Argininosuksinat sintase menghubungkan aspartat dan sitrulin melalui gugus amino aspartat (reaksi 3, Gambar 28- 9) clan menghasilkan nitrogen kedua pada urea. Reaksi im memerlukan ATP dan melibatkan pembentukan zat-antara sitrulil-AMp. Penggantian selanjutnya AMP oleh aspartat kemudian membentuk sitrulin.
penguraian Argininosuksinat Menghasilkan Arginin dan Fumarat
penguraian argininosuksinat yang dikatalisis oleh
argininosuksinase berlangsung dengan terjadinya retensi
KarbamoiI
Fosfat Sintase
IAdalah
Enzim
Pemacu pada Siklus Urea
Aktivitas KARBAMOII fosfat sintase I ditentukan oleh
N-asetilglutamat, dengan kadar STEADY-STATE yang ditentukan
oleh laju SINTESISNYAdari ASETIL-KOA dan glutamat serta laju hidrolisisnya menjadi asetat dan glutamat. REAKSI-REAKSI ini masing-masing dikatalisis oleh yV-asetil-glutamat sintase dan Af-asetilglutamat hidrolase. PERUBAHAN besar dalam diet dapat meningkatkan konsentrasi masing-masing enzim dalam siklus urea sebesar 10 sampai 20 kali lipat. Kelaparan, contohnya meningkatkan kadar enzim yang MUNGKIN untuk menghadapi peningkatan PRODUKSIamonia yang disebabkan oleh peningkatan penguraian protein.
PENYAKIT METABOLIK PADA
SIKLUS
UREAPenyakit-penyakit metabolik yang berkaitan dengan biosintesis urea relatif jarang dijumpai, tetapi parah secara medis serta memberikan
gambaran prinsip-prinsip umum penyakit metabolik berikut:
1. Defek molekular yang BERBEDA-BEDA pada suatu enzim dapat menimbulkan gejala dan tanda yang mirip atau
identik.
2. Ierapi rasional harus didasarkan pada pemahaman tentang reaksi-reaksi biokimia yang dikatalisis oleh enzim baik pada keadaan normal maupun terganggu
260/ BAGIAN III: METABOLISME PROTEIN & ASAM AMINO
CO, NH; 3. 4. 5. c=HH /vf/\ CH--NH HC-COO' OOC-<BH Fumarat B01 COO E-HH-§-CH i z COO-Arglnlnosukslnat
7^
ATP AMP + Mg-PP, u-Aspartatmembemfr!reaeditLiraL^';,ama!,a b!T‘e5iS U-?a’ Cu8US'Sugus mengandung nitrogen dan ikut berperan (sebagai bikarbonat) ion
terjadi di matriks mitokondria hati dan reaksi <D, ® , dan © di sitosol hati. C02
iingkaran hi.a^ng ^
Identifikasi zat-^at antara dan produk-produk samping- an yang menumpuk sebelum terjadinya blok metabolik dapat dijadikan dasar untuk mengembangkan peme- riksaan penyaring metabolik serta dapat menunjukkan reaksi-reaksi yang terganggu.
Diagnosis pasti memerlukan pemeriksaan kuantitatif aktivitas enzim yang dicurigai mengalami kelainan.
Akhirnya, gen yang menyandi enzim mutan perlu diklon dan sekuens DNA-nya dibandingkan dengan gen wild- type untuk mengidentifikasi mutasi (-mutasi) spesifik yang
menyebabkan penyakit.
Semua defek pada sintesis urea menyebabkan intoksikasi amonia. Efek defek tersebut paling parah jika blok metabolik terjadi di reaksi 1 atau 2 (Gambar 28-9) karena jika sitrulin dapat disintesis, sebagian amonia sudah dapat dibersihkan dengan mengikatkannya secara kovalen pada suatu metabolit organik. Gejala klinis yang umum dijumpai pada gangguan siklus urea adalah muntah, menghindari makanan tinggi-protein, ataksia intermiten, iritabilitas, letargi, dan retardasi mental berat. Gambaran klinis dan terapi kelima penyakit yang dibahas berikut serupa satu sama lain. Perbaikan signifikan dan minimalisasi kerusakan otak dapat
BAB 28: KATABOLISME PROTEIN & NITROGEN ASAM AMINO / 261
dicapai dengan diet rendah-protein yang dikonsumsi dalam jumlah kecil, tetapi sering untuk menghindari peningkatan mendadak kadar amonia darah.
+
SETIAP REAKSI PADA SIKLUS UREA
DAPAT BERKAITAN DENGAN
PENYAKIT
METABOLIK TERTENTU
Defek pada masing-masing enzim siklus urea pernah dilaporkan. Banyak mutasi penyebab telah berhasil dipetakan, dan defek spesifik pada enzim-enzim yang bersangkutan telah diketahui.
N-Asetilglutamat Sintase
iV'-Asetilglutamat esensial untuk aktivitas karbamoiI fosfat sintase I (lihat reaksi 1, Gambar 28-9). Gen NAGS menyandi Af-asetilglutamat sinrase yang mengatalisis kondensasi asetil-KoA dengan glutamat. Defek pada gen NAGS menyebabkan hiperamonemia berat, yang dalam kasus spesifik ini dapat berespons terhadap pemberian //-asetilglutamat.
KarbamoiI
Fosfat Sintase
IDefek pada enzim karbamoiI fosfat sintase I (reaksi 1, Gambar
28-9) merupakan penyebab penyakit metabolik yang relatif jarang (frekuensinya diperkirakan 1:62.000) ^ang dinamai “hiperamonemfe tipe 1.”
Pengangkut Ornitin
Sindrom hiperornitinemia, hiperamonemia, dan homositru-linuria (sindrom HHH) terjadi akibat mutasi gen ORNTl yang menyandi pengangkut ornitin di membran mito-kondria. Kegagalan memasukkan ornitin sitosol ke dalam matriks mitokondria menyebabkan siklus urea tidak dapat berjalan sehingga terjadi hiperamonemia, sementara akumu-lasi ornitin di sitosol menyebabkan hiperornitinemia. Tanpa adanya akseptor normalnya, yaitu ornitin, karbamoiI fosfat mitokondria akan mengarbamoilasikan lisin menjadi ho-mositrulin sehingga terjadi hoho-mositrulinuria.
Ornitin Transkarbamoilase
\ Defisiensi terkait-kromosom X yang disebut “hiperamone-mia tipe 2” mencerminkan suatu defek pada ornitin trans-karbamoilase (reaksi 2, Gambar 28-9). Ibu pasien mengala-mi hiperamonemengala-mia dan tidak menyukai makanan berprotein tinggi. Kadar glutamin meningkat di darah, cairan serebro-spinal, dan urine, mungkin akibat peningkatan sintesis glu-tamin sebagai respons terhadap peningkatan kadar amonia jaringan.
Argininosuksinat Sintase
Selain pasien yang tidak memperlihatkan adanya aktivitas argininosuksinatsintase(reaksi3,Gambar28-9),peningkatan
Km untuk sitrulin sebesar 25 kali lipat juga pernah dilaporkan. Contoh-contoh ini menggambarkan prinsip pertama yang tercantum di atas. Dalam keadaan sitrulinemia, kadar sitrulin dalam plasma dan cairan serebrospinal meningkat dan setiap hari 1-2 gram sitrulin diekskresikan.
Argininosuksinase (Argininosuksinat Liase)
Argininosuksinatasiduria yang disertai oleh meningkatnya kadar argininosuksinat dalam darah, cairan serebrospinal, dan urine, bermanifestasi sebagai rambut rapuh dan bernodus (trikoreksis nodosa). Dikenal adanya tipe onset-dini dan onset-lanjut. Defek metabolik terletak di argininosuksinase (argininosuksinat liase; reaksi 4, Gambar 28-9). Diagnosis dapat dilakukan in utero pada darah tali pusat atau sel cairan amnion dengan mengukur aktivitas argininosuksinase di dalam eritrosit.
Arginase
Hiperargininemia adalah suatu penyakit autosom resesif di gen untuk arginase (reaksi 5, Gambar 28-9). Tidak seperti penyakit siklus urea lainnya, gejala-gejala awal hiperargininemia biasanya belum muncul hingga usia 2 sampai 4 tahun. Kadar arginin dalam darah dan cairan serebrospinal meningkat. Pola asam ammo dalam urine, yang mirip d«ngan pola lisin-sistinuria, dapat mencerminkan persaingan arginin dengan lisin dan sistein untuk mengalami
reabsorpsi di tubulus ginjal.
Analisis Darah Neonatus dengan TA N D E M MA S S SP E C T R O M E T R Y dapat Mendeteksi Penyakit Metabolik
Penyakit metabolik yang disebabkan oleh ketiadaan atau gangguan fungsional enzim metabolik dapat sangat parah. Namun, pada banyak kasus, intervensi diet secara dini dapat menghilangkan efek-efek buruk penyakit. Oleh karena itu, deteksi dini penyakit metabolik ini merupakan hal yang sangat penting. Sejak dimulainya program pemeriksaan penyaring neonatus di Amerika Serikat pada tahun 1960-an, semua negara bagian kini melaksanakan pemeriksaan penyaring metabolik terhadap neonatus meskipun cakupannya berbeda-beda untuk
masing-masing negara bagian. Teknik
tandem mass
spectrometry
yang sangat sensitif dan efektif (lihat Bab 4) dapat menyaring lebih dari dua lusin penyakit metabolik dengan hanya menggunakan beberapa tetes darah neonatus. Sebagian besar negara bagian, dan tidak lama lagiKATABOLISME RANGKA KARBON 29
ASAM AMINO
1
---J
262 / BAGIAN III: METABOLISME PROTEIN & ASAM AMINO
mungkin seluruhnya, akan menerapkan TAN D E M MS untuk melakukan pemeriksaan penyaring terhadap neonatus guna mendeteksi penyakit metabolik, seperti asidemia organik, aminoasidemia, penyakit oksidasi asam lemak, dan defek enzim siklus urea.
Terapi Gen Memberi Harapan untuk Mengoreksi Defek Biosintesis Urea
Terapi gen untuk memperbaiki defek pada enzim-enzim siklus urea merupakan suatu bidang yang sedang banyak diteliti. Telah diperoleh hasil-hasil awal yang menjanjikan, contohnya, pada model hewan dengan menggunakan vektor adenovirus untuk mengobati sitrulinemia.
RINGKASAN
° Manusia menguraikan 1—2% protein tubuhnya setiap hari dengan laju yang sangat bervariasi antar protein dan keadaan fisiologis. Enzim-enzim regulatorik kunci sering memiliki waktu paruh yang singkat.
Protein diuraikan oleh jalur-jalur dependen-ATP dan independen-ATP. Ubikuitin menyerang banyak protein intrasel untuk diuraikan. Reseptor di permukaan sel hati mengikat dan menginternalisasikan asialoglikoprotein dalam darah untuk diuraikan di lisosom.
° Amonia merupakan zat yang sangat toksik. Ikan mengekskresikan NH( secara langsung; unggas mengubah NH( menjadi asam urat. Vertebrata tingkat- tinggi mengubah NH, menjadi urea.
° Iransaminasi menyalurkan nitrogen asam a-amino menjadi glutamat. L-Glutamat dehidrogenase (GDH) menempati posisi sentral dalam metabolisme nitrogen.
° Glutamin sintase mengubah NH. menjadi glutamin yang nontoksik. Glutaminase membebaskan NH, untuk digunakan dalam sintesis urea.
Atom-atom urea berasal dari NH,, CO,, dan nitrogen amida aspartat.
° Sintesis urea di hati berlangsung sebagian di matriks mitokondria dan sebagian lain di sitosol. Kelainan
mctabolismc bawaan dapat terjadi di setiap reaksiDAHNsiklus urea.
Perubahan kadar enzim dan regulu.si alosterik karbamoiI fosfat sintase oleh yV-asciilglm.mi.it mengatur biosintcsis urea.
* Penyakit metabolik dapat disebabkan oleh defekdisetup enzim siklus urea, pengangkut ornitin di membran,dan vV-asetilglutamat sintetase.
• TA N D E M M A S S S P E C T R O M E T R Y adalah teknik pilihan untuk menapis (skrining) lebih dari dua lusin penyakit met* bolik pada neonatus.
REFERENSI
Brooks P ct al: Subccllular localization of protcasomcs and their regulatory complexes in mammalian cells. Biochem 1
2000:346:155.
Caldovic L ct al: Late onset Af-acctylglutamaic synthase deficiency caused by hypomorphic alleles. Hum Mutat 2005:25:293. Cronibez F.A, Cedcrbaum SD: Hyperargininemia due to liver arginase deficiency. Mol Genet Metab 2005:84:243.
Elpeleg O ct al: /V-acctylglutamate synthase deficiency and the treatment of hyperammonemic enccphalopathy. Ann Neurol
2002:52:845.
Gyato K et al: Metabolic and neuropsychological phenotype in women heterozygous for ornithine transcarbamylase deficiency. Ann Neurol 2004:55:80.
HaberlcJ et al: Diagnosis of A^-acetylglutamate synthase deficiency by use of cultured fibroblasts and avoidance of nonsense- mediated mRNA decay. ) Inherit Metab Dis 2003:26:601. HaberlcJ ct al: Mild cirrullinemia in Caucasians is an allelic variant of argininosuccinatc synthetase deficiency (cirrullinemia type
0- Mol Genet Metab 2003:80:302.
Iyer R ct al: The human arginases and arginase deficiency. J Inherit
Metab Dis 1998:21:86.
Pickart CM. Mechanisms underlying ubiquitination. Annu Rev
Biochem 2001:70:503.
Scriver CR, ct al (editors): The Metabolic and Molecular Bases oj Inherited Disease, 8th ed. McGraw-Hill, 2001.
Victor W. Rodwell', PhD
PERAN BIOMEDIS
Bab ini membahas tentang perubahan kerangka karbon asam-asam
L-amino umum menjadi zat antara amfibolik dan penyakit metabolik atau “kelainan metabolisme bawaan” yang berkaitan dengan proses-proses ini. Jika tidak diobati, penyakit-penyakit ini dapat menyebabkan kerusakan otak ireversibel dan kematian dini. Oleh sebab itu, deteksi pranatal atau pascanatal dini serta pemberian terapi pada saat yang tepat merupakan hal yang sangat penting. Banyak enzim yang berkaitan dengan proses- proses ini dapat dideteksi dengan biakan sel cairan amnion yang memungkinkan kita menegakkan diagnosis pranatal melalui amniosentesis. Hampir semua negara bagian di Amerika Serikat melakukan pemeriksaan penyaring hingga 30 macam penyakit metabolik. Penyakit-penyakit tersebut mencakup antara lain penyakit yang terjadi karena gangguan katabolisme asam amino. Pemeriksaan penyaring ini menggunakan TAN D E M M A S S S P E C T R O M E T R Y (spektrometri massa tandem) untuk mendeteksi katabolit-katabolit yang menyiratkan adanya defek metabolik, dengan beberapa tetcs darah neonatus. Terapi terutama berupa pemberian makanan yang sedikit mengandung asam amino yang katabolismenya terganggu. Meskipun banyak perubahan struktur primer enzim tidak menimbulkan gangguan, perubahan tertentu memodifikasi struktur tiga-dimensi bagian katalisis atau regulatorik sehingga efisiensi katalitik menurun (menurunkan V
atau meningkatkan K ), atau
. max o nr mengubah afinitas terhadap aktivitas regulator alosterik. Jadi, berbagai mutasi dapat menimbulkan gejala dan tanda
klinis yang sama.
KATABOLISME ASAM AMINO BIASANYA DIMULAI DENGAN TRANSAMINASI
Pengeluaran nitrogen a-amino melalui transaminasi (lihat Gambar 28-3) adalah reaksi katabolik pertama asam amino kecuali prolin, hidroksiprolin, treonin, dan lisin. Rangka
0
hidrokarbon yang tersisa kemudian diuraikan menjadi zat-antara amfibolik seperti yang diringkaskan di Gambar
29-L
Asparagin, Aspartat, Glutamin, dan Glutamat.
Keempat karbon asparagin dan aspartat membentuk oksaloasetat
(Gambar 29-2, atas). Reaksi analog mengubah glutamin dan glutamat menjadi a-kctoglutarat (Gambar 29-2, bawah). Karena enzim-enzim juga melaksanakan fungsi anabolik, tidak ada kelainan metabolik yang berkaitan
dengan katabolisme keempat asam amino ini.
Prolin. Karena prolin tidak ikut serta dalam transaminasi, nitrogen asam imino ini dipertahankan selama oksidasinya menjadi dehidroprolin, pembukaan cincin menjadi glutamat- y-semialdehida,
dan oksidasi menjadi glutamat, dan hanya dikeluarkan selama terjadinya transaminasi glutamat menjadi a-ketoglutarat (Gambar
29-3, atas). Blok metabolik pada hiperprolinemia tipe I terletak di prolin dehidrogenase. Tidak ada kelainan yang berkaitan dengan katabolisme hidroksiprolin. Blok metabolik pada hiperprolinemia tipe
terletak di glutamat-y-semialdehida dehidrogenase, yang juga berfungsi dalam katabolisme hidroksiprolin. Oleh sebab itu, baik katabolisme prolin maupun hidroksiprolin terganggu dan terjadi ekskresi
A'-pirolin-3-hidroksi-5-karboksilase (lihat Gambar 29-11)*
Arginin dan Ornitin. Arginin diubah menjadi ornitin, kemudian menjadi glutamat y-semialdehida yang diubah menjadi a-ketoglutarat, seperti pada prolin (Gambar
29- 3 bawah). Mutasi pada ornitin 5-aminotransferase menyebabkan peningkatan ornitin plasma dan urine serta menimbulkan atrofi girus retina. Terapi berupa pembatasan arginin dalam diet. Pada sindrom hiperornitinemia- hiperamonemia, defek pada antiporter ornitin-sitrulin (lihat Gambar 28-9) terjadi di mitokondria yang mengganggu transpor ornitin ke dalam mitokondria untuk digunakan
pada sintesis urea.
Histidin. Katabolisme histidin berlangsung melalui urokanat, 4-imidazolon-5-propionat, dan Af-formimino-glutamat (Figlu). Pemindahan gugus formimino ke
BAG'ANI-I:METABOUSMEPROTEIN&ASAMAM|NO ^S^glutarat Glutamat Asetoasetil-KoA Gambar 29-1, amino. ^PARAGI COO" L-Asparagin COO" Oksaloasetat GLUTAMIN, L-Glutamin coo" a.KeW9 W'a,a v a^ata
KaVabo\\sme L-aspava&m Utas^ dan l-^u\am\n ibawah'i men\ad\ Z-a . l0^a. (-arnb ar29 p ‘ o p\tuvaV, MA \--a\an\n.') D\ gambar \m dan £ambat-£ambat '^se aVs/'v- a^\b°^'1 d\bef' '.wtna menun\uV.V.an mo\eku\ -yarv^ men%a\am\ petubaban V.'
BAB 29: KATABOLISME RANGKA KARBON ASAM AMINO / 265
PROLIN DEHIDROGENASE NAD*
©
NADH + H' H„0 NH * CH SCH^ / • CH ^cHr s O' L-Glutamat y-semia 0 IdehidaGLuTAMAT SEMIALDEHIDA ^§H| DROGENASE ___ ^ nad+ -© NADH+ H L-Glutamat
I
a.Ketoglutarat HiN -c< N -cHr CH2 ' CH NH3+ II N H + L-Argln’H CH, [nh3 CH^r/ / CH ^CH2 || L_Ornit«n a -KG -GluL-Glutamat-Y'serT1 iald ehi da
^9-3. Atas: Katabolisme prolin. Angka menunjukkan Ga\nb^r terjadinya defek metabolik pada hiperprolinemia tempat'te
@ tipe 2. Bawah: Katabolisme arginin. Glutamat-y- (D {iPe . |Cja
membentuk a-ketoglutarat seperti diperlihatkan di sernial 0 at defek metabolik pada hiperargininemia. atas.
266/ BAGIAN III: METABOLISME PROTEIN & ASAM AMINO HN NH BD NH,‘ "c- II H " O i-Histidin HO UROKANASE /•5s. + HN NH -O^ ^CH C CH, 4-lmidazolon-5-propionat H;° IMIDAZOLON PROPIONAT HIDROLASE HN'S*^NH. II 2 II
o o
N-Formiminoglutamat (Figlu) H. folat AA-FormiminoH. folat GLUTAMAT FORMIMINOTRANSFERASE
L-Glutamat a-Ketoglutarat N A D * O Glisin H. folat S* pH2-H, f°lat
G a m b a r 2 9 - 4 . Katabolisme L-histidin menjadi a‘k0t°8'p^'. (H, folat, tetrahidrofolat.) Histidase mungkin merupa a terjadinya defek metabolik pada histidinemia.
tetrahidrofolat menghasilkan glutamat, kemud'
ketoglutarat (Gambar 29-4). FSU. Karena pemindahan gugus terganggu dan terjadi e di„unakan itu, ekskresi Figlu setelah pemberian hist, i P pada
untuk mendeteksi defisiensi asam folat. dinemia Jan katabolisme histidin antara lain ada^ ^ asiduria-urokanat akibat gangguan histi as
*
CcV NH/ + NADH + H-c*nibar 29.5 ,,
m i t o k o r C v m i M Kl«in o l c h kompleks glisin
‘ • >' I I , l)iridoks,il fosfat.)
p!ruvatSAM AMINO MEMBENTUK
Serniia KARB
dua ^rbon p°andPada ®,isin* scrin* a,a™n. dan sistein sena
^fii-KoA. 1 rreon,n membentuk piruvat dan kemudian
Glisin.
nicmecah e|,\ °n,p S,isin s«ntasc di mitokondria hati
^'-nctilcn
r?
CTf
C:°‘ dan NH,* membentukter;adi akibat lt,ro/o,ar (Gambar 29-5). Glisinurij
°eFek Pada
hi
DJ I
,Pada reabs°rpsi di tubulus ginjal.
™
en&taboli
stnc°r
,.“na Prim cradalah
kegagalantubuh
g,sin-Oksidnd
8, ,,at Xangterbentuk
darideaminasi
Tnycb^hnZj ,U,ny''1 elioksihc menjadi oksoh,
bat gagal pin hi 'r,as,^ncfr°ka/sinosis, dan kematian dini Serin, s I [ ^ pertensi- °^i serin hidmL- mcnjadi glisin yang
dikatalisis
men
galatni
kat-,K *,met,Itransfcr™c(Gambar
29-6),serin
A,anin. Ty ° ,Sm C seruPadengankatabolisme glisin.
MUNGKINKARENNNSJ|NI,NAS,| A,ANINMEMBENTUKPIRUVAT. ataMisnie Bjur_ aj’an_a,asan yang sangat rumit padap;lda