbentuk dikeluarkan dari tubuh melalui urine. Reaksi keseluruhan siklus urea ini ialah sebagai berikut: 2NH3 + CO2 + 3ATP + 2H2O → Urea + 2ADP + AMP + 2Pi + PPi Oleh karena pirofosfat yang terbentuk dalam reaksi ini (PPi) terhidrolisis lebih lanjut menjadi fosfat, maka pembentukan satu molekul urea membutuhkan empat ikatan fosfat berenergi tinggi. Proses kimia dalam siklus urea ini terjadi dalam hati karena enzim-enzim yang bekerja sebagai katalis terutama terdapat pada mitokondria dalam sel hati.