MODUL 4:
METABOLISME LIPID Dr. rer. nat. Sri Mulyani, M.Si.
A. PROSES DAN TRANSPORT LIPID PADA VERTEBRATA Triasilgliserol atau trigliserida adalah senyawa lipid utama yang terkandung dalam bahan makanan dan sebagai sumber energi yang penting, khususnya bagi hewan. Sebagian besar triasilgliserol disimpan dalam sel-sel jaringan adiposa, adipocytes. Triasilgliserol secara konstan didegradasi dan diresintesis. Pemrosesan dan distribusi lipid dijelaskan dalam 8 tahap (gambar 3.1), yaitu: 1. Triasilgliserol yang berasal dari diet makanan tidak larut dalam air. Untuk mengangkutnya menuju usus halus dan agar dapat diakses oleh enzim yang dapat larut di air seperti lipase, triasilgliserol tersebut disolvasi oleh garam empedu seperti kolat dan glikolat membentuk misel. 2. Di usus halus enzim pankreas lipase mendegradasi triasilgliserol menjadi asam lemak dan gliserol. Asam lemak dan gliserol diabsorbsi ke dalam mukosa usus. 3. Di dalam mukosa usus asam lemak dan gliserol disintesis kembali menjadi triasilgliserol 4. Triasilgliserol tersebut kemudian digabungkan dengan kolesterol dari diet makanan dan protein khusus membentuk agregat yang disebut kilomikron. 5. Kilomikron bergerak melalui sistem limfa dan aliran darah ke jaringan-jaringan. 6. Triasilgliserol diputus pada dinding pembuluh darah oleh lipoprotein lipase menjadi asam lemak dan gliserol. 7. Komponen ini kemudian diangkut menuju sel-sel target. 8. Di dalam sel otot (myocyte) asam lemak dioksidasi untuk energi dan di dalam sel adiposa (adipocyte) asam lemak diesterifikasi untuk disimpan sebagai triasilgliserol. Selama olah raga, otot membutuhkan dengan cepat sejumlah energi simpanan. Asam lemak yang disimpan dalam adipocyte dapat dilepaskan dan ditransport ke myocyte oleh serum albumin untuk didegradasi menghasilkan energi. Ada 3 sumber asam lemak untuk metabolisme energi pada hewan, yaitu: - suplai triasilgliserol dari makanan - sintesis triasilgliserol dalam hati jika sumber energi internal melimpah - simpanan triasilgliserol dalam adipocytes. 1
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
Gambar 3.1 Pemrosesan dan distribusi lipid pada vertebrata. Pencernaan dan absorpsi lipid dari diet terjadi di usus halus. Asam-asam lemak hasil pengurain trigliserida di pak dan ditransport ke otot dan jaringan adiposa.
Metabolisme lipid pada jaringan adiposa: Untuk proses lipogenesis (sintesis lipid) pada jaringan adiposa, triasilgliserol disuplai dari hati dan usus dalam bentuk lipoprotein, VLDL dan kilomikron. Asam lemak dari lipoprotein dilepaskan oleh lipoprotein lipase yang berlokasi pada permukaan sel-sel endotelial pembuluh kapiler darah. Asam lemak kemudian diubah mejadi triasilgliserol. Proses lipolisis (degradasi lipid) pada jaringan adiposa dikatalisis oleh Hormonesensitive lipase, yang dikontrol oleh hormon, dengan mobilisasi sebagai berikut (gambar 3.2):
2
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
Gambar 3.2 Mobilisasi triasilgliserol yang disimpan dalam jaringan adiposa.
1. Jika glukosa dalam darah rendah, akan memicu pelepasan epinefrin atau glukagon. Kedua hormon meninggalkan aliran darah dan mengikat molekul reseptor yang ditemui di dalam membran adipocyte atau sel lemak. 2. Hal ini menyebabkan adenilat siklase melalui protein G mengubah ATP menjadi cAMP. 3. cAMP kemudian mengaktifkan protein kinase. Protein kinase aktif mengaktifkan triasilgliserol lipase (Hormone-sensitive lipase) melalui forforilasi. 4. Protein kinase aktif juga mengkatalisis fosforilasi molekul perilipin pada permukaan butiran lemak (lipid droplet) sehingga triasilgliserol lipase dapat mengakses permukaan butiran lemak. 5. Selanjutnya triasilgliserol diuraikan menjadi asam lemak bebas dan gliserol oleh triasilgliserol lipase. 6. Molekul asam lemak yang dihasilkan dilepaskan dari adipocyte dan diikat oleh protein serum albumin dalam darah untuk diangkut melalui pembuluh darah menuju myocyte (sel otot) jika dibutuhkan. Jumlah asam lemak yang dilepaskan oleh jaringan adiposa ini tergantung pada aktivitas triasilgliserol lipase. Hanya asam lemak rantai pendek yang dapat larut dalam air, sedangkan asam lemak rantai panjang tidak. Oleh karena itu untuk pengangkutannya asam lemak rantai panjang diikatkan pada serum albumin. 7. Asam lemak tersebut dilepaskan dari albumin dan masuk ke myocyte melalui transport khusus. 8. Di myocyte asam lemak mengalami ß-oksidasi yang menghasilkan CO2 dan energi ATP. 3
Degradasi asam lemak di dalam hati Jaringan menangkap asam lemak dari aliran darah untuk dibangun kembali menjadi lipid atau untuk memperoleh energi dari oksidasinya. Metabolisme asam lemak intensif khususnya di dalam sel hati (hepatocytes) Proses terpenting dari degradasi asam lemak adalah ß-oksidasi yang terjadi di dalam mitokondria. Asam lemak dalam sitoplasma diaktifkan dengan mengikatkannya pada coenzyme A, kemudian dengan sistem transport karnitin masuk ke mitokondria untuk didegradasi menjadi acetyl-CoA melalui proses ß-oksidasi. Residu
acetyl hasil dapat
dioksidasi lanjut menjadi CO2 melalui TCA dan rantai respirasi dengan menghasilkan ATP. Jika produksi acetyl-CoA melebihi kebutuhan energi sel hepatocyte akan diubah menjadi keton bodi untuk mensuplai energi pada jaringan lain. Hal ini terjadi jika suplai asam lemak dalam plasma darah tinggi, misal dalam kondisi kelaparan atau diabetes mellitus.
Biosintesis lipid dalam hati. Biosintesis asam lemak terjadi di sitoplasma, khususnya di hati, jaringan adiposa, ginjal, paru-paru, dan kelenjar mammae. Pensuplai karbon yang paling penting adalah glukosa. Akan tetapi prekursor asetyl-CoA yang lain seperti asam amino ketogenik dapat digunakan. Mula-mula acetyl-CoA dikarboksilasi menjadi malonil CoA, kemudian dipolimerisasi menjadi asam lemak. Asam lemak selanjutnya diaktivasi dan disintesis menjadi lipid (triasilgliserol) dengan gleserol 3-fosfat. Untuk mensuplai jaringan lain, lipid tersebut dipak ke dalam kompleks lipoprotein (VLDL) oleh hepatocyte dan dilepaskan ke dalam darah.
RANGKUMAN PROSES & TRANSPORT LIPID Triasilglisrol dari diet makanan diemulsikan dengan asam empedu di dalam usus halus, dihidrolisis oleh lipase usus halus menjadi asam lemak dan gliserol, diabsorbsi oleh sel-sel epitel usus halus, dan diubah kembali menjadi menjai triasilgliserol. Triasilgliserol kemudian digabungkan dengan chilomicron dan apolipoprotein khusus. Chilomicron mengangkut triasilgliserol ke jaringan-jaringan, dimana lipoprotein lipase melepaskan asam lemak untuk masuk ke sel-sel. Triasilgleserol yang disimpan dalam jaringan adiposa dimobilisasi oleh triasilgliserol lipase (Hormon-sensitive lipase). Asam lemak yang dilepaskan diikat oleh serum albumin untuk diangkut melalui darah ke jaringanjaringan yang membutuhkan. Di sel-sel hati asam lemak didegradasi atau disintesis menjadi lipid. 4
B. 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 3.3) .
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
Gambar 3.3 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 3.4).
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
Gambar 3.4 Masuknya asam lemak ke mitokondria melalui transport acyl-carnitine/carnitine. 5
Tahap 3: Reaksi ß-oksidasi, berlangsung dalam 4 tahap, yaitu (1) dehidrogenasi I, (2) hidratasi, (3) dehidrogenasi II, dan (4) tiolasi (tahap pemotongan) (gambar 3.5). 1. Dehidrogenasi I, yaitu dehidrogenasi Asam lemak-CoA yang sudah berada di dalam mitokondrion
oleh
dehidrogenase,
enzim
mengha-silkan
acyl-CoA senyawa
enoyl-CoA. Pada reaksi ini, FAD (flavin adenin sebagai
dinukleotida) koenzim
yang
direduksi
bertindak menjadi
FADH2. Dengan mekanisme fosforilasi bersifat oksidasi melalui rantai pemafasan, suatu molekul FADH2 dapat menghasilkan dua molekul ATP. 2. Hidratasi, yaitu ikatan rangkap pada enoylCoA dihidratasi menjadi 3-hidroxyacylCoA oleh enzim enoyl-CoA hidratase. 3. Dehidrogenase II, yaitu dehidrogenasi 3hidroxyacyl-CoA oleh enzim ß-hidroxyacyl-CoA dehidrogenase dengan NAD+ sebagai koenzimnya menjadi ß-ketoacylCoA. NADH yang terbentuk dari NAD+ dapat Gambar 3.5 Urutan tahapan reaksi dalam ß-oksidasi asam lemak.
dioksidasi
mekanisme
kembali
fosforilasi
oksidatif
melalui yang
dirangkaikan dengan rantai pernafasan menghasilkan tiga 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.
Proses degradasi asam lemak selanjutnya adalah pengulangan mekanisme ß-oksidasi secara berurutan sampai panjang rantai asam lemak tersebut habis dipecah menjadi molekul acetylCoA. Dengan demikian satu molekul asam miristat (C14) menghasilkan 7 molekul acetylCoA (C2) dengan melalui 6 kali ß-oksidasi. 6
C14 asam lemak
6 siklus β−oksidasi
7 acetyl- CoA
Tiap satu sklus ß-oksidasi dihasilkan energi sebesar: 1 FADH2
= 2 ATP
(pada dehidrogenasi 1)
1 NADH
= 3 ATP
(pada dehidrogenasi 2)
dan 1 Acetyl-CoA. Satu 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 Jelaskan tahap oksidasi asam palmitat (C15H33COOH) dan berapa energi yang dihasilkan? Jawab: Tahap 1: Asam palmitat (mengandung 16 atom C) dioksidasi ß dalam 7 siklus menjadi 8 residu acetyl dalam bentuk acetyl-CoA. C16 asam lemak 8 Acetyl- CoA 7 siklus β−oksidasi Tahap 2: tiap acetyl-CoA dioksidasi menghasilkan 2 CO2 dan 8 elektron dalam siklus TCA. Tahap 3: Elektron yang dihasilkan dari tahap 1 & 2 masuk ke rantai respirasi mitokondria dengan menghasilkan energi untuk sintesis ATP dengan forforilasi oksidatif. Jadi dengan 7 siklus ß-oksidasi dihasilkan energi sebesar: 7 FADH2
= 7 x 2 ATP = 14 ATP
7 NADH
= 7 x 3 ATP = 21 ATP
8 Acetyl-CoA
= 8 x 12 ATP = 96 ATP
Jumlah ATP
= 131 ATP
Reaksi katabolismenya: C15H33COOH + 23 O2 à 16 CO2 + 16 H2O 131 ADP + 131 Pi à 131 ATP + 131 H2O C15H33COOH + 23 O2 + 131 ADP + 131 Pi à 16 CO2 + 147 H2O + 119 ATP Karena pada proses aktivasi dibutuhkan 1 ATP dengan reaksi: ATP + 2 H2O à AMP + 2 Pi,
maka reaksi katabolismenya menjadi:
C15H33COOH + 23 O2 + 131 ADP + 129 Pi à 16 CO2 + 145 H2O + 130 ATP + AM P 7
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
- dan ω-oksidasi.
ß-Oksidasi asam lemak tak jenuh Asam lemak tak jenuh di alam (misal asam oleat) mempunyai ikatan rangkap pada konfigurasi cis. Karena pada ß-oksidasi enzimnya
spesifik
untuk
enoyl-CoA
dengan konfigurasi trans, maka diperlukan enzim
enoyl-CoA
isomerase
untuk
mengubah konfigurasi cis menjadi trans (gambar 3.6). 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
Gambar 3.6 Oksidasi asam lemak tak jenuh (asam oleat). Oksidasi ini membutuhkan tambahan enzim enoyl-CoA isomerase untuk mereposisi ikatan rangkap dari cis ke isomer trans sebagai intermediet normal pada ß-oksidasi.
enoyl-CoA
isomerase
sebagaimana
ditunjukkan pada gambar disamping.
Sebagai contoh: jalur ß-oksidasi asam linoleat, C17H31COOH (C18:2 cis,cis-∆9: ∆12)
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 (gambar 3.7). 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.
8
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
Gambar 3.7 Urutan reaksi dalam oksidasi asam lemak tak jenuh (Contoh: asam linoleat dalam bentuk linoleoyl-CoA)
9
Oksidasi Asam Lemak dengan atom C ganjil Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
Pada asam lemak dengan jumlah atom C ganjil, setelah pengambilan acetylCoA (2C) sisanya adalah residu propionylCoA (3C). Propionyl-CoA ini masuk ke siklus Krebs lewat Succinyl-CoA (gambar 3.8).
Dalam
hal
ini
propionyl-CoA
dikarboksilasi menjadi D-metylmalonylCoA, kemudian diubah menjadi SuccinylCoA melalui intermediet L- metylmalonylCoA. Jumlah energi yang dihasilkan dalam 1 siklus krebs jika masuk lewat SuccinylCoA hanya sebesar 6 ATP Karena masuk siklus krebs lewat Succinyl-CoA maka degradasi asam lemak dengan
atom
dibandingkan
C
ganjil
dengan
lebih
cepat
degradasi
asam
lemak dengan atom C genap. Hal ini penting untuk memberikan konsumyi pada orang
atau
makhluk
hidup
yang
membutuhkan energi dengan cepat, misal
Gambar 3.8 Oksidasi asam lemak dengan atom C ganjil (contoh: asam propionat dalam bentuk Propionyl-CoA)
orang Eskimo.
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. - dan ω-oksidasi –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
–oksidasi. Dalam mekanisme 10
–oksidasi, gugus karboksilat
dilepaskan sebagai CO2 dan atom karbon-
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
–oksidasi telah berkurang
dengan 1 atom C. Selain itu gugus aldehid tersebut dapat dioksidasi menjadi gugus alkohol, membentuk senyawa alkohol asam lemak. Senyawa ini banyak terdapat dalam lilin tumbuhan. Pada kasus syndrom Refsum, pasien yang mempunyai gangguan dalam reaksi
-
oksidasi, tidak mampu mangoksidasi asam fitanat yang berasal dari makanan tumbuhan. Asam fitanat mengandung gugus metil (-CH3) pada karbon-ß yang dapat menghambat reaksi ß-oksidasi.. Berikut adalah contoh reaksi -oksidasi yang terjadi dalam biji kecambah beberapa tumbuhan.
Gambar 3.9 Reaksi -oksidasi asam lemak yang terjadi dalam biji kecambah beberapa tumbuhan
ω-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. ω-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 (gambar 3.10) adalah: 11
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 acetylCoA menjadi CO2, maka asam lemak berantai panjang atau bercabang terseut dikatabolisme menjadi produk asam lemak yang lebih pendek, selanjutnya dieksport ke mitokondria untuk dioksidasi secara sempurna. Dalam kasus sindrom Zellweger, asam lemak rantai panjang tidak dapat didegradasi karena peroksisomal rusak.
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
Gambar 3. 10 Perbandingan ß-oksidasi di mitokondria dan di peroxisome dan glyoxysome 12
RANGKUMAN KATABOLISME ASAM LEMAK Asam lemak jenuh didegedasi dalam 3 tahapan oksidasi. Tahap pertama, ß-oksidasi, dilakukan dalam siklus yang berkesinambungan dengan hasil akhir sebagai acetyl-CoA. Tiap siklus terdiri atas 4 tahap reaksi, yaitu (1) dehidrogenasi 1, (2) hidratasi, (3) dehidroenasi 2, dan (4) tiolasi. Pada tahap kedua tiap acetyl-CoA dioksidasi menghasilkan 2 CO2 dan 8 elektron dalam siklus TCA. Pada tahap ketiga, elektron yang dihasilkan dari tahap 1 dan 2 masuk ke rantai respirasi mitokondria dengan menghasilkan energi untuk sintesis ATP dengan forforilasi oksidatif. Oksidasi asam lemak tidak jenuh memerlukan 2 enzim tambahan: enoyl-CoA isomerase dan 2,4-dienoyl-CoA reductase. Asam lemak beratom C ganjil dioksidasi ß menghasilkan acetyl-CoA dan propionyl-CoA. Propionyl-CoA dikarboksilasi menjadi Lmethylmalonyl-CoA yang kemudian diisomerisasi menjadi succinyl-CoA untuk dioksidasi menjadi CO2 dalam siklus TCA. Peroxisome tanaman dan hewan dan glyoxysome tanaman menjalankan ß oksidasi dalam empat tahap yang mirip dengan ß oksidasi di mitokondria hewan. Akan tetapi pada tahap pertama elektron langsung ditransfer ke molekul O2 menghasilkan H2O2. Reaksi ω-oksidasi yang terjadi di dalam retikulum endoplasma menghasilkan asam lemak dikarboksilat yang dapat mengalami ß-oksidasi dari kedua ujungnya sampai diperoleh asam dikarboksilat berantai pendek seperti C8 (asam suberat) atau C6 (asam adipat).
13
C. 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 acetylCoA yang terbentuk dari asam lemak di dalam hati dari oksidasi selanjutnya, dan (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) Dalam keadaan paska absorpsi, khususnya selama puasa atau kondisi lapar, atau menderita dibetes melitus (DM), ada pergeseran dalam metabolisme lipid. Pada penderita DM jaringan tidak dapat memanfaatkan glukosa dari darah, akibatnya hati lebih banyak menguraikan asam lemak yang diperolehnya dari jaringan adiposa sebagai bahan bakar. Asetyl-CoA hasil degradasi asam lemak jika konsentrasinya dalam mitokondria hati tinggi, maka dua molekul asetyl-CoA akan berkondensasi membentuk acetoacetyl-CoA (Gambar 3.11 reaksi 1), penambahan satu gugus acetyl selanjutnya menghasilkan 3hydroxy-ß-methylglutyryl-CoA (HMG-CoA) (Gambar 3.11 reaksi 2), dan pelepasan satu acetyl-CoA dari senyawa tersebut dihasilkan acetoacetate (Gambar 3.11 reaksi 3). Ketiga senyawa hasil dari reaksi 1, 2, dan 3, yaitu acetoacetyl-CoA, 3-hydroxy-ß-methylglutyrylCoA, dan acetoacetate disebut sebagai keton bodies. Senyawa acetoacetate dapat direduksi menjadi 3-hydroxybutirate atau diurai menjadi acetone (Gambar 3.11 reaksi 4). 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 energi 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 14
urin (ketonuria). Karena keton bodies adalah asam kuat moderat dengan pKa sekitar 4, maka dapat menurunkan nilai pH plasma darah (ketoacidosis).
Reaksi 2:
Reaksi 1:
Reaksi 3: Reaksi 4:
Gambar 3.11 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, khususunya 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 15
lemak. Reduktan NADPH + H+ disuplai dari jalur hexose monophosphate (fosfoglukonat). Gambar 3.12 adalah bagan pengangkutan acetyl-CoA dari mitokondria ke sitoplasma.
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
Gambar 3.12 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 mitokondrion..
Asam lemak synthase disusun oleh dua rantai peptida yang identik yang disebut homodimer yang dapat dilihat pada gambar 3.13. 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, dan (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 – 16
SH yang masing-masing terikat pada residu Cysteine (Cys-SH) pada ß-ketoacyl-ACPSynthase dan 4´-phosphopantetheine (Pan-SH) (Gambar 3.14 (B)). Pan-SH, yang mirip dengan Koenzim A (CoA-SH) (Gambar 3.14 (A)), 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 3.13 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).
17
(A) (B)
Gambar 3.14 Gugus phosphopantetheine pada ACP dan Coenzyme A
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.
Tahap aktivasi: Reaksi 1. Asetil-CoA + oksaloasetat à sitrat + KoA-SH (mitokondria)
18 (masuk ke sitoplasma)
Acetyl-CoA dibawa masuk dari mitokondria ke sitoplasma dengan mengubahnya menjadi sitrat oleh aktivitas enzim Sitrat sintetase (gambar 3.12). Reaksi 2. Sitrat + ATP + KoASH à Asetil-KoA +Oksaloasetat + ADP + Pi Acetyl-CoA dibentuk kembali dari sitrat dalam sitoplasma dengan enzim ATPsitrat liase (gambar 3.12) Reaksi 3. Acetyl-CoA + CO2 + ATP à malonyl-CoA +ADP + Pi karboksilasi acetyl-CoA menjadi malonylCoA sebagai molekul yang menambahkan 2 atom C pada pemanjangan asam lemak dengan melepaskan CO2. Reaksi ini dikatalisis
oleh
karboksilase
enzim
dengan
acetyl-CoA
bantuan
Biotin
(gambar 3.15). CO2 yang digabungkan dengan acetyl-CoA berasal dari HCO3 dari buffer darah. Nelson & Cox, Biochemisry POB4th Ed.
Gambar 3.15. Reaksi pembentukan malonyl-CoA dari acetyl-CoA yang dikatalisis oleh enzim acetylCoA karboksilase dengan bantuan Biotin. Enzim acetyl-CoA karboksilase mempunyai 3 daerah fungsional, yaitu: (1) biotin carrier protein, (2) biotin carboxylase, dan (3) transcarboxylase.
Tahap elongasi : Reaksi pemanjangan rantai secara kontinyu dapat dilihat pada gambar 3.14 dan 3.15. 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 (Gambar 3.17, reaksi 2a). Secara bersamaan gugus malonyl dari malonyl-CoA dipindah ke Pan-SH dari ACP membentuk malonyl-ACP oleh enzim malonyl-CoA- ACP-transferase (Gambar 3.17, reaksi 2b). 19
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- (lihat Gambar 3.17, reaksi 3 pada tahap aktivasi) 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-β-hydroxybutyryl-ACP, yang dikatalis oleh β-ketoacyl-ACP reductase. Struktur intermediet yang dihasilkan adalah D, bukan L. Berbeda dengan struktur isomer selama oksidasi asam lemak, yaitu memiliki konfigurasi L (Gambar 3.5). Reaksi 5: Reaksi dehidratasi D-β-hydroxybutyryl-ACP selanjutnya didehidratasi oleh enoyl-ACP hidratase menjadi α,β-
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. NADPH digunakan sebagai reduktor pada E coli dan jaringan hewan. Pembentukan butyryl-ACP berarti menyempurnakan satu siklus dari 7 siklus dalam pembentukan palmitoyl-ACP. Untuk memulai siklus berikutnya, dilakukan proses translokasi, yaitu gugus butyryl dari butyryl-ACP ditransfer ke gugus–SH dari enzim β-ketoacyl-ACP synthase. ACP kemudian diesterkan dengan gugus malonyl dari molekul-molekul malonylCoA lain oleh malonyl-CoA-ACP transferase. Kemudian siklus diulang, yang mana pada tahap berikutnya kondensasi malonyl-ACP dengan butyryl-β-ketoasyl-ACP synthase menghasilkan β-ketohexanoyl-ACP dan CO2. Setelah 7 siklus dihasilkan palmitoyl-ACP sebagai produk akhir dari sistem enzim kompleks asam lemak synthase .
Tahap tiolasi: Reaksi 7: Pelepasan asam palmitat Palmitoyl-ACP dapat dilepaskan menjadi asam palmitat bebas oleh kerja enzim palmitoyl thioesterase (Domain 3) (Gambar 3.16. B), atau ditransfer dari ACP ke CoA atau digabungkan secara langsung ke asam fosfatidat dalam jalur yang menuju fosfolipid dan triasilgliserol. 20
Gambar 3.16 (A) Bagan urutan reaksi dalam siklus reaksi pada tahap pemanjangan secara kontinyu. Sistem enzim kompleks asam lemak synthetase digambarkan dalam bentuk lingkaran yang terdiri atas enam aktivitas enzimatik dan ACP berada di pusatnya. Enzim yang ditunukkan dalam warna biru beraktivitas pada tahap berikutnya. (B) Keseluruhan prosesn biosintesis asam lemak (asam palmitat).
A
1 2a
2b
3
6
5
4
7
B Nelson & Cox, Lehninger POB4th Ed.
21
Gambar 3.17. Urutan tahap-tahap reaksi dalam biositesis asam lemak (asam palmitat)
Pada kebanyakan organisme, sistem enzim kompleks asam lemak synthase berhenti pada produk
asam palmitat dan tidak menghasilkan asam stearat. Hal ini karena: (1)
spesifitas panjang rantai maksimum yang dapat diakomodasi oleh sistem enzim kompleks asam lemak synthase adalah gugus tetradecanoyl (C14), gugus hexadecanoyl (C16) tidak diterima oleh sistem ini; (2) palmitoyl-CoA merupakan penghambat feedback sistem enzim kompleks asam lemak synthase. 22
Reaksi keseluruhan dari reaksi biosintesa asam palmitat yang dimulai dari asetil-CoA adalah: 8 asetyl-CoA 14NADPH 14H+ 7ATP H2O
asam palmitat 8CoA 14NADP+ 7ADP 7Pi
Jika dibandingkan dengan reaksi ß-oksidasi asam palmitat adalah: asam palmitat 8 CoA 7 FAD 14 NAD+ 7 H2O
8 asetyl-CoA
7 FADH2 7 NADH 7 H+
14 molekul NADPH+ 14H+ diperlukan pada biosintesis asam palmitat bersumber dari: a. Sistem malat yang ditemukan di hati dan jaringan hewan lainnya
b. Jalur pentose phosphate
c. Fotosintesis
Biosintesis Asam Lemak Jenuh dengan jumlah atom C ganjil Asam lemak dengan jumlah atom C ganjil banyak terdapat pada organisme laut. Asam lemak ini juga disintesis oleh sistem enzim kompleks asam lemak synthase. Sintesisnya dimulai dari molekul propionyl-ACP bukan acetyl-ACP. Penambhahan 2 atom C dilakukan
23
melalui kondensasi dengan malonyl-ACP, sama pada biosintesis asam lemak jenuh beratom C genap. Dari uraian tentang jalur ß-oksidasi asam lemak (katabolisme) dan biosintesis asam lemak (anabolisme) terdapat lima perbedaan yang dapat diamati (gambar 3.18), 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. KATABOLISME ß-Oksidasi
ANABOLISME Biosintesis
terjadi di mitokondrion
terjadi di sitoplasma
Pembawa gugus acyl : CoA
Pembawa gugus acyl : ACP
Akseptor elektron: FAD
Donor elektron: NADPH
Gugus L-ßHydroxyacyl
Gugus D-ßHydroxyacyl
Akseptor elektron: NAD+
Akseptor donor: NADPH
Produk unit C2: acetyl-CoA
Donor unit C2: malonyl-CoA
Nelson & Cox,, Lehninger POB, 4th Ed.
Gambar 3.18 Perbedaan antara jalur ß-oksidasi asam lemak dan biosintesis asam lemak. Ada lima pokok perbedaannya, yaitu: (1) lokasinya, (2) pembawa gugus acyl, (3) akseptor/donor elektron, (4) stereokimia reaksi hidrasi/dehidrasi, dan (5) Bentuk unit C2 yang dihasilkan/didonorkan.
24
Biosintesis Asam Lemak setelah Asam Palmitat Sistem enzim kompleks asam lemak synthase hanya mampu mensintesis asam lemak dengan jumlah atom C maksimum 16. Untuk sintesis asam lemak yang beratom C lebih dari 16 digunakan asam palmitat sebgai precursor. Proses ini disebut elongasi asam lemak jenuh, yang dapat terjadi di mitokodria dan mikrosom (retikulum endoplasma). 1. Elongasi asam lemak jenuh di mitokondria Di dalam mitokondrion penambahan 2 atom C dengan acetyl-CoA pada ujung karboksilat (dan bukan dengan malonyl-ACP seperti yang digunakan dalam proses de novo biosintesis palmitat). Proses elongasi palmitat menjadi stearat (C18:0) mengikuti reaksi seperti pada ß-oksidasi, dengan urutan reaksi seperti pada gambar 3.19. Untuk reaksi reduksi pertama dan kedua digunakan NADPH bukan NADH.
Palmitoyl-CoA ß-Ketoacyl-CoA reductase
ß-Hydrxystearoyl-CoA Enoyl-CoA hydratase
Stearoyl-CoA
Gambar 3.19. Reaksi elongasi palmitoyl-CoA dengan satu molekul acetyl menghasilkan steroyl-CoA Enoyl-CoA 2. Elongasi asam lemak jenuh reductase di mikrosom
Di dalam mikrosom mekanisme elongasi asam lemak jenuh identik dengan yang terjadi pada biosintesis asam palmitat, yaitu penambahan 2 atom C dengan malonyl-CoA, kemudian diikuti dengan reduksi 1, dehidratasi, dan reduksi 2 untuk menghasilkan stearoyl-CoA.
25
Biosintesis Asam Lemak Tak Jenuh (Asam monoenoat) Biosintesis asam lemak tak jenuh yang mempunya ikatan rangkap tunggal (asam monoenoat) dalam jaringan hewan dan tumbuhan berbeda. Dalam jaringan hewan asam palmitat dan asam stearat digunakan sebagau precursor untuk biosintesis asam lemak tak jenuh terutama, asam palmitoleat (C16:1 cis-∆9) dan asam oleat (C18:1 cis-∆9). Ikatan rangkap yang terjadi selalu pada posisi ∆9 dan berbentuk cis.
Biosintesis Asam Polienoat Asam polienoat adalah asam lemak tak jenuh yang tingkat ketidakjenuhannya besar, mempunyai ikatan rangkap lebih dari dua. Sebagai precursor adalah palmitoleate, oleate, linoleate, atau linolenate. Elongasi terjadi pada ujung karboksil, sedangkan pembentukan ikatan rangkap melalui reaksi desaturasi yang dikatalisis oleh asam lemak-CoA desaturase. Pada vertebrata atau organisme aerobik, 1 molekul O2 digunakan sebagai akseptor 2 pasang elektron, yaitu 1 pasang berasal dari substrat asam-lemak-CoA dan 1 pasang berasal dari NADPH. Transfer elektron dalam reaksi kompleks ini merangkai reaksi transport elektron dalam mikrosom yang membawa elektron dari NADPH ke Cyt b5 melalui Cyt b5 reductase (Gambar 3.20). Jalur reaksi pembentukan asam lemak tidak jenuh berantai panjang dari palmitate dapat dilihat pda gambar 3.19.
Nelson & Cox,, Lehninger POB 4th Ed.
Gambar 3.20 Transfer elektron dalam reaksi desaturasi asam lemak yang terjadi pada retikulum endoplasma vertebrata.
26
Gambar 3.21. Rute sintesis asam-asam lemak lainnya. Asam palmitat diguanakan sebagai procursor sistesis asam-asam lemak berantai panjang jenuh melalui proses elongasi atau sintesis monoenoat palmitoleate dan oleat melalui proses desaturasi. Mamalia tidak dapat mengubah oleate menjadi linoleate atau linolenate. oleh karena itu dalam dietnya disebut sebagai asam lemak esensial. Linoleate selanjutnya dapat diubah menjadi asam lemak polienoat. Makna angka 18:1, yaitu : angka didepan (18) menunjukkan jumlah atom C asam lemak, sedangkan angka dibelakangnya (1) menunjukkan jumlah ikatan rangkap.
Pengendalian Biosintesis Asam Lemak Biosintesis asam lemak tergantung pada kecepatan enzim acetyl-CoA carboxylase mengubah acetyl-CoA menjadi malonyl-CoA. Jika konsentrasi acetyl-CoA dan ATP di dalam mitokondria naik, cytrate ditransport keluar mitokondria masuk ke sitosol. Cytrate ini menjadi precursor acetyl-CoA sitosol sekaligus sebagai isyarat alosterik (modulator positif) untuk mengaktifkasi acetyl-CoA carboxylase dalam pembentukan malonyl-CoA. Jika konsentrasi malonyl-CoA meningkat maka pembentukan palmitoyl-CoA juga meningkat. Oleh karena palmitoyl-CoA merupakan penghambat (modulator negatif) bagi enzim acetyl-CoA carboxylase, maka proses ini akan diatur secara alosterik sampai keadaan menjadi normal kembali. Biosintesis asam lemak juga diatur oleh beberapa hormon. Hormon insulin memicu aktivasi enzim cytrate lyase, sedangkan glucagon dan epinephrine memicu penginaktifan enzim acetyl-CoA carboxylase melaui fosforilasi (gambar 3.22).
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
27
Gambar 3. 22 Regulasi biosintesis asam lemak. Tanda segitiga hijau menunjukkan poses aktivasi sedangkan tanda silang merah menunjukkan proses penghambatan.
BIOSINTESIS TRIACYLGLYCEROL Triacylgliserol (trigliserida) merupakan lipid cadangan yang disimpan dalam jaringan adiposa dalam hati. Dalam tumbuhan dan hewan biosintesis triacylglyserol menggunakan precursor L-glyserol-3-phosphate (disingkat dengan G-3-P) dan acyl-CoA.
G-3-P pada
umumya berasal dari senyawa intermediet dalam proses glikolisis atau dibentuk dari gliserol bebas hasil degradasi triacylgliserol oleh aktivitas glycerol kinase. Gambar 3.20 adalah Urutan reaksi dalam biosintesis triacylglyserol.
Nelson & Cox, Lehninger POB, 4th Ed.
glycerol 3-phosphate dehydrogenase
glycerol kinase
phosphatidic acid phosphatase
Acyl-CoA synthetase
Acyl transferase
Acyl transferase
Acyl-CoA synthetase
Acyl transferase
Gambar 3.22. Biosintesis triacylglycerol. Dua gugus acyl asam lemak yang sudah diaktifkan dalam bentuk asam lemakCoA ditransfer ke L-glycerol 3-phosphate membentuk asam fosfatidat yang selanjutnya didefosforilasi menjadi diacylglycerol. Triacylglecerol dihasilkan setelah proses asilasi diacylglycerol dengan molekul asam lemak-CoA yang ketiga. Asam fosfatidat juga merupakan precursor glycerophospholipid. 28
RANGKUMAN ANABOLISME ASAM LEMAK Asam lemak jenuh rantai panjang disintesis di sitosol dari acetyl-CoA oleh sistem enzim kompleks asam lemak synthase dengan enam aktivitas enzim dan ACP. Sistem enzim kompleks ini terdiri atas dua jenis gugus –SH, yang satu terikat pada ACP, dan yang lainnya pada residu Cystein pada ß-ketoacyl-ACP synthase yang berfungsi sebagai pembawa intermediet asam lemak. Tiap satu siklus penambahan satu unit 2 atom C pada sintesis asam lemak terdiri atas 4 tahap reaksi, yaitu (1) kondensasi gugus acetyl dari malonyl-ACP dengan intermediet asam lemak yang terikat pada cys-SH, dengan melepaskan
CO2, (2) reduksi 1menghasilkan
turunan D-ß-hydroxy, (3) dehidrasi menghasilkan trans- 2- unsaturated acyl-ACP, dan (4) reduksi 2 menghasilkan intermediet asam lemak yang sudah diperpanjang dengan dua atom C. Asam palmitat dapat diperpanjang menjadi asam stearat (C18:0). Baik asam palmitat maupuan stearat dapat didesaturasi menghasilkan masing-masing palmitoleat dan oleat. Mamalia tidak dapat membuat asam linoleat dan asam -linolenat, kedua asam lemak ini disebut asam lemak esensial. Triasil gliserol dibentuk dengan reaksi dua molekul asam lemak-CoA dengan gliserol-3-fosfat membentuk asam fosfatidat, yang selanjutnya didefosforilasi menghasilkan diacylglicerol. Melalui asilasi dengan moleku asam lemak-CoA ketiga triasilgleserol dapat diperoleh. Sintesis dan degradasi triasilgliserol diatur oleh hormon.
DAFTAR PUSTAKA Nelson, D.L. & . Cox, M.M, Lehninger Principles of Biochemistry, 4th Edition Lehninger, A.L. (1982). Biochemistry, Worth Pub. Inc. Mahler H.R. and E.H. Corder, (1996). Biological Chemistry, Harper & Row Publisher. West, E.S. et al. (1970). Text Book of Biochemistry. The Macmillan Co 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.
29
Topik Khusus
KOLESTEROL Dr. rer. nat. Sri Mulyani, M.Si.
A. PENGANTAR Pada umumnya, kolesterol terdapat di dalam semua macam jaringan hewan dan manusia. Kolesterol didapatkan dalam beberapa makanan hewani yang kita makan, meliputi: telur, keju, dan daging merah. Biosintesis kolesterol paling giat berlangsung dalam jaringan hati, kulit, kelenjar anak ginjal, dan kelenjar kelamin. Pada jaringan lemak, otot, urat nadi, dan otak dewasa, kegiatan sintesis kolesterol berada pada tingkat yang rendah. §
Struktur Kolesterol adalah golongan senyawa organik famili steroid yang mempunyai struktur cincin gabungan yang khas
§
Peranan vital Meskipun reputasinya yang jelek yang dihubungkan dengan penyakit jantung, kolesterol dibutuhkan untuk: a. Pengaturan Struktur Dan Fungsi Sel Membran. Molekul kolesterol yang rigid mengeraskan (menjadikan kaku) bilayer fosfolipid dan menjadikannya kurang permeabel terhadap molekul2 kecil. Pada beberapa sel membran plasmanya mengandung kolesterol sebanyak 25 %
30
b. Sintesis Asam Empedu Yang Menguraikan Lemak-Lemak Dalam Pencernaan. Hati mensintesis asam empedu (garam-garam) dari kolesterol, menyimpannya dalam
kantung
empedu
dan
melepaskannya
ke
usus
halus
untuk
melarutkan/mengadsorbsi lemak-lemak dan vitamin-vitamin yang larut dalam lemak. Srtuktur kolesterol mirip dengan asam empedu kolat dan glikolat
c. Produksi Macam-Macam Hormon Steroid Kolesterol adalah prekursor beberapa hormon-hormon steroid yang bertanggung jawab pafda perkembangan seksual dan kontrol metabolisme.
Kolesterol
Asam empedu
vitamin D Progesteron
Glukokortikoid
Androgen Estrogen mineralokortikoid 31
d. Sintesis Vitamin D Kolesterol adalah prekursor vitamin D. Vitamin D mengontrol kadar Kalsium dalam aliran darah. Urutan reaksi pembentukan nitamin D sebagai berikut: Kolesterol à 7-dehydrokolesterol (+ sinar UV)à previtamin D3 à kolecalsiferol à vitamin D3 aktiv
Pada kenyataannya individu yang sehat dapat mensintesis sendiri kolesterol yang mereka butuhkan. §
Mengapa kolesterol jelek Jika kolesterol melakukan begitu banyak fungsi-fungsi yang penting, kemudian mengapa dia sering dirasa sebagai seuatu yang tidak sehat? Karena tubuh membuat sendiri kolesterol yang dia butuhkan, masuknya kolesterol yang berlebihan mengakibatkan muatan kolesterol dalam darah melewati batas dan memberikan beban yang terlalu berat dalam darah, sehingga dapat merusak arteri.
(1)
(3)
(1)
(2) (1) Molekul Kolesterol menghasilkan lemaklemak yang diendapan pada dinding arteri
(2) Dinding arteri
(2) (3) plak-plak atherosklerosis menghambat aliran darah
Untuk memahami bagaimana kelebihan kolesterol mengarahkan pada penyakit dan bagaimana ilmu kedokteran yang baru dapat mencegah kecenderungan ini, maka kita perlu memahamai bagaimana tubuh membuat kolesterol sendiri dan menstransportnya melalui tubuh. 32
B. BIOSINTESIS KOLESTEROL a. Pengantar Mekanisme penganturan kompleks memastikan bahwa kolesterol disintesis hanya ketika dibutuhkan. Acetil CoA adalah prazat utama dalam biosintesis kolesterol. Asetil CoA ini terutama diperoleh dari hasil proses glikolisis dan oksidasi asam lemak.
b. Biosintesis Tahap reaksi jalur biosintesis kolesterol dibagi menjadi tiga bagian: (1) pembentukan asam mevalonat dari asetil-CoA; (2) pembentukan skualin dari asam mevalonat; dan (3) pembentukan kolesterol dari skualin Tahap 1:
Biosintesis kolesterol dimulai dengan mengubah 3 unit acetyl CoA menjadi asam mevalonat. Kunci pengaturan biosintesis kolesterol adalah enzim HMG-CoA reduktase. Dalam hal ini aktivitas HMG-CoA reduktase diatur oleh 2 mekanisme major. Pertama: aktivitas HMG-CoA reduktase diinhibisi feedback oleh kolesterol yang merupakan produk akhir dari sintesis kolesterol. Kedua: aktivitas HMG-CoA reduktase diatur oleh fosforilasi. Jika kadar kolesterol naik, cAMP kinase diaktifkan dan memfosforilasi HMG-CoA reduktase, akibatnya aktivitas HMG-CoA reduktase menjadi terhambat.
Reaksi pada tahap 1 adalah sebagai berikut: 33
Tahap 2: mevalonat dikonversi menjadi intermediet isoprena berenergi tinggi. Ringkasan reaksinya sebagai berikurt:
Unit-unit isoprena dihubungkan bersama dalam step-step yang berurutan untuk menghasilkan intermediet skualen dengan reaksi sebagai berikut:
34
+ FPP
Catatan nama lain: Mevalonate 5-diphosphate Isopentenyl diphosphate Fernesyl diphosphate Geranyl diphosphate Dimethylallyl diphosphate
= 5-pyrophosphomevalonate = Isopentenyl pyrophosphate = Fernesyl pyrophosphate = Geranyl pyrophosphate = Dimethylallyl pyrophosphate 35
= IPP = FPP = GPP = DPP
Bagan pembentukan skualen secara ringkas adalah sebagai berikut:
Tahap terakhir: skualen disiklisasi dan ikatan-ikatan dobel disusun lagi untuk menghasilkan kolesterol. Urutan reaksinya sebagai berikut:
36
Squalen pada hewan diubah menjadi kolesterol sedangkan pada tanaman diubah menjadi sigmasterol, dengan bagan reaksi sebagai berikut:
C. TRANSPORT KOLESTEROL Kolesterol adalah molekul hidrofobik atau tidak larut dalam air. Untuk menstranportnya dalam aliran darah dan mengirimnya ke sel-sel di seluruh tubuh dimediasi oleh partikel-partikel lipoprotein yang berbeda-beda pada tiap stepnya. Lipoprotein adalah molekul terdiri dari protein dan lipid (triacylglycerol, cholesteryl ester, phospholipid dan cholesterol) yang digabungkan dengan interaksi hidrofob antara bagian (gugus) non polar dari lipid dengan molekul protein. Berdasarkan bobot molekul, kerapatan, dan ukuran partikelnya lipoprotein plasma darah manusia dibagi menjadi lima golongan utama, yaitu: kilomikron, lipoprotein kerapatan sangat rendah (very low density lipoprotein, VLDL), lipoprotein kerapatan rendah (low density lipoprotein, LDL), lipoprotein kerapatan tinggi (high density lipoprotein, HDL), dan lipoprotein kerapatan sangat tinggi (very high density lipoprotein, VHDL). Berdasarkan kecepatan, HDL dapat dibagi lagi menjadi HDL1, HDL2 dan HDL3. Komposisi lipoprotein dalam plasma manusia disajikan dalam tabel sebagai berikut:
37
(Sumber: Harper’s illustrated Biochemistry, 26ed, 2003). IDL= intermediate-density lipoprotein
Kilomikron
menangkap
kolesterol
dan lemak dari usus. Kilomikron adalah butir-butir lemak yang mengandung sedikit protein. Lemak dikirim ke jaringan adiposa meninggalkan
sisa
kilomikron
(Chylomicron remnants) yang mengandung sebagian besar kolesterol. Sisa kolesterol ini di bawa menuju hati. Di dalam hati kolesterol dari sisa kilomikron digabungkan dengan kolesterol yang disintesis oleh hati menjadi partikel VLDL. VLDL ini kemudian Gambar Kilomikron
digunakan
untuk
transport
lemak-lemak ke jaringan-jaringan.
VLDL masuk aliran darah dan memulai penyaluran lemak-lemak ke jaringan sel tepi sepanjang dinding pembuluh darah. Dalam proses perjalanannya itu, VLDL mengalami proses penguraian lipid secara bertahap. Ketika lemak-lemak disalurkan ke jaringan, VLDL menjadi lebih diperkaya kolesterol dan secara bertahap berubah menjadi partikel LDL. Dalam hal ini kehilangan lemak menurunkan ukuran partikel dan menaikkan konsentarsi kolesterol. LDL adalah pembawa kolesterol utama dalam darah. Jika sel-sel sudah cukup kolesterol, maka LDL diblok masuk ke dalam sel jaringan dan kolesterol dikumulasi dalam darah membentuk plak arteri (atherosclerosis). Oleh karena itu LDL disebut juga kolesterol jelek karena mereka membawa kelebihan kolesterol untuk ditimbun pada dinding arteri dan menyebabkan penyakit jantung. 38
LDL diinternalisasi ke dalam sel jaringan tepi melalui pembentukan kompleks LDL-reseptor dengan proses khusus. Kompleks LDL-reseptor yang sudah masuk ke dalam sel, komponen proteinnya diuraikan menjadi asam amino dan senyawa ester kolesterolnya dihidrolisis menjadi kolesterol. Kolesterol kemudian dapat digunakan oleh sel untuk membuat membran sel dan mensintesis steroid-steroid lain. Kolesterol yang berlebih akan dikeluarkan dari membran sel baik sebagai kolesterol bebas maupun sebagai senyawa esternya dan diangkut oleh HDL yang terdapat dalam plasma darah kembali ke sel hati. Selanjutnya kolesterol tersebut mengalami proses perombakan menghasilkan cadangan kolesterol hati yang antara lain diperlukan untuk sintesis VLDL Kadar HDL dalam darah yang tinggi akan mencegah terjadinya penimbunan LDL pada dinding pembuluh darah. Oleh karena itu HDL merupakan kolesterol baik, karena untuk mencari-cari sisa kelebihan kolesterol dan menurunkan kemungkinan pembentukan plak arteri.
Biosintesis kolesterol di dalam hati sebagian diatur oleh kolesterol dalam diet makanan.
D. PENYAKIT JANTUNG LDL dianggap kolesterol jelek dan konsentrasi tinggi LDL dapat menyebabkan secara langsung penyakit jantung. Ada 2 jalur utama yang mana konsentrasi kolesterol dapat menaikkan tingkat bahaya: i.
Kecenderungan genetik
ii.
Gaya hidup
Hiperkolesterolemia adalah kondisi keturunan yang mana kolesterol serum 2-3 kali lebih tinggi daripada individu normal (normal < 200 mg/100 ml darah). Pasien dengan kelainan ini adalah kekurangan reseptor LDL dan sel-sel tidak dapat membuang LDL kolesterol secara efektiv dari darah. Kekuranagn Reseptor LDL dapat mencegah masuknya LDL ke bagian dalam sel dan menaikkan konsentrasi LDL di luar sel. Faktor utama penyebab kolesterol tinggi meliputi antara lain: kekurangan gerak badan dan
intak
makanan
berkolesterol
/
berlemak
tinggi.
Memakan
makanan
berkolesterol/berlemak tinggi menaikkan tingkat LDL dalam darah karena tubuh mengambil kolestrol lebih banyak daripada yang dibutuhkan oleh sel. Jika sel mempunyai cukup kolesterol, maka sel menghentikan pemasukkan kolesterol dari aliran darah dengan menurunkan sejumlah reseptor LDL-nya. 39
Gerak badan mempunya efek yang berlawanan: disamping menaikkan metabolisme seseorang untuk membakar lemak, gerak badan juga menaikkan tingkat HDL, mengarahkan penurunan serum kolesterol Jika tingkat kolesterol LDL dalam darah naik, deposit (plak) mulai dibentuk pada dinding arteri. Akhirnya, deposit-deposit ini menjadi begitu besar sehingga mereka dapat memblok aliran darah, merangsang pembentukan gumpalan darah, dan menyebabkan serangan jantung (turunnya oksigen untuk otot jantung). Khusus untuk pasien dengan kecenderungan genetik, obat seperti Lipitor dan mevinolin dapat membantu mengurangi konsentrasi kolesterol. Obat ini khususnya beraksi menghambat aktivitas
HMG-CoA reduktase sehingga konsentrasi kolesterol
darah menurun.
E. PENGATURAN METABOLISME KOLESTEROL Biosintesis kolesterol di dalam hati sebagian diatur oleh kolesterol dalam diet. Di dalam jaringan, kesetimbangan kolesterol ditentukan oleh faktor-faktor yang menyebabkan penambahan kolesterol, seperti: sintesis (no.1 s.d. 5) , penangkapan melalui LDL atau reseptor (no. 6 dan 7) dan pengurangan kolesterol, seperti: sintesis steroid (no. 9) dan asam empedu (no. 10), pembentukan ester kolesterol (no. 8), pengankutan kolesterol ke membran (no.11 & 13), dan ekskresi. Di dalam hati kelebihan kolestrol diekskresikan ke dalam empedu sebagai kolesterol atau garam-garam empedu. Mekanisme pengaturan biosintesis kolesterol secara keseluruhan ditunjukkan dengan bagan sebagai berikut:
40
8
(Sumber: M. WIrahadikusumah, 1985)
DAFTAR PUSTAKA Lehninger, A.L. (1982). Biochemistry, Worth Pub. Inc Murray, R.K., Granner, D.K., Mayes, P.A., Rodwell, V.W. Lehninger, A.L. (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. 41
145
