BIOSINTESIS ASAM LEMAK PADA TANAMAN ROSITA SIPAYUNG. Fakultas Pertanian Jurusan Budidaya Pertanian Universitas Sumatera Utara I.

(1)

1

BIOSINTESIS ASAM LEMAK PADA TANAMAN

ROSITA SIPAYUNG

Fakultas Pertanian Jurusan Budidaya Pertanian Universitas Sumatera Utara

I. PENDAHULUAN

Kelas material biologi secara historis terdiri dari lemak, protein karbohidrat dan mineral. Lemak berbeda khas dari produk-produk alamiah lainnya karena dapat larut dalam pelarut non-polar antara lain ether, chloroform dan benzene, tetapi tidak larut dalam air. Komposisi ekstrak lemak heterogen umumnya terdiri dari campuran kompleks berbagai senyawa dengan struktur yang sangat beragam. Grup-grup senyawa yang beragam ini disebut lipid sebagai sebutan untuk material yang larut dalam senyawa organik tetapi khas tidak larut dalam air. (Weete, 1980)

Asam lemak pada tumbuhan umumnya terdapat dalam bentuk lemak dan minyak. Lemak dan minyak yang tergolong lipida berfungsi sebagai pembentuk struktur membran sel, sebagai bahan cadangan dan sebagai sumber energi. Selain dalam bentuk minyak dan lemak, asam lemak juga terdapat dalam bentuk senyawa lapisan pelindung pada epidermis batang, daun dan buah. (Estiti, 1995)

Penyimpanan asam lemak berbentuk minyak dan lemak dalam jumlah yang relatip besar dapat ditemukan sebagai bahan cadangan penting dalam buah dan biji-bijian (Estiti, 1995). Cadangan ini tersimpan dalam endosperm atau perisperm dalam bentuk lipid dengan kandungan yang beragam. Persentase kandungan lipid pada beberapa biji-bijian diberikan pada Tabel 1.

Lipid tampak sebagai tubuh minyak dalam sitoplasma sel yang menyimpan minyak. Tubuh minyak ini dinamakan vakuola*) berisi lipid, sebagai sferosom yang dikelilingi satuan membran. (Salisbury dan Ross, 1995)

Asam lemak merupakan senyawa potensil dari sejumlah besar kelas lipid di alam. Sementara dalam sistem biologi umumnya asam lemak kebanyakan terdapat menyatu dalam kompleks lipid. Asam lemak yang menyatu terdapat berupa ester, gliserol, sterol dan berbagai senyawa lainnya. Rantai hidrokarbon dari asam lemak dapat juga berikatan dengan phospogliserol melalui ikatan ether dan vinyl ether. (Weete, 1980)

(2)

Tabel 1. Persentase Kandungan Lipid Beberapa Biji yang Bernilai Ekonomi Spesies Jaringan Cadangan

Utama Kandungan Lipid

Jagung Endosperma 5%

Gandum Endosperma 2%

Kapri Koletidon 2%

Kacang tanah Koletidon (40 – 50 %

Kedelai Koletidon 17%

Jarak Endosperma 64%

Bunga matahari Koletidon (45 – 50)%

Sumber : Salisbury dan Ross, 1995

Lemak atau lipida terdiri dari unsur karbon, hidrogen dan oksigen. Fungsi utama cadangan lemak dan minyak dalam biji-bijian adalah sebagai sumber energi. Cadangan ini merupakan salah-satu bentuk penyimpanan energi yang penting bagi pertumbuhan. Penguraian lemak secara kimiawi menghasilkan energi dalam jumlah yang lebih besar sekitar dua kali lipat dibandingkan dengan energi yang dihasilkan dari penguraian karbohidrat. (Estiti, 1995)

Pada sel tumbuhan, cadangan lipid adalah asam lemak. Cadangan ini oleh lipase dihidrolisir menjadi gliserol dan asam lemak. Asam lemak ini dipakai dalam sintesis fosfolipid dan glikolipid yang diperlukan untuk pembentukan organel. Sebagian besar diubah menjadi gula dan diangkut untuk pertumbuhan kecambah.

*) Vakuola merupakan organel yang paling besar volumenya pada sel tumbuhan dewasa. Vakuola sering menempati lebih dari 90% volume protoplas, di mana sisa protoplas yaitu sitoplasma melekat pada dinding sebagai lapisan amat tipis. Tonoplas membatasi vakuola yang berisi cairan (larutan gula, garam, protein, alkaloid, dll.) serta zat ergastik (pati, protein, badan lipid dan berbagai kristal)

(3)

3

II. JENIS DAN SIFAT ASAM LEMAK

Asam lemak pada tumbuhan terdapat dalam bentuk senyawa-senyawa lipid. Senyawa yang termasuk lipid adalah lemak dan minyak, fosfolipid dan glikolipid, lilin dan berbagai komponen kutin dan suberin. Timbunan lemak pada biji terdapat dalam sitoplas dan juga pada koletidon atau endosperm yang dinamakan sferosom. Lemak dan minyak selalu disimpan dalam benda khusus di sitosol dan sering terdapat ratusan sampai ribuan benda di tiap sel penyimpan. Benda ini disebut benda lipid, sferosom dan oleosom. Sebutan oleosom lebih banyak digunakan untuk menyatakan benda yang mengandung minyak dan agar mudah membedakannya dengan peroksisom dan glioksisom. Sedangkan istilah sferosom telah lama digunakan untuk menerangkan organel yang mengandung sedikit lemak. Sferosom mempunyai membran tipis yang memisahkan trigliserid dari cairan sitoplas.

Sebagian besar reaksi sintetis asam lemak terjadi di kloroplas daun serta di proplastid biji dan akar. Lemak yang disimpan dalam biji tidak diangkut dari daun, tetapi disintetis in situ dari sukrosa atau gula terangkut lainnya. Kalaupun daun memproduksi lemak dan minyak namun pemindahannya ke buah tidak dapat melalui floem dan xilem karena tidak larut dalam air.

Secara kimiawi, senyawa lemak serupa dengan senyawa minyak. Keduanya terdiri dari asam lemak berantai panjang yang teresterifikasi oleh gugus karboksil tunggalnya menjadi hiroksil dari alkohol tiga karbon gliserol. Dengan tiga molekul asam lemak yang teresterifikasi maka lemak dan minyak sering disebut trigliserida. Rumus umum lemak ditunjukkan pada Gambar 1.

Sifat lemak umumnya ditentukan oleh jenis asam lemak yang dikandung-nya. Asam-asam lemak yang membentuk lemak biasanya berbeda, dan kadang dua di antaranya sama. Panjang rantai ketiga asam lemak hampir selalu sama dengan jumlah atom karbon genap sebanyak 16 dan 18. Jumlah atom karbon asam lemak biasanya paling rendah 12 dan paling banyak 20. Beberapa asam lemak termasuk asam lemak tidak jenuh karena mengandung ikatan rangkap.

O

H2C-O-CO(CH)n-CH3

O Rantai hidrokarbon asam lemak

Gliserol HC-O-C-(CH)n-CH3

O

H2C-O-C-(CH)n-CH3

Ikatan ester

Gambar 1. Rumus Bangun umum lemak dan minyak

Titik leleh lemak dan minyak tergantung pada jumlah ikatan rangkap yang terkandung dalam tiap asam lemak. Pada setiap asam lemak minyak terdapat satu sampai tiga ikatan rangkap sehingga minyak dengan titik leleh yang cukup rendah membuatnya cair pada suhu kamar. Sedangkan lemak dengan titik leleh yang relatip lebih tinggi pada umumnya berbentuk padat pada suhu kamar karena memiliki asam lemak jenuh. (Salisbury dan Ross, 1995)

(4)

Berbagai jenis asam lemak tumbuhan yang penting umumnya diperoleh dari biji-bijian antara lain dari biji kapas, jagung, kacang dan kedelai. Jenis-jenis asam lemak tumbuhan yang lajim ditemukan diberikan pada Tabel 2. Asam lemak tidak jenuh yang terbanyak di alam ialah asam oleat dan asam linoleat. Asam lemak jenuh terbanyak adalah asam palmitat, asam stearat dan asam laurat. Asam lemak jenuh dengan jumlah atom karbon rendah adalah asam propionat dan asam butyrat.

Asam-asam lemak yang diberikan pada Tabel 2 mencakup asam lemak yang terdapat pada lipid membran tumbuhan dan pada biji. Jenis asam lemak lainnya yang tidak penting pada lipid membran tumbuhan dapat ditemukan pada biji-bijian seperti misalnya asam risinoleat pada biji jarak. (Salisbury dan Ross, 1995)

Tabel 2. Asam Lemak yang Lajim di Berbagai Tumbuhan

Nama

Jumlah Rumus Bangun

Titik leleh

karbon

(

0

C)

Laurat

COOH

C=C-(CH

2

)

7

COOH

- 5

H H

Linolenat 18

CH

3

(CH

2

)C=C-CH

2

C=C-CH

2

C=C-(CH

2

)

7

COOH -11,3

H H

Sumber : Salisbury dan Ross, 1995

Asam lemak pada tanaman terdapat sangat bervariasi dengan berbagai gugus asil, epoksi, hidroksi dan grup keton atau cincin cyclopropen dan cyclopenten. Asam lemak yang memiliki ikatan rangkap pada rantai hidrokarbonnya memiliki struktur isomer cis dan trans ditunjukkan pada contoh di bawah ini. Kebanyakan asam lemak tidak jenuh memiliki struktur isomer cis yang kurang stabil daripada struktur isomer trans yang lebih stabil (Conn, 1987)

(5)

5 Struktur isomer cis

Struktur isomer trans

H

(CH

2

)

7

CH

3

C = C

Pengubahan karbohidrat menjadi lemak memerlukan produksi asam lemak dan gliserol sebagai rangka sehingga asam teresterifikasi. Asam lemak dibentuk oleh kondensasi berganda unit asetat dari asetil CoA. Sebagian besar reaksi sintetis asam lemak terjadi hanya di kloroplas daun serta di proplastid biji dan akar. Asam lemak yang disintesis di kedua organel ini terutama adalah asam palmitat dan asam oleat. Asetil CoA yang digunakan untuk membentuk lemak di kloroplas sering dihasilkan oleh piruvat dehidrogenase dengan menggunakan piruvat yang dibentuk pada glikolisis di sitosol. Sumber lain asetil CoA pada kloroplas beberapa tumbuhan adalah asetat bebas dari mikotondria. Asetat ini diserap oleh plastid dan diubah menjadi asetil CoA, untuk digunakan membentuk asam lemak dan lipid lainnya. (Salisbury dan Ross, 1995)

Rangkuman reaksi sintetis asam lemak dengan contoh asam palmitat dapat diberikan sebagai berikut.

8 asetil CoA+7ATP3+14 NADPH+14 H+ _!_{palmitil CoA + 7 CoA}

+ 7 ADP2-_{+ 7 H2PO4}-_{+ 14 NADP}+_{+ 7 H2O} Pada reaksi sintesa asam lemak, enzim CoA dan protein pembawa asil (ACP) mempunyai peranan penting. Enzim-enzim ini berperan membentuk rantai asam lemak dengan menggabungkan secara bertahap satu gugus asetil turunan dari asetat dalam bentuk asetil CoA dengan sebanyak n gugus malonil turunan dari malonat dalam bentuk malonil CoA, seperti ditunjukkan pada reaksi berikut. (Weete, 1980)

Acetil CoA + n Malonil CoA + 2n ADPH + 2n H

+

!

CH

3

(CH

2

-CH

2

)

n

CO CoA

+ n CO

2

+ n CoASH + 2n NADP

+

+ (n-1) H

2

O

Sintesa asam lemak berlangsung bertahap dengan siklus reaksi perpanjangan rantai asam lemak hingga membentuk rantai komplit C16 dan C18. Tahapan reaksi ini dapat ditunjukkan dalam bentuk lintasan biosintesis pada Gambar 2.

(6)

O

asetil CoA

O

ACP transasilase

CH

3

-C-SCoA

CH

3

-C-SACP

Asetil CoA

CO

2

karboksilase

Malonil CoA : ACP

O

transasilase

O

HO

2

-C-CH

2

-C-SCoA

HO

2

C-CH

2

-C-SACP

3-Ketoasi-ACP

Pengulangan siklus

s

intase

Untuk memperpanjang

Rantai asam lemak

O

CO

2

CH

3

-CH

2

-CH

2

-C-SACP

ACP

NADP

NAD

O

Enoil-ACP

CH

3

-C-CH

2

-C-SACP

reduktase

NADPH

(NADH)

NADPH

O

3-ketoasil-ACP

reduktase

CH

3

-CH=CH-C-SACP

NADP+

OH

O

3-Hidroksi-ACP

dehidrase

D(-)CH

3

-CH-CH

2

-C-SACP

Gambar 2. Lintasan Biosintesis Asam lemak (Weete,1980)

Bahan utama yang digunakan pada biosintesis asam lemak adalah senyawa asetil CoA dan senyawa malonil CoA. Malonil CoA disintesis dari asetil CoA dengan penambahan CO2 oleh asetil CoA karboksilase

Reaksi pertama pada biosintesis asam lemak adalah pemindahan gugus asetil dan gugus malonil dari CoA ke ACP dengan katalis asetil-CoA; ACP transilase dan malonil-CoA;ACP transilase. Reaksi berikutnya adalah pengkondensasian gugus malonil membentuk asetoasetil-ACP dengan melepaskan CO2.

Setelah penkondensasian asetil dengan malonil, tahapan selanjutnya terdiri dari urutan reaksi reduksi dengan katalis 3-ketoasil ACP reduktase, reaksi dehidrasi

(7)

7

dengan katalis 3-hidroksi ACP dehidrase, dan reaksi reduksi dengan katalis enoil ACP reduktase. Urutan reaksi-reaksi ini merupakan siklus lintasan pembentukan dan penambahan panjang rantai asam lemak. Hasil sintesa dari urutan reaksi ini adalah molekul asam lemak yang terikat dengan ACP.

Hasil sintesa awal adalah asam lemak rendah dengan jumlah atom karbon sebanyak 4. Hasil sintesis ini selanjutnya kembali memasuki siklus ‘kondensasi-reduksi-dehidrase-reduksi’ untuk menambah panjang rantai asam lemak dengan 2 atom karbon. Bila panjang rantai molekul asam lemak hasil sintesis belum cukup, sintesis lanjut berlangsung kembali melalui siklus yang sama.

Hasil sintesis asam lemak terdapat terikat dengan ACP dan CoA. Kemudian CoA akan terhidrolisis dan keluar bila asam lemak bergabung dengan gliserol selama pembentukan lemak atau lipid membran sebagai berikut .

O

H

2

COH + CoA-OC(CH

2

)

n

CH

3

!

H

CH

3

!

H

2

C-O-C-(CH

2

)

n

CH

3

Gliserol

Asil CoA

molekul lemak

Pada reaksi pembentukan asam lemak dibutuhkan banyak energi, di mana dua pasang elektron (2NADPH) dan satu ATP diperlukan untuk tiap gugus asetil. Kebutuhan energi ini di daun dapat tersedia dari fotosintesis yang menyediakan sebagian besar NADPH dan ATP sehingga pembentukan asam lemak pada keadaan terang dapat berlangsung lebih cepat daripada pembentukan pada keadaan gelap. Pada tempat gelap di proplastid biji dan akar, NADPH dapat tersedia dari lintasan respirasi pentosa fosfat, dan ATP dari glikolisis piruvat yang merupakan senyawa asal dari asetil CoA. Lintasan pembentukan asam lemak dari piruvat melalui tahapan pembentukan asetil CoA dan malonil CoA pada plastid disajikan pada Gambar 3.

Sebagian besar asam lemak terbentuk di ER walaupun asam oleat dan asam palmitat dibentuk di plastid. Asam lemak yang disintesis di proplastid biji dan akar terutama adalah asam palmitat dan asam oleat. Pada biji, asam lemak yang diproduksi dapat langsung diesterifikasi dengan gliserol membentuk oleosom. Kemungkinan lainnya ialah asam lemak diangkut balik ke proplastid untuk membentuk oleosom. Asam lemak dapat diubah menjadi fosfolipid di ER semua sel sebagai bahan untuk pertumbuhan membran ER dan membran sel lainnya. Di ER pada daun, asam linoleat dan asam linolenat yang disintesis kemudian diangkut dari ER ke kloroplas dan ditimbun sebagai lipid di membran tilakoid.

Pada berbagai tumbuhan, timbunan lemak terdapat beragam sesuai dengan lingkungannya, terutama dengan suhu sebagai faktor pengendali utama. Pada suhu rendah, asam lemak cenderung lebih tidak jenuh dibandingkan pada suhu tinggi sehingga membran lebih cair dan membentuk oleosom. Kecenderungan ini dapat dijelaskan dengan peningkatan kelarutan oksigen di air sejalan dengan turunnya suhu. Hal ini akan menyediakan O2 sebagai penerima esensial atom hidrogen bagi proses ketidakjenuhan di ER sehingga menyebabkan lebih banyak asam lemak tidak jenuh.

(8)

Glikolisis

Dihidroaseton Phosfat

(DHAP)

NADH

membran luar

NAD

Gliserol Phosfat (GP)

membran dalam

GP

DHAP

Endoplasmik

Asil CoA

Retikulum

halus

CoA

Piruvat

PA

CO2

Asam lemak

DAG

asetil CoA

Asil CoA

CO2

CoA

TAG

Asil-ACP

Asetil CoA

karboksilase

18:1-ACP

18:0-ACP

16:0-ACP

ACP

malonil

CoA

SITOSOL

Galaktolipid

UDP-Gal

PLASTID

Kompleks

DAG

asil lemak sintase

(9)

9

IV. KESIMPULAN

1. Asam lemak dalam bentuk lemak dan minyak sebagai senyawa trigliserida umumnya terdapat pada biji-bijian. Lemak dan minyak yang tergolong lipida terdapat sebagai tumpukan bahan cadangan dan sumber energi.

2. Asam lemak atau minyak diproduksi pada daun. Namun minyak dan lemak pada biji-bijian diproduksi dengan biosintesis in situ karena lemak dan minyak yang tidak larut dalam air tidak dapat diangkut ke bagian-bagian lain tanaman melalui floem dan xylem.

3. Pada biji-bijian, lemak diproduksi dari asetil CoA dalam proplastid. Energi yang diperlukan untuk sintesis asam lemak yaitu elektron NADPH tersedia dari lintasan respirasi pentosa fosfat, dan ATP dari glikolisis piruvat.

4. Sintesis asam lemak dari malonil ACP yang ditransfer dari malonil CoA hasil sintesis dari asetil CoA, berlangsung melalui pengulangan siklus pembentukan rantai asam lemak hingga memiliki jumlah atom karbon yang lengkap. Asam lemak yang diproduksi dapat langsung diesterifikasi dengan gliserol untuk membentuk oleosom.

DAFTAR PUSTAKA

Conn, E.E. et al. 1987. Outlines of Biochemistry 5/E. John Wiley and Sons Inc. New York, pp. 413-455

Estiti, B.H. 1995. Anatomi Tumbuhan Berbiji. Penerbit ITB Bandung, hal. 247-255 Lakitan, B. 1993. Dasar-Dasar Fisiologi Tumbuhan. PT Rajagrafindo Persada.

Jakarta, hal 24.

Lehninger, A.L. 1993. Dasar-Dasar Biokimia. Jilid 2. Terjemahan dari Principles of Biochemistry oleh Thenawijaya, M. IPB. Bogor. Erlangga. Jakarta, hal. 277-307

Salisbury, F.B. dan C.W. Ross. 1995. Fisiologi Tumbuhan Jilid 2. Terjemahan dari Plant Physiology oleh D.R Lukman dan Sumaryono, Penerbit ITB Bandung, hal. 133-139

Sheeler, P. and D.E. Bianchi. 1987. Cell and Molecular Biology. Third Edition. John Wiley and Sons Inc. New York, pp. 139-140

Taiz, L. and E. Zeiger. 1991. Plant Physiology. The Benjamin/Cummings Publishing Co. California, pp. 284-290

Weete, J.D. 1980. Lipid Biochemistry. Prenum Press New York, pp. 1-129