BIOKIMIA PANGAN 9 (STKIP MUHAMMADIYAH SORONG 2012)

Siklus Asam Sitrat 

1 Peran Sentral Siklus Asam Sitrat dalam Metabolisme

Evolusi metabolisme aerobik, dimana nutrisi teroksidasi menjadi karbon dioksida dan air, merupakan langkah penting dalam sejarah kehidupan di Bumi. Organisme dapat memperoleh energi yang jauh lebih banyak dari nutrisi dengan oksidasi aerobik dibanding oleh oksidasi anaerobik. (Bahkan ragi yang biasanya reaksi fermentasi anaerobik alkohol dan berperan untuk memproduksi roti, bir, dan anggur-menggunakan siklus asam sitrat dan degradasi aerobic glukosa menjadi karbon dioksida dan air.) Kita melihat bahwa glikolisis hanya menghasilkan dua molekul ATP untuk setiap molekul glukosa dimetabolisme.

Kita akan melihat bagaimana 30-32 molekul ATP dapat dihasilkan dari setiap molekul glukosa dalam oksidasi aerobik yang lengkap untuk karbon dioksida dan air. Tiga proses memainkan peran dalam metabolisme aerobik: siklus asam sitrat, yang kita bahas ini, transpor elektron dan fosforilasi oksidatif (Gambar 1). Ketiga proses beroperasi bersama-sama dalam metabolisme aerobik. 

GAMBAR 1 Hubungan pusat dari siklus asam sitrat untuk katabolisme. aminoasam, asam lemak, dan glukosa semua dapat menghasilkan asetil-KoA dalam tahap 1 dari katabolisme. Pada tahap 2, asetil-KoA memasuki siklus asam sitrat. Tahap 1 dan 2 menghasilkan pembawa elektron berkurang (ditampilkan sini sebagai e-). Pada tahap 3, elektron memasuki rantai transpor elektron, yang kemudian menghasilkan ATP.

Metabolisme terdiri dari katabolisme, yang merupakan kerusakan oksidatif nutrisi, dan anabolisme, yang merupakan sintesis reduktif biomolekul. Siklus asam sitrat adalah amphibolic, artinya berperan baik dalam katabolisme dan anabolisme. Meskipun siklus asam sitrat adalah bagian dari jalur oksidasi nutrisi aerobik, beberapa molekul yang termasuk dalam siklus ini adalah titik awal dari jalur biosintesis (Anabolik). Jalur metabolisme beroperasi secara bersamaan.

Siklus asam sitrat memiliki dua nama umum lainnya. Salah satunya adalah siklus Krebs, setelah Sir Hans Krebs, yang pertama kali menyelidiki jalur tersebut. Nama lainnya adalah siklus asam trikarboksilat (Atau siklus TCA), dari fakta bahwa beberapa molekul yang terlibat adalah dengan tiga asam gugus karboksil. 

Ringkasan

■ Siklus asam sitrat adalah amphibolic. Hal ini memainkan peran di kedua katabolisme dan
anabolisme. Ini adalah jalur pusat metabolisme. 

2. Jalur Keseluruhan Siklus Asam Sitrat

Perbedaan yang penting antara glikolisis dan siklus asam sitrat adalah bagian dari sel di mana jalur tersebut terjadi. Pada eukariota, glikolisis terjadi di sitosol, sedangkan siklus asam sitrat terjadi dalam mitokondria. Sebagian besar enzim dari siklus asam sitrat yang ada dalam matriks mitokondria.

Sebuah tinjauan singkat dari beberapa aspek struktur mitokondria adalah dalam rangka siklus asam sitrat berlangsung di sel karena kita akan ingin menggambarkan lokasi yang tepat dari masing-masing komponen siklus asam sitrat dan rantai transpor elektron. Ingat bahwa mitokondria memiliki sebuah bagian membran dalam dan luar (Gambar 2). daerah tertutup itu
oleh membran dalam disebut matriks mitokondria, dan ruang intermembrane ada antara membran dalam dan luar. Membran dalamnya adalah penghalang antara matriks dan sitosol, dan senyawa sangat sedikit dapat menyeberangi penghalang ini tanpa protein transportasi spesifik. Reaksi dari siklus asam sitrat terjadi dalam matriks, kecuali untuk satu di mana akseptor elektron kedua adalah FAD. Enzim yang mengkatalisis reaksi FAD-linked itu merupakan bagian integral dari inti membran mitokondria dan terhubung langsung ke rantai transpor elektron.

Gambar 2 Struktur mitokondria.

Siklus asam sitrat ditunjukkan dalam bentuk skema pada Gambar 3. Di bawah kondisi aerobik, piruvat yang dihasilkan oleh glikolisis teroksidasi lebih lanjut, dengan karbon dioksida dan air sebagai produk akhir. Pertama, piruvat dioksidasi menjadi satu karbon dioksida dan molekul membentuk satu gugus asetil, yang menjadi terkait dengan kedua, koenzim A (KoA). KoA-asetil memasuki siklus sitrat asam. Dalam siklus asam sitrat, diproduksi dua molekul lebih dioksida karbon untuk setiap molekul asetil-KoA yang masuk siklus, dan elektron ditransfer dalam proses. Akseptor elektron langsung dalam semua tapi satu kasus adalah NAD yang direduksi menjadi NADH. Dalam kasus ada di mana merupakan akseptor electron kedua, FAD (flavin adenin dinukleotida), yang berasal dari riboflavin (vitamin B2), mengambil dua elektron dan dua ion hidrogen untuk menghasilkan FADH₂. Elektron diberikan dari NADH dan
FADH₂ melalui beberapa tahap dari rantai transpor elektron dengan berbeda reaksi redoks pada setiap langkah. Akseptor elektron akhir adalah oksigen, dengan air sebagai produk. Perhatikan bahwa, mulai dari senyawa piruvat, tiga karbon, tiga karbon yang hilang sebagai CO₂ melalui produksi asetil-KoA dan satu siklus pergantian. Siklus ini menghasilkan energi dalam bentuk reduksi elektron setara (NADH dan FADH₂ tersebut yang akan memasuki rantai transpor elektron), tetapi kerangka karbon secara efektif hilang. Siklus ini juga menghasilkan satu energi tinggi senyawa secara langsung yakni GTP (guanosin trifosfat). 

Gambar 3 Sebuah gambaran dari siklus asam sitrat. Perhatikan nama-nama enzim. ditunjukkan hilangnya CO₂, seperti fosforilasi dari PDB menjadi GTP. Juga diindikasikan produksi NADH dan FADH₂.

Dalam reaksi pertama dari siklus, dua-karbon mengambil gugus asetil dengan ion oksaloasetat empat karbon untuk menghasilkan ion sitrat enam karbon. Dalam beberapa langkah berikutnya, sitrat yang teisomerisasi, dan kemudian keduanya kehilangan karbon dioksida dan teroksidasi. Proses ini, disebut dekarboksilasi oksidatif, menghasilkan karbon lima yang merupakan senyawa α-ketoglutarat, yang merupakan dekarboksilasi oksidatif untuk menghasilkan senyawa suksinat empat karbon. Siklus ini selesai pada regenerasi oksaloasetat dari suksinat dalam beberapa langkah. Kita akan melihat banyak ini intermediet lagi di jalur lain, terutama α-ketoglutarat, yang sangat penting dalam asam amino dan metabolisme protein. Siklus asam sitrat memiliki delapan langkah, masing-masing dikatalisis oleh enzim yang berbeda.

Empat dari delapan langkah-langkah 3, 4, 6, dan 8-adalah reaksi oksidasi (lihat Gambar 3). Zat pengoksidasi adalah NAD⁺ dalam semua tahap kecuali Langkah 6, di mana FAD memainkan peran yang sama. Pada Langkah 5, molekul dari PDB (guanosin difosfat) terfosforilasi untuk menghasilkan GTP. Reaksi ini setara dengan produksi ATP karena gugus fosfat mudah ditransfer ke ADP, menghasilkan GDP dan ATP.

Bagian  2 Ringkasan

■ Siklus asam sitrat terjadi di matriks mitokondria, dengan pengecualian bahwa satu enzim yang ditemukan dalam membran mitokondria bagian dalam. Proses erat terkait fosforilasi oksidatif terjadi di membran mitokondria bagian dalam.

3 Asal Piruvat

Piruvat dapat berasal dari beberapa sumber, termasuk glikolisis, seperti yang kita lihat. Itu bergerak dari sitosol ke mitokondria melalui transporter spesifik c. Di sana, sistem enzim yang disebut kompleks piruvat dehidrogenase bertanggung jawab untuk konversi piruvat menjadi karbon dioksida dan bagian asetil dari asetil-KoA. Ada gugus-SH di salah satu ujung dari molekul KoA, yang merupakan titik di mana kelompok asetil terpasang. Akibatnya, KoA sering ditunjukkan dalam persamaan sebagai KoA-SH. Karena KoA adalah (tiol sulfur [tio] analog dari alkohol), asetil-KoA adalah thioester, dengan atom belerang menggantikan oksigen dari yang biasa karboksilat ester. Perbedaan ini penting, karena tioester yang senyawa berenergi tinggi. Dengan kata lain, hidrolisis tioester melepaskan energi yang cukup untuk menggerakkan reaksi lainnya. Reaksi oksidasi mendahului transfer dari kelompok asetil pada KoA. Seluruh proses melibatkan beberapa enzim, yang semuanya adalah bagian dari kompleks piruvat dehidrogenase. Itu keseluruhan reaksi dapat ditulis:

Piruvat + KoA-SH + NAD⁺ → Asetil-KoA + CO₂ + H⁺ + NADH

Rekasi ini merupakan reaksi eksergonik (ΔG°'= -33,4 kJmol^-1 = -8,0 kkalmol^-1), dan NADH kemudian dapat digunakan untuk menghasilkan ATP melalui rantai transpor elektron.

Lima enzim membentuk kompleks piruvat dehidrogenase pada mamalia. piruvat dehidrogenase (PDH) mereka adalah dihidrolipoil transasetilase, dihidrolipoil dehidrogenase, kinase piruvat dehidrogenase, dan fosfatase dehidrogenase piruvat. Enzim pertama dari tiga yang terlibat dalam konversi piruvat ke asetil-KoA. Kinase dan fosfatase adalah enzim yang digunakan dalam pengendalian PDH dan ada pada polipeptida tunggal. Reaksi berlangsung lima langkah. Dua enzim mengkatalisis reaksi lipoic, suatu senyawa yang memiliki gugus disulfida dalam bentuk teroksidasi dan dua gugus disulfhidril bentuk tereduksi

Lipoic berbeda dalam satu hal dari koenzim lainnya. Lipoic adalah vitamin, tetapi bukan dari metabolit vitamin, seperti halnya dengan koenzim lainnya. (Klasifikasi asam lipoat sebagai vitamin ini memunculkan suatu pertanyaan. Tidak ada bukti suatu persyaratan untuk itu dalam makanan manusia,. Tetapi diperlukan untuk pertumbuhan beberapa bakteri dan protista.) Asam Lipoic dapat bertindak sebagai agen oksidator; reaksi melibatkan pemindahan hidrogen, yang sering menyertai reaksi oksidasi-reduksi biologis.

Reaksi lain dari lipoic adalah pembentukan sebuah hubungan thioester dengan gugus asetil sebelum ditransfer ke-asetil KoA. Asam Lipoic dapat bertindak hanya sebagai agen oksidator, atau secara bersamaan dapat mengambil bagian dalam dua reaksi-reaksi redoks dan pergeseran gugus asetil dengan transesterifikasi.

Langkah pertama dalam urutan reaksi yang mengubah piruvat menjadi karbon dioksida dan asetil-KoA dikatalisis oleh dehidrogenase piruvat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Enzim ini membutuhkan tiamin pirofosfat (TPP; metabolit vitamin B1, atau thiamin) sebagai koenzim. Koenzim tidak terikat secara kovalen untuk enzim, mereka disatukan oleh interaksi nonkovalen. Mg²⁺ adalah juga diperlukan. Kita melihat aksi TPP sebagai koenzim dalam konversi piruvat menjadi asetaldehida, dikatalisis oleh piruvat dekarboksilase. Dalam reaksi dehidrogenase piruvat, asam a-keto, piruvat, kehilangan karbon dioksida; dua-karbon unit yang tersisa menjadi terikat secara kovalen dengan TPP.

Gambar 4 Mekanisme reaksi piruvat dehidrogenase. Dekarboksilasi piruvat terjadi dengan pembentukan hidroksietil-TPP (Langkah 1). Pengalihan unit dua-karbon menjadi asam lipoat pada Langkah 2 diikuti oleh pembentukan asetil-KoA pada Langkah 3. Asam Lipoic terreoksidasi pada reaksi Langkah 4.

Langkah kedua reaksi dikatalisis oleh transasetilase dihidrolipoil. Enzim ini memerlukan asam lipoat sebagai koenzim. Asam lipoat adalah kovalen terikat enzim oleh ikatan amida ke grup ε-amino dari rantai sisi lisin. Unit dua karbon yang awalnya berasal dari piruvat ditransfer dari tiamin pirofosfat membentuk asam lipoic, dan, dalam proses, gugus hidroksil dioksidasi menghasilkan gugus asetil. Gugus disulfida dari asam lipoic adalah agen oksidasi, yang agen oksidasi itu sendiri berkurang, dan produk dari reaksi adalah sebuah thioester. Dengan kata lain, kelompok asetil sekarang terikat kovalen pada asam lipoat oleh hubungan thioester (lihat Gambar 4).

Langkah ketiga reaksi juga dikatalisis oleh transasetilase dihydrolipoyl. Sebuah molekul KoA-SH menyerang sambungan thioester, dan kelompok asetil ditransfer ke sana. Gugus asetil tetap terikat dalam sebuah hubungan thioester; reduksi bentuk lipoic tetap terikat kovalen dihydrolipoyl transasetilase (Lihat Gambar 19.4). Reaksi piruvat dan KoA-SH saat ini telah mencapai tahap produk, karbon dioksida dan asetil-KoA, tetapi koenzim lipoicberada dalam bentuk tereduksi. Sisa dari langkah menumbuhkan asam lipoic, sehingga reaksi lebih lanjut dapat dikatalisis oleh transasetilase tersebut.

Pada langkah keempat dari reaksi keseluruhan, dehidrogenase enzim dihydrolipoyl reoksidasi asam lipoat reduksi dari sulfhidril membentuk bentuk disulfida. Asam lipoat masih tetap terikat secara kovalen dengan transasetilase. Dehidrogenase ini juga memiliki koenzim, FAD, yaitu enzim terikat oleh interaksi nonkovalen. Akibatnya, FAD tereduksi membentuk untuk FADH₂. FADH₂ yang reoksidasi secara bergantian. Zat pengoksidasi adalah NAD⁺, dan NADH adalah produk bersama dengan FAD ter-reoksidasi. Enzim seperti piruvat dehidrogenase disebut flavoproteins karena disertai FADs mereka.

Reduksi NAD⁺ menjadi NADH menyertai oksidasi piruvat membentuk gugus asetil, dan persamaan secara keseluruhan menunjukkan bahwa telah terjadi transfer dua elektron dari piruvat ke NAD⁺. Elektron yang diperoleh NAD⁺ dalam menghasilkan NADH dalam langkah ini dilewatkan ke rantai transpor elektron (langkah berikutnya dalam metabolisme aerobik). Selanjutnya akan terlihat bahwa transfer elektron dari NADH akhirnya oksigen akan menghasilkan 2,5 ATP. Dua molekul piruvat yang diproduksi untuk setiap molekul glukosa, sehingga yang ada akhirnya akan memperoleh lima ATP dari setiap glukosa dari 1 langkah saja.

Reaksi terkemuka dari piruvat untuk asetil-KoA merupakan satu kompleks yang membutuhkan tiga enzim, masing-masing memiliki pembentuk koenzim sendiri selain NAD⁺. Orientasi spasial dari individu molekul enzim dengan tidak saling mengganggu satu sama lain dari kompleks itu sendiri. Dalam enzim yang diisolasi dari bakteri E.coli, yang pengaturan ini cukup kompak, sehingga berbagai langkah reaksi yang dapat dikoordinasikan secara menyeluruh.

Ada inti dari 24 transasetilase dihydrolipoyl molekul. 24 rantai polipeptida disusun dalam delapan trimer, dengan setiap trimer menempati sudut kubus. Ada 12 dimer α-β piruvat dehidrogenase, dan mereka menempati tepi kubus. Akhirnya, enam dimer dari dehidrogenase dihydrolipoyl berbaring di enam permukaan kubus (Gambar 5). 

Gambar 5 Struktur kompleks piruvat dehidrogenase. (a) 24 subunit dihydrolipoyl transasetilase (TA). (b) 24 α-β dimer dari piruvat dehidrogenase ditambahkan ke kubus (dua per tepi). (c) Penambahan dari 12 subunit dehidrogenase dihydrolipoyl (dua persisi) melengkapi kompleks.

Perhatikan bahwa banyak tingkat struktur bergabung untuk menghasilkan lingkungan yang sesuai untuk konversi piruvat ke asetil-KoA. Setiap molekul enzim dalam arah ini memiliki struktur tersier tersendiri, dan arah itu sendiri memiliki struktur kubus.

Sebuah pengaturan yang kompak, seperti pada kompleks multienzim dehidrogenase piruvat, memiliki dua keuntungan besar atas pengaturan tersebut dimana berbagai komponen yang lebih tersebar luas. Pertama, berbagai tahap reaksi dapat berlangsung lebih efisien karena reaktan dan enzim begitu dekat satu sama lain. Peran asam lipoat sangat penting di sini. Ingatlah bahwa asam lipoat secara melekat kovalen pada enzim transasetilase yang menempati posisi sentral dalam kompleks. Asam lipoat dan rantai samping lisin yang itu terikat cukup lama untuk bertindak sebagai swingingarm /"lengan ayun," yang dapat bergerak ke lokasi setiap langkah-langkah dari reaksi (Gambar 4). Sebagai hasil dari tindakan swingingarm, asam lipoat dapat memindahkan ke situs piruvat dehidrogenase untuk menerima unit dua-karbon dan kemudian mentransfernya ke tempat transasetilase aktif tersebut. Gugus asetil kemudian dapat ditransesterifikasi menjadi KoA-SH dari asam lipoik. Akhirnya, asam lipoat dapat berayun ke situs aktif dehidrogenase sehingga gugus sulfhidril dapat ter-reoksidasi membentuk sebuah disulfida.

Keuntungan kedua dari kompleks multienzim adalah peraturan kontrol dapat diterapkan lebih efisien dalam suatu sistem dari dalam molekul enzim tunggal. Dalam kasus kompleks piruvat dehidrogenase, faktor pengendalian sangat berkaitan erat dengan kompleks multienzim sendiri.

Bagian ,3 Ringkasan

1. Unit dua-karbon diperlukan pada awal siklus asam sitrat yang diperoleh dengan mengubah piruvat ke asetil-KoA.

2. Konversi ini memerlukan tiga enzim utama dari piruvat dehidrogenase kompleks, serta kofaktor TPP, FAD, NAD⁺, dan asam lipoic.

3. Reaksi keseluruhan dehidrogenase piruvat adalah konversi piruvat, NAD⁺, dan KoA-SH menjadi asetil-KoA, NADH + H⁺, dan CO₂. 

  Referensi:

  Mary K. Campbell, Shawn O. Farrell (2009)"BIOCHEMISTRY 6th EDITION", Thomson Higher Education 10 Davis Drive Belmont, CA 94002-3098 USA, ISBN-13: 978-0-495-39041-1