7 Scenario 7

download 7 Scenario 7

of 16

Transcript of 7 Scenario 7

Sintesis Biomolekul Unit Pembelajaran VII Blok 7

HAFIZ UKHWANUR RIANDHITA 09/284138/KH/6287 KELOMPOK 13

FAKULTAS KEDOKTERAN HEWAN UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 28 OKTOBER 2010

TUJUAN PEMBELAJARAN 1. Bagaimana proses sintesis dan metabolisme protein? 2. Bagaimana proses sintesis dan metabolisme karbohidrat? 3. Bagaimana proses sintesis dan metabolisme lipid? 4. Bagaimana proses sintesis dan metabolisme asam nukleat? 5. Bagaimana proses pembentukkan energi? I. SINTESIS DAN METABOLISME PROTEIN A. Biosintesis Asam Amino Tumbuhan dan bakteri dapat mensintesis keseluruhan 20 asam amino. Mamalia hanya dapat mensintesis separuhnya, yang lainnya dibutuhkan dan tersedia dalam makanan (asam amino esensial). Diantara asam amino nonesesnsial, glutamat dibentuk dengan aminasi reduksi dari -ketoglutarat dan dijadikan sebagai prekursor glutamin, prolin, dan arginin. Alanin dan aspartat dibentuk dari piruvat dan oksaloasetat melalui transaminasi. Rantai karbon dari serin diturunkan dari 3-phosphoglycerate. Serin adalah prekursor dari glisin. Atom -karbon dari serin ditransfer ke tetrahidrofolat. Mamalia memproduksi sistein dari metionin dan serin dengan reaksi yang membutuhkan S-adenosilmetionin dan sistationin. Diantara asam amino esensial, asam amino aromatis

(fenilalanin, tirosin, dan triptofan) terbentuk melalui jalur sendiri. Fosforibosil pirofosfat merupakan prekursor triptofan dan histidin. Jalur histidin berhubungan dengan jalur sintesis purin. Tirosin dapat juga dibentuk oleh hidroksilasi fenilalanin. Jalur sintesis asam amino esensial lainnya lebih kompleks (Nelson & Cox, 2004). Semua vertebrata dapat membentuk asam amino tertentu dari zat-zat antara amfibolik atau dari asam amino lain dalam makanan. Enzim glutamat dehidrogenase, glutamin sintetase, dan amino transferase menempati posisi sentral dalam biosintesis asam amino. Kerja kombinasi ketiga enzim ini adalah mengubah ion amonium menjadi nitrogen -amino dari berbagai asam amino.

Unit Pembelajaran VII

2

Sistein, tirosin, dan hidroksilisin dibentuk dari asam amino yang secara esensial nutrisional. Serin membentuk kerangka karbon, dan homosistein memberi sulfur untuk biosintesis sistein. Fenilanin hidroksilase mengubah fenilanin menjadi tirosin. Baik hidroksiprolin maupun hidroksilisin dalam makanan tidak dibentuk menjadi protein karena tidak terdapat kodon atau tRNA yang menentukan insersi keduanya kedalam peptida. Peptidik hidroksiprolin dan hidroksilisin terbentuk melalui hidroksilisil peptidil prolin atau lisin dalam reaksi yang dikatalis oleh oksidase fungsi campuran, yang memerlukan vitamin C sebagai kofaktor. Selenosintesis merupakan suatu residu bagian aktif esensial pada beberapa enzim mamalia, berasal dari insersi ko-translasional dari tRNA yang telah mengalami modifikasi (Murray, 2009)

B. Katabolisme protein Penguraian protein dalam kecepatan tinggi terjadi di jaringan yang mengalami tata ulang struktur, misalnya pada jaringan uterus selama terjadi kehamilan, ekor kecebong waktu metamorfosis, atau otot rangka dalam keadaan lapar. Dari asam-asam amino yang dibebaskan, sekitar 75% digunakan kembali. Nitrogen yang berlebihan membentuk urea. Karena kelebihan asam amino tidak dapat disimpan, asam-asam amino yang tidak segera digunakan untuk membentuk protein baru akan segera diuraikan menjadi zatzat antara amfibolik. Protein-protein ekstrasel, protein yang terikat membran, dan protein intrasel yang berumur panjang diuraikan di lisosom melalui proses-proses yang tidak memerlukan ATP. Sebaliknya, penguraian protein yang berumur pendek dan abnormal terjadi di sitosol serta memerlukan ATP dan ubikuitin. Ubikuitin yang dinamai demikian karena terdapat di semua sel eukariot, adalah suatu protein kecil yang menargetkan banyak protein intrasel untuk diuraikan. Hewan mengubah nitrogen -amino menjadi berbagai produk akhir. Hewan

Unit Pembelajaran VII

3

mengeluarkan kelebihan nitrogen sebagai amonia, asam urat, atau urea (Murray, 2009).

II. SINTESIS DAN METABOLISME KARBOHIDRAT A. Pengaturan Metabolisme Karbohidrat Pada semua organisme, metabolisme karbohidrat adalah subjek dengan mekanisme pengaturan kompleks yang melibatkan hormon, metabolit, dan koenzim. Hati menjadi organ sebagai tempat metabolisme karbohidrat yang utama. Beberapa mekanisme yang terjadi di hati tidak efektif jika terjadi pada jaringan lain. Salah satu tugas hati adalah menyimpan kelebihan glukosa dari glikogen jika diperlukan (fungsi buffer). Ketika persediaan glikogen menipis, hati dapat menghasilkan glukosa dengan gluconeogenesis. Selain itu, seperti pada semua jaringan, hati memecah glukosa melalui glikolisis. Glikolisis dan glikoneogenesis tidak terjadi secara bersamaan, dan sintesis glikogen dan degradasi glikogen juga tidak terjadi bersamaan. Berarti ada dua enzim berbeda yang mengatur dua jalur tersebut, anabolis atau katabolis. Hormon yang mempengaruhi metabolisme karbohidrat adalah insulin dan glukagon, kortisol, dan epinefrin. Insulin mengaktifkan glycogen synthase, dan merangsang beberapa enzim yang terlibat dalam glukoneogenesis. enzim Glukagon adalah dan antagonis menekan insulin, pyruvat mempengaruhi glukoneogenesis

kinase, suatu enzim kunci dalam glikolisis. Efek lainnya dari glukagon adalah menghambat sintesis glikogen dan mengaktivasi glikogenolisis. kinase. Kortisol merangsang semua enzim kunci yang berperan di glukoneogenesis. Pada saat yang sama, kortisol juga merangsang enzim yang berperan dalam degradasi asam amino dan menyediakan prekursor untuk glukoneogensis. Konsentrasi tinggi ATP dan sitrat menghambat glikolisis. ATP juga menghambat piruvat kinase. Asetil-KoA, juga menghambat piruvat kinase. Semua metabolit terbentuk dari degradasi glukosa Epinefrin bekerja mirip, menghambat pyruvate

Unit Pembelajaran VII

4

(inhibisi umpan balik). AMP dan ADP, sinyal untuk defisiensi ATP, mengaktifkan degradasi glikogen dan menghambat glukoneogenesis (Koolman, 2005). B. Metabolisme Karbohidrat Secara ringkas, jalur-jalur metabolisme karbohidrat dijelaskan sebagai berikut : 1. Glukosa sebagai bahan bakar utama akan mengalami glikolisis (dipecah) menjadi 2 piruvat jika tersedia oksigen. Dalam tahap ini dihasilkan energi berupa ATP. 2. Selanjutnya masing-masing piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA. Dalam tahap ini dihasilkan energi berupa ATP. 3. Asetil KoA akan masuk ke jalur persimpangan yaitu siklus asam sitrat. Dalam tahap ini dihasilkan energi berupa ATP. 4. Jika sumber glukosa berlebihan, melebihi kebutuhan energi kita maka glukosa tidak dipecah, melainkan akan dirangkai menjadi polimer glukosa (disebut glikogen). Glikogen ini disimpan di hati dan otot sebagai cadangan energi jangka pendek. Jika kapasitas penyimpanan glikogen sudah penuh, maka karbohidrat harus dikonversi menjadi jaringan lipid sebagai cadangan energi jangka panjang. 5. Jika terjadi kekurangan glukosa dari diet sebagai sumber energi, maka glikogen dipecah menjadi glukosa. Selanjutnya glukosa mengalami glikolisis, diikuti dengan oksidasi piruvat sampai dengan siklus asam sitrat. 6. Jika glukosa dari diet tak tersedia dan cadangan glikogenpun juga habis, maka sumber energi non karbohidrat yaitu lipid dan protein harus digunakan. Jalur ini dinamakan glukoneogenesis (pembentukan glukosa baru) karena dianggap lipid dan protein harus diubah menjadi glukosa baru yang selanjutnya mengalami katabolisme untuk memperoleh energi (Nugroho, 2004).

Unit Pembelajaran VII

5

III. SINTESIS DAN METABOLISME LIPID A. Metabolisme Lemak Lemak (triasilgliserol) merupakan cadangan energi yang utama pada organisme hewan. Kebanyakan lemak disimpan dalam bentuk tak larut air di dalam sel-sel adiposit pada jaringan adiposa, dimana lemak secara konstan disintesis dan dipecah kembali. Sebagai prekursor untuk biosintesis lemak (lipogenesis), adiposit menggunakan triasilgliserol dari lipoprotein (VLDL dan kilomikron) yang dibentuk di hati dan intestinum dan dikirimkan oleh darah. Lipoprotein lipase, yang terletak pada permukaan dalam kapiler darah, memecah triasilgliserol menjadi gliserol dan asam lemak, yang akan diambil oleh adiposit dan dikonversikan kembali menjadi lemak. Degradasi lemak (lipolisis) pada adiposit dikatalisasi oleh hormone-sensitive lipase, semacam enzim yang diatur oleh berbagai hormon. Jumlah asam lemak yang dilepaskan bergantung pada aktivitas enzim ini. Dengan cara ini, enzim akan mengatur level asam lemak dalam plasma. Pada plasma darah, asam lemak ditransporkan dalam bentuk bebas, tidak berbentuk ester. Hanya asam lemak rantai pendek yang larut dalam darah. Yang lebih panjang, kurang larut dalam air dan ditransportasikan berikatan dengan albumin (Koolman, 2005). 1. Degradasi asam lemak pada hati Kebanyakan jaringan mengambil asam lemak dari plasma darah untuk mensintesis lemak atau memperoleh energi dengan mengoksidasinya. Metabolisme asam lemak terutama terjadi pada hepatosit di hati. Proses yang paling penting pada degradasi asam lemak adalah

-oxidation,Asam

suatu lemak

jalur pada

metabolik sitoplasma akan

pada

matriks oleh

mitokondria. transpor,

diaktivasi

pengikatan koenzim A ke asil KoA. Lalu, dengan bantuan sistem asam lemak teraktivasi memasuki KoA. matriks Hasilnya mitokondria, lalu dipecah menjadi asetil

meninggalkan residu asetil yang dapat dioksidasi menjadi CO2

Unit Pembelajaran VII

6

pada

siklus

asam

trikarboksilat.

Jika

produksi

asetil

KoA

melampaui kebutuhan energi, seperti adanya kelebihan asam lemak dalam plasma darah (ciri-ciri kelaparan dan diabetes melitus), kelebihannya akan dikonversi menjadi badan keton (Koolman, 2005). 2. Sintesis lemak pada hati Asam lemak dan lemak terutama disintesis pada hati dan jaringan adiposa, serta di ginjal, paru-paru, dan glandula mammae. Biosintesis asam lemak terjadi di sitoplasma. Prekursor yang paling penting adalah glukosa, tetapi beberapa asam amino tertentu juga dapat digunakan. Langkah pertama adalah karboksilasi asetil KoA menjadi malonil KoA, dikatalis oleh asetil-KoA karboksilase, yang merupakan enzim kunci dalam biosintesis asam lemak. Sintesis asam lemak dilakukan oleh asam lemak sintase (fatty acid synthase). Enzim multifungsi ini mulai bekerja dengan satu molekul asetil-KoA dan diperpanjang dengan penambahan grup malonil pada 7 siklus reaksi sampai palmitat terbentuk. Satu molekul kemudian CO2 dilepaskan pada setiap unti siklus. Asam lemak terbentuk dengan dua karbon. NADPH+H+

digunakan sebagai agen pereduksi dan berasal dari bentuk lain dari jalur pentosa fosfat atau isositrat dehidrogenase dan reaksi asam malat. Pemanjangan asam lemak oleh asam lemak sintase berakhir pada C16, dan menghasilkan palmitat. Asam lemak tak jenuh dan asam lemak rantai panjang dapat dibentuk dari palmitat pada reaksi berikutnya. Lemak akhirnya disintesis dari asam lemak teraktivasi (asil KoA) dan gliserol 3-fosfat. Untuk menyuplai jaringan disekitarnya, lemak dikemas oleh hepatosit ke dalam kompleks lipoprotein bertipe VLDL dan dilepaskan ke dalam darah (Koolman, 2005).

Unit Pembelajaran VII

7

Gambar 1. Metabolisme lemak (Koolman, 2005)

Unit Pembelajaran VII

8

IV. SINTESIS DAN METABOLISME ASAM NUKLEAT A. Biosintesis Purin dan Pirimidin Basa yang menyusun asam nukleat merupakan turunan dari senyawa heterosiklik aromatis, purin dan pirimidin. Biosintesis dari molekul ini sangat kompleks, namun vital pada hampir seluruh sel. 1. Komponen Cincin pirimidin terbuat dari 3 komponen: atom nitrogen N1 dan karbon C-4 sampai C-6 diturunkan dari aspartate, karbon C-2 dari HCO3-, sedangkan nitrogen kedua N-3 diambil dari glutamin. Sintesis cincin purin lebih kompleks. Hanya komponen utama, yaitu glisin yang mendonorkan C-4 dan C-5 serta N-7. Semua atom lain pada cincin tersusun secara individual. C-6 dari HCO3-, glutamin memberikan atom N-3 dan N-9. Donor N-1 adalah aspartate yang dikonversikan ke fumarat selama proses. Dan terakhir, atom karbon C-2 dan C-8 diturunkan dari grup formil pada N10-formil-tetrahydrofolate (Koolman, 2005). 2. Sintesis pirimidin dan purin Yang terpenting pada biosintesis komponen asam nukleat adalah mononukleotida uridine monophosphate (UMP) pada pirimidin dan inosine monophosphate (IMP) pada purin. Jalur sintesis untuk pirimidin dan purin pada dasarnya berbeda. Untuk pirimidin, cincin pirimidin pertama kali dibentuk dan terhubung dengan ribose 5-phosphate untuk membentuk nukleotida. Berbeda dengan pirimidin, sintesis purin dimulai langsung dari ribose 5-phosphate. Cincinnya akan disusun langkah demi langkah oleh molekul pembawa. Prekursor untuk sintesis cincin pirimidin adalah carbamoyl phosphate, yang dibentuk dari glutamat dan HCO3- dan asam amino aspartate. Dua komponen dan penutupan ini dihubungkan dikonversi Pada ke Ncarbamoyl aspartate dengan kemudian menjadi mamalia,

dihydroorotate

cincin.

langkah tersebut terjadi di sitoplasma dan dikatalisasi oleh satu enzim multifungsi. Pada tahap selanjutnya, dihydroorotate dioksidasi menjadi orotate oleh FMN-dependent dehydrogenase.

Unit Pembelajaran VII

9

Orotate

kemudian

dihubungkan

dengan

phosphoribocyl

diphosphatase (PRPP) untuk membentuk nukleotida orotidine 5monophosphate (OMP). Akhirnya dekarboksilasi menghasilakn uridine 5-monophosphate (UMP). Biosintesis purin dimulai dengan PRPP. Formasi cincin dimulai dengan transfer grup amino, dari N-9 berasal. Glisin dan grup formil lalu menyuplai atom untuk cincin 5 sisi. Sebelum cincin 5 sisi menutup, atom N-3 dan C-6 dari cincin sisi 6 menempel. Sintesis cincin berlanjut dengan N-1 dan C-2. Pada langkah terakhir, cincin sisi 6 menutup dan inosine 5monophosphate terbentuk (Koolman, 2005). B. Reduksi Ribonukleotida 2-Deoxyribose, salah satu komponen DNA, tidak disintesis seperti gula bebas, tetapi diturunkan pada level difosfat dengan reduksi ribonucleoside diphosphates. Proses reduksi ini merupakan reaksi kompleks dengan beberapa protein yang terlibat. Pada tahap pertama, thioredoxin reductase mereduksi protein redoks kecil, thioredoxin, melalui ikatan-enzim FAD. Peristiwa ini termasuk perpecahan ikatan disulfida pada nucleoside diphosphate reductase (ribonukleotida reduktase). Grup SH bebas yang terbentuk adalah donor elektron sebenarnya untuk mereduksi ribonucleoside diphosphates. Pada eukaryot, ribonucleotida reductase adalah tetramer yang mempunyai dua subunit R1 dan dua subunit R2. Selain ikatan disulfida, tirosin radikal pada enzim juga berperan dalam reaksi, yaitu menginisiasi produksi radikal substrat. Memecah molekul air dan menjadi kation radikal. Akhirnya, residu deoksiribosa dihasilkan dengan reduksi (Koolman, 2005).

Unit Pembelajaran VII

10

Unit Pembelajaran VII

11

Gambar 2. A) Gambaran sintesis nukleotida; B) Reduksi ribonukleotida (Koolman, 2005)

Unit Pembelajaran VII

12

V. PROSES PEMBENTUKKAN ENERGI A. Adenosin Trifosfat (ATP) Sebagai Bentuk Energi Pada Metabolisme Telah diketahui bahwa karbohidrat, lemak, dan protein dapat digunakan oleh sel untuk mensintesis sejumlah besar adenosin trifosfat (ATP), yang akan digunakan sebagai sumber energi pada hampir semua fungsi sel. Transfer energi dari makanan ke sistem fungsional sel dapat dilakukan dengan medium ATP (atau nukleotida yang mirip yaitu guanosin trifosfat, GTP). Sifat ATP yang menjadikannya sebagai sumber energi adalah jumlah besar energi bebas (sekitar 7300 kalori, atau 7,3 kkal per mol pada kondisi standar, tetapi dapat mencapai 12000 kalori pada kondisi fisiologis) yang berada pada setiap dua ikatan fosfatnya. Jumlah energi pada setiap ikatan, jika dibebaskan dengan dekomposisi ATP, cukup untuk membangkitkan hampir semua reaksi kimia dalam tubuh. Beberapa reaksi kimia yang membutuhkan energi ATP, menggunakan hanya beberapa ratus dari 12000 kalori yang tersedia, dan sisa energi tersebut hilang dalam bentuk panas (Guyton & Hall, 2006). ATP dibentuk oleh pembakaran karbohidrat, lemak, dan protein:

a.

Pembakaran karbohidrat; terutama glukosa, tetapi juga

sejumlah kecil gula lain seperti fruktosa. Terjadinya di dalam sitoplasma dari sel melalui proses glikolisis (anaerob) dan di mitokondria melalui siklus asam sitrat (Krebs) yang bersifat aerob.

b. c.

Pembakaran asam lemak; terjadi di mitokondria dengan Pembakaran protein; membutuhkan hidrolisis komponen

beta-oxidation. asam amino dan degradasi asam amino menjadi senyawa antara pada siklus asam sitrat dan menjadi asetil koenzim A dan karbon dioksida (Guyton & Hall, 2006).

B. Fungsi Fosfokreatin Sebagai Tempat PenyimpananTambahan Untuk Energi Meskipun ATP penting untuk transfer energi, substansi ini tidak menyimpan banyak ikatan fosfat energi tinggi pada sel.

Unit Pembelajaran VII

13

Fosfokreatin, yang juga memiliki ikatan fosfat berenergi tinggi, mempunyai tiga sampai delapan kali lebih banyak. Dan juga, ikatan berenergi tinggi dari fosfokreatin berisi sekitar 8500 kalori per mol pada kondisi standar dan sampai 13000 kalori per mol pada kondisi tubuh. Tidak seperti ATP, fosfokreatin tidak dapat bekerja secara langsung sebagai agen transfer energi antara makanan dan sistem fungsional sel, tetapi dapat mengirimkan energi dengan bertukaran dengan ATP. Jika terdapat jumlah ATP berlebih dalam sel, kebanyakan energi akan digunakan untuk mensintesis fosfokreatin,

dan energi dapat disimpan. Kemudian, ketika ATP mulai digunakan kembali, energi pada fosfokreatin akan dikirimkan kembali dengan cepat ke ATP lalu ke sistem fungsional sel. Hubungan reversibel antara ATP dan fosfokreatin ditunjukkan dengan persamaan berikut: Pada gambar 3 menunjukkan penggunaan glikogen dan glukosa secara anaerob untuk membentuk ATP dan penggunaan senyawa turunan karbohidrat, lemak, dan protein, dan substansi lainnya untuk membentuk ATP tambahan secara aerob. Pada gilirannya, ATP berhubungan reversibel dengan fosfokreatin di sel, dan karena jumlah fosfokreatin lebih banyak dari ATP, kebanyakan sel menyimpan energi dalam bentuk fosfokreatin. Energi dari ATP dapat digunakan oleh sistem fungsional sel untuk menyediakan energi untuk sintesis dan pertumbuhan, kontraksi otot, sekresi kelenjar, konduksi impuls saraf, absorpsi aktif, dan aktivitas sel lainnya. Jika jumlah energi yang dibutuhkan lebih banyak dari yang disediakan oleh metabolisme oksidatif, fosfokreatin akan digunakan, kemudian pemecahan glikogen secara anaerob mengikuti. Dengan

Unit Pembelajaran VII

14

demikian, metabolisme oksidatif tidak dapat menyediakan energi ekstrim untuk sel seperti proses anaerobik. Proses oksidatif dapat berlangsung selama penyimpanan energi (terutama lemak) masih ada (Guyton & Hall, 2006).Gambar 3. Skema keseluruhan transfer energi dari makanan ke sistem asam adenilik dan kemudian ke unsur fungsional sel (Guyton & Hall, 2006)

Unit Pembelajaran VII

15

DAFTAR PUSTAKA

Guyton, A. C., & Hall, J. E. (2006). Textbook of Medical Physiology. Philadelphia: Elsevier Saunders Koolman, J. (2005). Color Atlas of Biochemistry, 2nd Edition. New York: Thieme Murray, R. K. (2009). Biokimia Harper. Jakarta: Penerbit EGC Nelson, D. L., & Cox, M. M. (2004). Lehninger Principles of Biochemistry 4th Edition. New York: W H Freeman & Co Nugroho, H. S. (2004). Metabolisme Karbohidrat. Http://static. schoolrack.com/files/14204/34772/4Metabolisme_karbohidrat.doc Diakses 12 Oktober 2009

Unit Pembelajaran VII

16