A. MEKANISME LEMAK

1. Katabolisme Asam Lemak

Degradasi Asam Lemak: ß-Oksidasi

Degradasi asam lemak terjadi di mitokondria dalam beberapa tahap:

Tahap 1: aktivasi asam lemak di sitoplasma. Asam lemak difosforilasi dengan

menggunakan satu molekul ATP dan diaktifkan dengan asetil Co-A menghasilkan

asam lemak-CoA, AMP, dan pirofosfat inorganik.

Gambar: Pengaktifan asam lemak dengan acetyl-CoA menjadi asam lemak-CoA.

Tahap 2: Pengangkutan asam lemak-CoA dari sitoplasma ke mitokondria dengan

bantuan molekul pembawa carnitine, yang terdapat dalam membran mitokondria.

Gambar: Masuknya asam lemak ke mitokondria melalui transport

acyl-carnitine/carnitine.

Tahap 3: Reaksi ß-oksidasi, berlangsung dalam 4 tahap, yaitu:

1. Dehidrogenasi I, yaitu dehidrogenasi Asam lemak-CoA yang sudah berada di

dalam mitokondrion oleh enzim acyl-CoA dehidrogenase, mengha-silkan

senyawa enoyl-CoA. Pada reaksi ini, FAD (flavin adenin dinukleotida) yang

bertindak sebagai koenzim direduksi menjadi FADH2. Dengan mekanisme

fosforilasi bersifat oksidasi melalui rantai pemafasan, suatu molekul FADH2

dapat menghasilkan dua molekul ATP.

2. Hidratasi, yaitu ikatan rangkap pada enoyl-CoA dihidratasi menjadi 3-

hidroxyacyl-CoA oleh enzim enoyl-CoA hidratase.

3. Dehidrogenase II, yaitu dehidrogenasi 3-hidroxyacyl-CoA oleh enzim ß-

hidroxyacyl-CoA dehidrogenase dengan NAD+ sebagai koenzimnya menjadi ß-

ketoacyl-CoA. NADH yang terbentuk dari NAD+ dapat dioksidasi kembali

melalui mekanisme fosforilasi oksidatif yang dirangkaikan dengan rantai

pernafasan menghasilkan 3 molekul ATP.

4. Pemecahan molekul dengan enzim ß-ketoacyl-CoA thiolase. Pada reaksi ini satu

molekul ketoacyl-CoA menghasilkan satu molekul asetyl-CoA dan sisa rantai

asam lemak dalam bentuk CoA-nya, yang mempunyai rantai dua atom karbon

lebih pendek dari semula.

Gambar: Urutan tahapan reaksi dalam ß-oksidasi asam lemak.

Proses degradasi asam lemak selanjutnya adalah pengulangan mekanisme ß-

oksidasi secara berurutan sampai panjang rantai asam lemak tersebut habis dipecah

menjadi molekul acetyl-CoA. Dengan demikian satu molekul asam miristat (C14)

menghasilkan 7 molekul acetyl-CoA (C2) dengan melalui 6 kali ß-oksidasi.

Tiap satu siklus ß-oksidasi dihasilkan energi sebesar:

1 FADH2 = 2 ATP (pada dehidrogenasi 1)

1 NADH = 3 ATP (pada dehidrogenasi 2)

1 Acetyl-CoA dioksidasi melalui siklus TCA menghasilkan energi = 12 ATP.

Jadi jumlah ATP yang dihasilkan dalam satu siklus ß-oksidasi = (3 + 3 + 12) ATP =

17 ATP

Jalur Minor Degradasi Asam Lemak

Jalur utama degradasi asam lemak adalah ß-oksidasi, yaitu untuk asam lemak jenuh

beratom C genap. Akan tetapi ada juga jalur-jalur khusus yang lain yaitu untuk

degradasi asam lemak tak jenuh, degradasi asam lemak dengan atom C ganjil, serta

α- dan ω-oksidasi.

ß-Oksidasi asam lemak tak jenuh

Adapun mekanisme oksidasi asam lemak tak jenuh berlangsung sama seperti

ß-oksidasi untuk asam lemak jenuh. Karena terdapat satu ikatan tak jenuh, maka

dalam proses degradasinya, asam lemak tak jenuh mengalami satu mekanisme reaksi

tambahan yaitu reaksi isomerisasi bentuk cis ke trans yang dikatalisis oleh enzim

enoyl-CoA isomerase.

Pada asam lemak tak jenuh, ada siklus ß-oksidasi yang tidak melalui reaksi

dehidrogenasi I yang menghasilkan FADH2, yaitu pada pmotongan 2 C yang

mengandung ikatan rangkap. Dengan demikian jumlah ATP yang dihasilkan pada ß-

oksidasi asam lemak tak jenuh lebih sedikit bila dibandingkan dengan jumlah ATP

yang dihasilkan oleh ß-oksidasi asam lemak jenuh dengan jumlah atom C yang sama.

Gambar: Urutan reaksi dalam oksidasi asam lemak tak jenuh (Contoh: asam linoleat

dalam bentuk linoleoyl-CoA

ß-Oksidasi Asam Lemak dengan atom C ganjil

Pada asam lemak dengan jumlah atom C ganjil, setelah pengambilan acetyl-

CoA (2C) sisanya adalah residu propionyl-CoA (3C). Propionyl-CoA ini masuk ke

siklus Krebs lewat Succinyl-CoA. Dalam hal ini propionyl-CoA dikarboksilasi

menjadi D-metylmalonyl-CoA, kemudian diubah menjadi Succinyl-CoA melalui

intermediet L- metylmalonyl-CoA. Jumlah energi yang dihasilkan dalam 1 siklus

krebs jika masuk lewat Succinyl-CoA hanya sebesar 6 ATP.

Karena masuk siklus krebs lewat Succinyl-CoA maka degradasi asam lemak

dengan atom C ganjil lebih cepat dibandingkan dengan degradasi asam lemak dengan

atom C genap.

Gambar: Oksidasi asam lemak dengan atom C ganjil (contoh: asam propionat dalam

bentuk Propionyl-CoA)

Bagi penderita anemia pernisiosa sebagai akibat kekurangan vitamin B, kerja

enzim methylmalonyl-CoA mutase terganggu, sehingga L-Methylmalonyl-CoA tidak

bisa diubah menjadi Succinyl-CoA. Dalam urin penderita ini ditemukan L-

methylmalonyl-CoA maupun propionyl-CoA dalam jumlah yang besar.

α- dan -oksidasi

α–oksidasi adalah degradasi senyawa asam karboksilat dengan melepaskan 1

atom karbon pada ujung karboksilnya. Asam lemak yang bagian ujungnya

mempunyai cabang metil tidak bisa langsung didegradasi melalui mekanisme ß-

oksidasi, melainkan harus dioksidasi terlebih dahulu melalui mekanisme α–oksidasi.

Dalam mekanisme α–oksidasi, gugus karboksilat dilepaskan sebagai CO2 dan atom

karbon-α dioksidasi oleh hidrogen peroksida menjadi gugus aldehida. Reaksi ini

dikatalisis oleh enzim peroksidase asam lemak, tidak membutuhkan CoA-SH dan

tidak menghasilkan ATP. Gugus aldehid yang terbentuk selanjutnya dioksidasi

dengan menggunakan NAD+ menjadi asam karboksilat. Dengan demikian asam

lemak yang dihasilkan dalam satu kali reaksi α–oksidasi telah berkurang dengan 1

atom C. Selain itu gugus aldehid tersebut dapat dioksidasi menjadi gugus alkohol,

membentuk senyawa alkohol asam lemak.

-oksidasi adalah oksidasi atom C pada ujung asam lemak. Reaksi ini dimulai

dengan hidroksilasi gugus –CH3 yang dikatalisis oleh monooksigenase membentuk –

CH2OH dan dilanjutkan dengan oksidasi membentuk gugus karboksilat -COOH.

Hasilnya adalah asam lemak dikarboksilat yang dapat mengalami ß-oksidasi dari

kedua ujungnya sampai diperoleh asam dikarboksilat C8 (asam suberat) atau C6

(asam adipat) yang dapat diekskresi dalam urin. Kedua asam ini dijumpai pada urin

penderita ketotik dikarboksilat asiduria. -oksidasi dilakukan oleh enzim-enzim

hidroksilasi yang memerlukan sitokrom P-450 dalam mikrosom.

ß-oksidasi di Peroksisom

Bentuk modifikasi ß-oksidasi terjadi di peroksisom hati, yang dikhususkan

untuk degradasi asam lemak berantai panjang (n > 20). Dua perbedaan pokok ß-

oksidasi di mitokondria dan di peroxisome adalah:

1. Pada tahap reduksi 1, flavoprotein acyl-CoA oxidase di peroxisome memasukkan

elektron secara langsung ke O2 menghasilkan H2O2, yang segera diubah menjadi

H2O dan O2 oleh katalase. Energi yang dihasilkan tidak disimpan sebagai ATP

tetapi dibuang dalam bentuk panas. Dalam mitokondria elektron yang dihasilkan

pada tahap reduksi 1 dimasukkan ke O2 menghasilkan H2O melalui rantai

respirasi yang digabungkan dengan pembentukan ATP.

2. Dalam sistem perosisomal, ß-oksidasi lebih aktif dilakukan terhadap asam lemak

berntai panjang, seperti asam hexakosanoat (26:0), dan asam lemak bercabang,

seperti asam fitanat dan asam pristanat. Pada mamalia konsentrasi lemak yang

tinggi dalam diet akan menaikkan sintesis enzim ß-oksidasi peroxisomal hati.

Karena peroxisome hati tidak mempunyai enzim-enzim untuk siklus TCA dan

tidak dapat mengkatalisa oksidasi acetyl-CoA menjadi CO2, maka asam lemak

berantai panjang atau bercabang tersebut dikatabolisme menjadi produk asam

lemak yang lebih pendek, selanjutnya dieksport ke mitokondria untuk dioksidasi

secara sempurna.

Gambar: Perbandingan ß-oksidasi di mitokondria dan di peroxisome dan glyoxysome

2. Anabolisme Lipid

Hati adalah tempat penting untuk pembentukan asam lemak, lemak, keton

bodi, dan kolesterol. Meskipun jaringan adiposa juga mensintesis lemak, tetapi fungsi

utamanya adalah menyimpan lipid.

Metabolisme lipid di dalam hati berkaitan erat dengan karbohidrat dan asam

amino. Dalam keadaan absorpsi, hati mengubah glukosa menjadi asam lemak melalui

asetyl-CoA. Hati dapat juga mendapatkan kembali asam lemak dari suplai lipid

dengan kilomikron dari usus. Asam lemak dari kedua sumber tersebut kemudian

dikonversi menjadi lemak netral dan fosfolipid.

Biosintesis Keton Bodies

Tujuan pembentukan keton bodies adalah:

1. untuk mengalihkan sebagian acetyl-CoA yang terbentuk dari asam lemak di

dalam hati dari oksidasi selanjutnya,

2. untuk mengangkut acetyl-CoA menuju jaringan lain untuk dioksidasi menjadi

CO2 dan H2O (salah satu cara distribusi bahan bakar ke bagian lain dalam tubuh)

Asetyl-CoA hasil degradasi asam lemak jika konsentrasinya dalam

mitokondria hati tinggi, maka dua molekul asetyl-CoA akan berkondensasi

membentuk acetoacetyl-CoA, penambahan satu gugus acetyl selanjutnya

menghasilkan 3-hydroxy-ß-methylglutyryl-CoA (HMG-CoA), dan pelepasan satu

acetyl-CoA dari senyawa tersebut dihasilkan acetoacetate. Ketiga senyawa hasil dari

reaksi 1, 2, dan 3, yaitu acetoacetyl-CoA, 3-hydroxy-ß-methylglutyryl-CoA, dan

acetoacetate disebut sebagai keton bodies. Senyawa acetoacetate dapat direduksi

menjadi 3-hydroxybutirate atau diurai menjadi acetone. Keton bodies selanjutnya

dilepaskan hati ke darah. Dalam kondisi lapar, keton bidies dalam darah naik.

Acetoacetate dan 3-hydroxybutirate bersama asam lemak digunakan sebagai sumber

energy untuk hati, otot skeletal, ginjal dan otak. Sedangkan aceton yang tidak

diperlukan dikeluarkan melalui paru-paru.

Jika produksi keton bodies melebihi penggunaannya di luar sel hati, maka

keton bodies ini akan terakumulasi dalam plasma darah (ketonemia), dan

diekskresikan bersama urin (ketonuria). Karena keton bodies adalah asam kuat

moderat dengan pKa sekitar 4, maka dapat menurunkan nilai pH plasma darah

(ketoacidosis).

Gambar: Reaksi-reaksi pembentukan keton bodies. Reaksi 1: pembentukan

acetoacetyl-CoA. Reaksi 2: pembentukan HMG-CoA. Reaksi 3:

pembentukan acetoacetate. Reaksi 4. Pengubahan acetoacetate menjadi

acetone dan d-ß-hydroxybutirate.

Biosintesis Asam Lemak

Biosintesis asam lemak sangat penting, khususnya dalam jaringan hewan, karena

mempunyai kemampuan terbatas untuk menyimpan energi dalam bentuk karbohidrat.

Proses ini dikatalisis oleh asam lemak synthase, suatu multienzim yang berlokasi di

sitoplasma.

Biosintesis Asam Lemak Jenuh

Biosintesis asam lemak jenuh dimulai dari acetyl-CoA sebagai starter. Acetyl-

CoA ini dapat berasal dari ß-oksidasi asam lemak maupun dari piruvate hasil

glikolisis atau degradasi asam amino melalui reaksi pyruvate dehydrogenase. Acetyl-

CoA tersebut kemudian ditransport dari mitokondria ke sitoplasma melalui sistem

citrate shuttle untuk disintesis menjadi asam lemak. Reduktan NADPH+ dan H+

disuplai dari jalur hexose monophosphate (fosfoglukonat).

Gambar: Bagan pengangkutan acetyl-CoA dari mitokondria ke sitoplasma. Pyruvate

hasil katabolisme asam amino atau dari glikolisis glukosa diubah menjadi

aecetyl-CoA oleh sistem pyruvate dehydogenase. Gugus acetyl tersebut

keluar matriks mitokondria sebagai citrate, masuk ke sitosol untuk sintesis

asam lemak. Oxaloacetate direduksi menjadi malate kembali ke matriks

mitokondrion dan diubah kembali menjadi malate. Malat di sitosol

dioksidasi oleh enzim malat menghasilkan NADPH dan pyruvate. NADPH

digunakan untuk reaksi reduksi dalam biosintesis asam lemak sedangkan

pyrivate kembali ke matriks mitokondria.

Asam lemak synthase disusun oleh dua rantai peptida yang identik yang

disebut homodimer. Masing-masing dari 2 rantai peptida yang digambarkan sebagai

suatu hemispheres tersebut, mengkatalisis 7 bagian reaksi yang berbeda yang

dibutuhkan dalam sintesis asam palmitat. Katalisis reaksi multi urutan dengan satu

protein mempunyai beberapa keuntungan dibandingkan dengan beberapa enzim yang

terpisah. Keuntungan tersebut antara lain:

1. reaksi-reaksi kompetitif dapat dicegah,

2. reaksi terjadi dalam satu garis koordinasi,

3. lebih efisien karena konsentrasi substrat lokal yang tinggi, kehilangan karena

difusi rendah.

Enzim kompleks asam lemak synthase bekerja dalam bentuk dimer. Tiap

monomernya secara kovalen dapat mengikat substrat sebagai tioester pada bagian

gugus –SH. Ada dua gugus –SH yang masing-masing terikat pada residu Cysteine

(Cys-SH) pada ß-ketoacyl-ACPSynthase dan 4´-phosphopantetheine (Pan-SH). Pan-

SH, yang mirip dengan Koenzim A (CoA-SH), diikat dalam suatu domain enzim

yang disebut acyl-carrier protein (ACP). ACP bekerja seperti tangan yang panjang

yang melewatkan substrat dari satu pusat reaksi ke reaksi berikutnya.

Gambar: Sistem enzim kompleks asam lemak synthase yang bekerja dalam bentuk

dimer.

Aktivitas yang terlibat dalam sistem enzim kompleks asam lemak synthase

dilokasikan dalam 3 domain protein yang berbeda. Domain 1 bertanggung jawab

pada katalisis reaksi 2a, 2b, dan 3, yaitu masuknya substrat asetyl-CoA atau acyl-

CoA dan malonyl-CoA yang diikuti dengan kondensasi kedua substrat tersebut.

Domain 2 mengkatalisis reaksi 4, 5, dan 6, yaitu reaksi reduksi pertama rantai

perpanjangan asam lemak, dehidratase, dan reduksi kedua. Sedangkan domain 3 atau

domain tiolase mengkatalisis pelepasan produk akhir asam lemak setelah 7 tahap

perpanjangan (reaksi 7).

Reaksi Biosintesis asam lemak Jenuh (Asam Palmitat)

Biosintesis asam lemak jenuh, dalam hal ini sebagai pokok bahasan adalah

biosintesis asam palmitat, karena proses metabolisme sudah banyak diketahui. Reaksi

ini dibagi dalam tiga tahap, yaitu tahap aktivasi, tahap elongasi, dan tahap tiolasi atau

pelepasan produk akhir.

1. Tahap aktivasi

Reaksi 1: Asetil-CoA + oksaloasetat → sitrat + KoA-SH

Acetyl-CoA dibawa masuk dari mitokondria ke sitoplasma dengan

mengubahnya menjadi sitrat oleh aktivitas enzim Sitrat sintetase.

Reaksi 2: Sitrat + ATP + KoASH Asetil-KoA +Oksaloasetat + ADP + Pi Acetyl-

CoA dibentuk kembali dari sitrat dalam sitoplasma dengan enzim

ATPsitrat liase.

Reaksi 3: Acetyl-CoA + CO2 + ATP malonyl-CoA +ADP + Pi

karboksilasi acetyl-CoA menjadi malonyl-CoA sebagai molekul yang

menambahkan 2 atom C pada pemanjangan asam lemak dengan

melepaskan CO2. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim acetyl-CoA karboksilase

dengan bantuan Biotin. CO2 yang digabungkan dengan acetyl-CoA berasal

dari HCO3- dari buffer darah.

Gambar: Reaksi pembentukan malonyl-CoA dari acetyl-CoA yang dikatalisis oleh

enzim acetyl-CoA karboksilase dengan bantuan Biotin. Enzim acetyl-CoA

karboksilase mempunyai 3 daerah fungsional, yaitu: (1) biotin carrier protein, (2)

biotin carboxylase, dan (3) transcarboxylase.

2. Tahap elongasi

Merupakan reaksi pemanjangan rantai secara kontinyu. Berikut merupakan

reaksi-reaksi yang terjadi pada tahan elongasi.

Reaksi 1: Pembentukan acetyl-ACP sebagai starter atau molekul pemula.

Transfer residu acetyl dari Acetyl-CoA ke gugus SH dari molekul ACP

pada sistem enzim kompleks asam lemak synthase merupakan reaksi

pemula dalam mekanisme biosintesis asam lemak. Kedua atom karbon ini

akan menjadi atom karbon ujung (atom karbon nomor 15 dan 16) dari asam

palmitat yang terbentuk. Reaksi ini dikatalisis oleh salah satu dari enam

enzim kompleks asam lemak synthase, Acetyl-CoA-ACP transacylase.

Reaksi 2: Transfer residu acetyl ke Cys-SH dari enzim & residu malonyl ke Pan-SH

dari ACP.

Residu acetyl dari molekul ACP kemudian ditransfer (translokasi) ke gugus

–SH dari residu cystein pada ß-ketoacyl-ACP-Synthase. Secara bersamaan

gugus malonyl dari malonyl-CoA dipindah ke Pan-SH dari ACP

membentuk malonyl-ACP oleh enzim malonyl-CoA- ACP-transferase.

Reaksi 3: Reaksi kondensasi pembentukan acetoacetyl-S-ACP

Gugus acetyl yang diesterkan pada enzim ß-ketoacyl-ACP-Synthase

ditransfer ke atom C nomer 2 pada malonyl-ACP dengan pelepasan CO2

yang berasal dari HCO3 oleh enzim ß-ketoacyl-ACP-Synthase membentuk

acetoacetyl-S-ACP. Dengan demikian dalam reaksi karboksilasi acetyl-

CoA, CO2 dari HCO3- tersebut memegang peran katalitik karena dilepaskan

kembali sebagai CO2.

Reaksi 4: Reaksi reduksi pertama

Acetoacetyl-S-ACP direduksi oleh NADPH membentuk D--

hydroxybutyryl-ACP, yang dikatalis oleh -ketoacyl-ACP reductase.

Reaksi 5: Reaksi dehidratasi

D--hydroxybutyryl-ACP selanjutnya didehidratasi oleh enoyl-ACP

hidratase menjadi ,-trans-butenoyl-ACP atau trans-∆2- butenoyl-ACP atau

disebut crotonyl-S-ACP.

Reaksi 6: Reaksi reduksi kedua

Trans-∆2-butenoyl-ACP direduksi oleh enoyl ACP reductase menghasilkan

butyryl-ACP.

3. Tahap tiolasi.

Reaksi 7: Pelepasan asam palmitat

Palmitoyl-ACP dapat dilepaskan menjadi asam palmitat bebas oleh kerja

enzim palmitoyl thioesterase (Domain 3) atau ditransfer dari ACP ke CoA

atau digabungkan secara langsung ke asam fosfatidat dalam jalur yang menuju

fosfolipid dan triasilgliserol.

Reaksi keseluruhan dari reaksi biosintesa asam palmitat yang dimulai dari asetil-CoA

adalah:

Biosintesis Asam Lemak Jenuh dengan jumlah atom C ganjil

Dari uraian tentang jalur ß-oksidasi asam lemak (katabolisme) dan biosintesis

asam lemak (anabolisme) terdapat lima perbedaan yang dapat diamati yaitu:

1. Lokasi intraseluler: ß-oksidasi terjadi di mitokondrion, biosintesis di sitoplasma

2. Tipe pembawa gugus acyl: dalam ß-oksidasi adalah CoA, dalam biosintesis

adalah ACP

3. Dalam ß-oksidasi asam lemak sebagai akseptor elektron (oksidator) adalah FAD,

sedangkan dalam biosintesis asam lemak NADPH sebagai donor elektron

(reduktor)

4. Senyawa intermediet yang terbentuk pada reaksi hidratasi mempunyai konfigurasi

L, pada reaksi dehidrasi dalam biosintesis asam lemak senyawa intermedietnya

mempunyai konfigurasi D

5. Malonyl-CoA berperan sebagai prekursor penambahan unit C2 dalam biosintesis

asam lemak, sedangkan dalam ß oksodasi pengurangan unit C2 dalam bentuk

acetyl-CoA.

Selain kelima perbedaan di atas, pada ß-oksidasi dihasilkan energi sedangkan

pada biosintesis asam lemak diperlukan energi.

DAFTAR PUSTAKALehninger, A.L. 1982. Biochemistry, Worth Pub. Inc

Murray, R.K., dkk. 2003. Harper’s Illustrated Biochemistry, 26th Ed., Lange Medical Books/Mc.Graw-Hill.

Voet, D. and J.G. Voet. 1990. Biochemistry, John Wiley & Sons.

Stryer, L. 2000. Biochemistry, 4th ed., W. H. Freeman and Company.

Muhammad Wirahadikusumah. 1985. Biokimia: Metabolisme Energi, Karbohidrat, dan Lipid, Penerbit ITB Bandung.