BIOKIMIA PANGAN 10 (STKIP MUHAMMADIYAH SORONG 2012)

Reaksi individu dari siklus asam sitrat

Reaksi dari siklus asam sitrat yang tepat dan enzim yang mengkatalisis mereka tercantum dalam Tabel .1. Sekarang kita akan membahas masing-masing reaksi ini pada gilirannya.

Tabel .1. Reaksi dalam siklus asam sitrat.

Langkah	reaksi	reaksi
1	Acetyl-CoA + Oxaloacetate + H2O → Citrate + CoA-SH	Citrate synthase
2	Citrate → Isositrat	Aconitase
3	Isositrat + NAD+ → α-Ketoglutarate + NADH + CO2 + H+	Isositrat dehydrogenase
4	α-Ketoglutarate + NAD+ + CoA-SH → Succinyl-CoA + NADH + CO2 + H+	α-Ketoglutarate dehydrogenase
5	Succinyl-CoA + GDP + Pi → Succinate + GTP + CoA-SH	Succinyl-CoA synthetase
6	Succinate + FAD → Fumarate + FADH	Succinate dehydrogenase
7	Fumarate + H2O → L-Malate	Fumarase
8	L-Malate + NAD+ → Oxaloacetate + NADH + H+	Malate dehydrogenase

Langkah 1.

Pembentukan Sitrat tersebut terlebih dulu langkah dari siklus asam sitrat adalah reaksi asetil-KoA dan oksaloasetat untuk membentuk sitrat dan KoA-SH. Reaksi ini disebut kondensasi karena ikatan karbon-karbon baru terbentuk. Reaksi kondensasi asetil-KoA dan oksaloasetat untuk membentuk citryl-CoA terjadi dalam tahap reaksi terlebih dulu. Kondensasi ini diikuti oleh hidrolisis citryl-KoA untuk memberikan sitrat dan KoA-SH. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim sitrat sintase, awalnya bernama "Kondensasi enzim." Sintase adalah enzim yang membuat ikatan kovalen baru selama reaksi, tetapi tidak memerlukan input langsung dari ATP. Langkah adalah reaksi eksergonik (ΔG°'= -32,8 kJ mol^-1 = -7,8 kkal mol^-1) karena hidrolisis dari melepaskan energi thioester. Tioester dianggap senyawa energi tinggi.

Langkah 2.

Isomerisasi sitrat membentuk reaksi isositrat kedua dari siklus asam sitrat, yang dikatalisis oleh akonitase, adalah isomerisasi sitrat untuk isositrat. Enzim memerlukan Fe²⁺. Salah satu fitur paling menarik dari reaksi adalah sitrat, suatu senyawa simetris (akiral), diubah menjadi isositrat, sebuah senyawa kiral, molekul yang tidak dapat ditumpangkan pada bayangannya. Isositrat memiliki empat isomer yang memungkinkan, tetapi hanya satu dari empat diproduksi oleh reaksi ini. (Kita tidak akan membahas tata nama isomer dari isositrat
di sini. Akonitase adalah enzim yang mengkatalisis konversi sitrat untuk isositrat. Akonitase dapat memilih salah satu ujung dari molekul sitrat dalam preferensi untuk yang lain. Jenis perilaku berarti bahwa enzim dapat mengikat substrat simetris disitus mengikat yang tidak simetris. Enzim membentuk simetris tiga titik lampiran ke molekul sitrat (Gambar.6). Hasil reaksi dengan menghilangkan molekul air dari sitrat menghasilkan cis-asonitat, dan kemudian air ditambahkan kembali ke cis-asonitat untuk menghasilkan isositrat.

Gambar, 6 Tiga titik lampiran untuk yang akonitase enzim membuat dua CH₂-COO- ujung sitrat berstereokimia nonequivalen.

Kedua, cis-aconitate, tetap terikat pada enzim selama reaksi. Ada beberapa bukti bahwa sitrat yang dikomplekskan dengan Fe(II) di situs aktif enzim sedemikian rupa sehingga sitrat menggulung kembali pada dirinya sendiri dalam konformasi hampir bundar.

Langkah 3.

Pembentukan α-ketoglutarat dan CO₂-Oksidasi Pertama. Langkah ketiga dalam siklus asam sitrat adalah dekarboksilasi isositrat oksidatif membentuk α-ketoglutarat dan karbon dioksida. Reaksi ini adalah terlebih dulu dua dekarboksilasi oksidatif dari siklus asam sitrat, enzim yang mengkatalisis prose situ adalah isositrat dehidrogenase. Reaksi berlangsung dalam dua langkah (Gambar.7). Pertama, isositrat dioksidasi menjadi oksalosussinat, yang tetap terikat pada enzim. Kemudian oksalosussinat membentuk dekarboksilasi, dan karbon dioksida dan  α-ketoglutarat yang dituju. Proses ini adalah reaksi pertama dari yang menghasilkan NADH. Satu molekul NADH yang dihasilkan dari NAD⁺ pada tahap ini karena kehilangan dua elektron dalam oksidasi. Seperti pada kompleks piruvat dehidrogenase yang setiap NADH yang dihasilkan mengarah ke produksi sebesar 2,5 ATP dalam tahap-tahap metabolisme aerobik selanjutnya. Ingat juga bahwa akan ada dua NADH, setara dengan lima ATP untuk setiap molekul awal dari glukosa.

Gambar 7 Para isocitrate reaksi dehidrogenase.

Langkah 4.

Pembentukan suksinil-CoA dan CO₂ - Oksidasi Kedua. Dekarboksilasi oksidatif kedua terjadi pada Langkah 4 dari siklus asam sitrat, di mana karbon dioksida dan suksinil-KoA terbentuk dari α-ketoglutarat dan KoA.

Reaksi ini mirip dengan yang di mana asetil-KoA terbentuk dari piruvat, dengan NADH yang dihasilkan dari NAD⁺. Sekali lagi, masing-masing NADH akhirnya menghasilkan 2,5 ATP, dengan lima ATP dari setiap molekul glukosa. Reaksi terjadi dalam beberapa tahap dan dikatalisis oleh sistem enzim yang disebut kompleks dehidrogenase α-ketoglutarat, yang sangat mirip dengan kompleks piruvat dehidrogenase. Masing-masing sistem multienzim terdiri dari tiga enzim yang mengkatalisis reaksi secara keseluruhan. Reaksi berlangsung di beberapa langkah, dan ada lagi persyaratan untuk tiamin pirofosfat (TPP), FAD, asam lipoic, dan Mg²⁺. Reaksi ini sangat eksergonik (ΔG°'= -33,4 kJmol^-1 = -8,0 Kkalmol^-1), seperti yang dikatalisis satu per piruvat dehidrogenase.

Pada titik ini, dua molekul CO₂ telah dihasilkan oleh oksidatif dekarboksilasi dari siklus asam sitrat. Penghapusan dari CO₂ yang membuat asam sitrat ireversibel siklus in vivo, meskipun secara in vitro setiap reaksi yang terpisah adalah reversibel. Orang mungkin menduga bahwa dua molekul CO₂ timbul dari dua atom karbon dari asetil-KoA. Pelabelan studi telah menunjukkan bahwa ini tidak terjadi.

Dua CO₂ timbul dari atom karbon yang merupakan bagian dari oksaloasetat yang
dimana gugus asetil terkondensasi. Karbon dari gugus asetil yang dimasukkan ke dalam oksaloasetat yang akan dibuat ulang untuk putaran siklus berikutnya. Munculnya molekul CO₂ memiliki pengaruh besar pada fisiologi mamalia. kita juga harus menyebutkan bahwa reaksi kompleks α-ketoglutarat dehidrogenase adalah yang ketiga di mana ditemui enzim yang membutuhkan TPP.

Langkah 5.

Pembentukan suksinat. Pada langkah berikutnya dari siklus, ikatan thioester dari suksinil-CoA dihidrolisis untuk menghasilkan suksinat dan KoA-SH, yang menyertai reaksi fosforilasi GDP membentuk GTP. Reaksi keseluruhan dikatalisis oleh enzim suksinil-KoA sintetase. Sintetase adalah enzim yang menciptakan ikatan kovalen baru dan membutuhkan masukan langsung dari energi dari fosfat berenergi tinggi. Ingatlah bahwa kita bertemu dengan sebuah sintase (sintase sitrat) sebelumnya. Perbedaannya antara sintase dan sintetase adalah sintase tidak memerlukan energi dari ikatan hidrolisis fosfat, sedangkan sintetase sebaliknya. Dalam mekanisme reaksi, gugus fosfat terikat secara kovalen dengan enzim tersebut langsung ditransfer ke GDP. Fosforilasi GDP ke GTP adalah endergonik, seperti yang sesuai ADP ke ATP reaksi (ΔG°' = 30,5 kJmol^-1 = 7,3 kkalmol^-1).

Energi yang diperlukan untuk fosforilasi dari GDP menjadi GTP disediakan oleh hidrolisis suksinil-KoA untuk menghasilkan suksinat dan KoA. Energi bebas hidrolisis (ΔG°') dari suksinil-CoA adalah -33,4 kJmol^-1 (-8,0 kkal mol^-1). Reaksi keseluruhan adalah sedikit eksergonik (ΔG°' = -3,3 kJmol^-1 = -0.8 kkalmol^-1) dan, sebagai hasilnya, tidak memberikan kontribusi besar terhadap produksi energi secara keseluruhan oleh mitokondria. Perhatikan bahwa nama enzim menggambarkan reaksi balik. Suksinil KoA sintetase-akan menghasilkan suksinil-KoA sambil menghabiskan ATP atau lain fosfat energi tinggi. Reaksi ini merupakan kebalikan dari itu. Kinase nucleosidediphosphate enzim mengkatalisis transfer gugus fosfat dari GTP ke ADP untuk memberikan GDP dan ATP.

 GTP + ADP → GDP + ATP

Langkah reaksi disebut substrat tingkat fosforilasi untuk membedakannya dari jenis reaksi untuk produksi ATP yang digabungkan dengan rantai transpor elektron. Produksi ATP dalam reaksi ini adalah satu-satunya tempat di siklus asam sitrat dimana energi kimia dalam bentuk ATP yang tersedia ke sel. Kecuali untuk reaksi ini, generasi ATP karakteristik metabolisme aerobik dikaitkan dengan rantai transpor elektron. Tentang 30-32 molekul ATP dapat diperoleh dari oksidasi satu molekul glukosa oleh kombinasi anaerobik dan oksidasi aerobik, dibandingkan dengan hanya dua molekul ATP yang diproduksi oleh anaerobik glikolisis saja. (Ini variasi dalam stoikiometri menghasilkan ATP adalah hasil dari perbedaan keadaan metabolik dan mekanisme transportasi di jaringan yang berbeda) Reaksi gabungan yang terjadi dalam mitokondria adalah sangat penting bagi organisme aerobik.Dalam tiga langkah selanjutnya dalam siklus asam sitrat (Langkah 6 sampai 8), empat-karbon suksinat ion diubah menjadi ion oksaloasetat untuk menyelesaikan siklus.

Tahapan akhir siklus asam sitrat

Langkah 6. Pembentukan tautan fumarat-FAD Oksidasi. Suksinat teroksidasi menjadi fumarat, reaksi yang dikatalisis oleh enzim suksinat dehidrogenase. Enzim ini merupakan protein integral dari mitokondria bagian dalam membran. Individu enzim lain dari siklus asam sitrat dalam matriks mitokondria. Akseptor elektron, yang cenderung FAD daripada NAD⁺, yang terikat secara kovalen dengan enzim; suksinat dehidrogenase juga disebut flavoprotein karena adanya FAD dengan bagian flavin-nya.. Dalam reaksi dehidrogenase suksinat, FAD direduksi menjadi FADH₂ dan suksinat dioksidasi menjadi fumarat.

Reaksi keseluruhan adalah

Suksinat + E-FAD → fumarat + E-FADH₂

E-FAD dan E-FADH₂ dalam persamaan menunjukkan bahwa akseptor elektron adalah kovalen terikat pada enzim. Kelompok FADH₂ melewati elektron pada ke rantai transpor elektron, dan akhirnya ke oksigen, dan menimbulkan 1,5 ATP, bukan 2.5, seperti halnya dengan NADH.
Dehidrogenase suksinat mengandung atom besi tetapi tidak mengandung sebuah gugus heme; ini disebut sebagai protein besi nonheme atau protein besi-belerang. nama yang terakhir itu mengacu pada fakta bahwa protein mengandung beberapa gugus yang terdiri
dari empat atom masing-masing dari besi dan belerang.

Langkah 7.

Pembentukan L-Malate. Pada Langkah 7, yang dikatalisis oleh enzim fumarase, air ditambahkan ke ikatan rangkap fumarat dalam hidrasi dari sebuah reaksi untuk memberikan malat. Sekali lagi, ada stereospesifakasi dalam reaksi. Malate memiliki dua enantiomer, L-dan D-malat, tetapi hanya diproduksi L-malat.

Langkah 8.

Regenerasi oksaloasetat-Langkah Oksidasi terakhir. Malate dioksidasi menjadi oksaloasetat, dan molekul lain dari NAD⁺ direduksi menjadi NADH. Reaksi ini dikatalisis oleh malat dehidrogenase enzim. Oksaloasetat ini kemudian dapat bereaksi dengan molekul lain dari asetil-KoA untuk memulai satu putaran siklus. Oksidasi piruvat oleh kompleks piruvat dehidrogenase dan hasil dalam siklus asam sitrat produksi adalah tiga molekul CO₂. Akibatnya dari reaksi oksidasi, satu molekul GDP terfosforilasi membentuk GTP, satu molekul FAD direduksi menjadi FADH₂, dan empat molekul NAD⁺ yang direduksi menjadi NADH. Dari empat molekul NADH yang dihasilkan, tiga buah dari siklus asam sitrat, dan satu buah berasal dari reaksi piruvat dehidrogenase kompleks. Stoikiometri keseluruhan dari reaksi oksidasi adalah jumlah dari reaksi dehidrogenase piruvat dan siklus asam sitrat. Perhatikan bahwa hanya satu fosfat berenergi tinggi, GTP, diproduksi langsung dari siklus asam sitrat, tetapi lebih banyak lagi ATP akan timbul dari reoksidasi NADH dan FADH₂.

Piruvat dehidrogenase kompleks:

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

Siklus asam sitrat:

Asetil-KoA+3NAD⁺+FAD+GDP+Pi+2H₂O → 2CO₂+KoA-SH+3NADH+3H⁺+FADH₂+GTP

Keseluruhan reaksi:

Piruvat + 4NAD⁺ + FAD + GDP + Pi + 2H₂O → 3CO₂ +  4NADH + FADH₂ + GTP + 4H⁺
Akhirnya ATP produksi per piruvat:

4NADH → 10ATP (2.5ATP untuk setiap NADH)

1FADH → 1.5ATP (1.5ATP untuk setiap FADH₂)

1GTP → 1ATP

Jumlah total 12,5 ATP per piruvat atau 25 ATP per glukosa.

Ada juga dua ATP diproduksi per glukosa dalam glikolisis dan dua NADH, yang akan menimbulkan lima ATP (tujuh lebih ATP total).

Ringkasan

1.      Pada siklus asam sitrat dan piruvat dehidrogenase reaksi, satu molekul piruvat dioksidasi menjadi tiga molekul karbon dioksida sebagai hasil dari dekarboksilasi oksidatif

2.      Oksidasi disertai dengan reduksi. Empat NAD⁺ direduksi menjadi NADH, dan satu FAD menjadi FADH₂, di samping itu, salah satu GDP terfosforilasi menjadi GTP. 

  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