Lipid dan Asam Lemak
Asam lemak merupakan bagian dari lipid. Lipid adalah trigliserida. Lipid (especially asam lemak) adalah sumber Asetil Ko.A.
Asam lemak akan dioksidasi menjadi asetil koenzim A yang akan masuk ke TCA dan ETC.
Struktur lipid kebalikan dari sabun (bagian nonpolar di dalam, bagian polar di luar). Bagian polar disebut head, bagian nonpolar disebut tail.
Trigliserilda adalah gliserol yang berikatan dengan 3 asam karboksilat (berikatan melalui ikatan ester yang polar). Apabila rantai asam karboksilatnya memiliki jumlah karbon di atas 12, asam karboksilatnya disebut asam lemak. → Asam lemak minimal C-nya 12. (Asam propanoat bukan asam lemak).
Kalau tidak ada rangkap pada asam lemak, biasanya pada suhu kamar bentuknya padatan.
Fosfolipid adalah digliserida yang terikat dengan fosfat (yang mengikat alkohol).
Sphingomyelin adalah fosfolipid yang ditemukan pada bakteri yang tahan panas. Bukan berasal dari gliserol dan tidak ada ikatan ester.
Asam lemak dengan jumlah karbon ganjil cenderung susah dikatabolisme (karena asetil koenzim A memiliki 2 karbon. Untuk mengubah 3C menjadi 2C membutuhkan 8 enzim tambahan (3C tersebut akan masuk ke TCA sebagai suksinil co.A).
Kolesterol di dalam membran menentukan kekauan membran. Makin banyak, membrannya semakin kaku.
Makanan yang mengandung lemak akan masuk ke lambung. Habis dari lambung akan ada empedu (menghasilkan getah empedu). Getah empedu akan mengemulsifikasi lemak pada usus menghasilkan misel. Lipase akan menghidrolisis ikatan ester triasilgliserol lemak menghasilkan 2 asam lemak dan monogliserida. Asam lemak akan diserap oleh mukosa dan diubah menjadi trigliserida kembali. Trigliserida kemudian akan diinkoporasi dengan kolesterol dan apolipoprotein menjadi chylomicron. Chylomicron masuk ke pembuluh darah. Apabil terdapat sel yang
membutuhkan energi, chylomicron akan memberikan lipidnya.
Trigliserida dihidrolisis terlebih dahulu agar bisa masuk melalui pori-pori. Trigliserida besar sehingga harus dihidrolisis. Kalau energi sudah berlebihin, asam lemak akan disimpan kembali sebagai triasilgliserol/trigliserida.
LDL jika menyumbat pembuluh darah akan menyebabkan penyakit.
Metabolisme Asam Lemak
Hidrolisis trigliserida menghasilkan gliserol dan asam lemak.
Triasilgliserida → jumlah C pada asam karboksilat tidak diketahui.
Kalau 1C disebut formil, 2C disebut asetil, 3C disebut propionil, banyak disebut asil.
Jumlah air yang terlibat mempengaruhi jumlah asam lemak yang terhidrolisis.
Perbedaan digliserida dan fosfatida → digliserida tidak ada gugus fosfat di salah satu atom karbon dari gliserol.
Proses degradasi merupakan kebalikan dari proses sintesis.
Pada proses sintesis, digunakan malonil koenzim A untuk memperpanjang rantai (tambah 2C) sambil melepaskan CO2. Malonil koenzim A berasal dari asetil koenzim A.
Asetil koenzim A hasil degradasi asam lemak akan masuk ke siklus asam sitrat.
Terdapat 4 reaksi dalam degradasi :
1. Oksidasi : membuat ikatan tunggal menjadi ikatan rangkap
2. Hidrasi : penambahan air agar air masuk menjadi alkohol sekunder 3. Oksidasi : oksidasi alkohol menjadi keton (𝛽-diketo)
4. Pemotongan : dipotong dengan koenzim A menghasilkan asetil koenzim A dan asam lemak yang lebih pendek.
Oksidasi pertama dilakukan oleh FAD menghasilkan FADH2. Oksidasi menghasilkan ikatan rangkap yang terkonjugasi. OH (negatif ) akan masuk ke karbon yang parsial positif (pada posisi 𝛽). Alkohol tersebut dioksidasi menghasilkan 𝛽-diketo. 𝛽-keto kemudian dipotong.
Kalau sintesis, kebalikannya. Menggunakan malonil koenzim A. Saat dilakukan dehidrasi, ikatan rangkap akan berada di posisi yang lebih stabil, yakni posisi yang memungkinkan terjadinya resonansi.
1. Oksidasi
Asam lemak diaktivasi menghasilkan asil koenzim A bukan asetil koenzim A. Ikatan rangkap yang terbentuk adalah ikatan rangkap.
2. Hidrasi
Mengikuti aturan markonikov dan kestabilan
3. Oksidasi
Bila masuk ke ETC melalui malate-aspartate shuttle, NADH ekuivalen dengan 2,5 ATP.
Sedangkan bila menggunakan glycerol-3-phosphate shuttle, NADH ekuivalen dengan 1,5 ATP.
4. Pemotongan
Palmitoil Ko. A (16C dan jenuh) menghasilkan 7 NADH, 7 FADH2, 8 Asetil Koenzim A, dan mengalami 7 kali pemotongan/𝛽-oksidasi. 1 Asetil Koenzim A setara dengan 10 ATP (ETC dan TCA).
Aktivasi Asam Lemak
Semua asam lemak apabila diaktivasi membutuhkan 2 ATP (sebenarnya 1 ATP, tapi menghasilkan AMP yang setara dengan 2 ATP).
Reaksi dari sitosol ke matriks. Fatty acid kalau sampai pecah harus masuk ke mitokondria. Karena pembentukan fatty acid di mitokondria itu harus dari bagian-bagiannya.
Regulasi Asam Lemak
Chylomicrons transfer cholesterol from the intestines to the liver. VLDL and LDL transfer cholesterol from the liver to other tissues. HDL transfer cholesterol from other tissues to the liver.
- As a general rule, HDL is considered “good” cholesterol, while LDL is considered “bad.”
This is because HDL carries cholesterol to your liver, where it can be removed from your bloodstream before it builds up in your arteries. LDL, on the other hand, takes cholesterol directly to your arteries
- HDL is high in protein but low in cholesterol Types of lipoproteins
Fats and cholesterol cannot dissolve in the bloodstream and so are packaged with proteins (to form lipoproteins) for transport. The four major types of lipoproteins are chylomicrons, very low- density lipoprotein (VLDL), low-density lipoprotein (LDL), and high-density lipoprotein (HDL).
- Low density lipoproteins (LDLs) carry cholesterol from the liver to the body (hence raise blood cholesterol levels)
- High density lipoproteins (HDLs) carry excess cholesterol back to the liver for disposal (hence lower blood cholesterol levels)
- Very low density lipoproteins (VLDLs) and intermediate density lipoproteins (IDLs) exist as transitional forms between chylomicrons and LDLs
- Chylomicrons are produced in the intestine and conduct fats to the liver, skeletal muscles and adipose tissue via the lacteals
- Chylomicrons and VLDL deliver TAG to cells in the body. Two types of lipoproteins are triglyceride-rich: the chylomicrons and VLDL. The function of these lipoproteins is to deliver energy-rich triacylglycerol (TAG) to cells in the body (pink pathway).
- LDL delivers cholesterol to cells in the body. As VLDL particles transport and release triacylglycerol, they become more dense. These particles are remodeled at the liver and transformed into LDL. The function of LDL is to deliver cholesterol to cells, where it is used in membranes, or for the synthesis of steroid hormones (blue pathway).
- HDL is involved in reverse cholesterol transport. Excess cholesterol is eliminated from the body via the liver, which secretes cholesterol in bile or converts it to bile salts. The liver removes LDL and other lipoproteins. Additionally, excess cholesterol from cells is brought back to the liver by HDL in a process known as reverse cholesterol transport (green pathway).
Metabolisme Asam Lemak
Jika di dalam rantai asam lemaknya sudah ada ikatan rangkap di atom karbon ganjil, tahap oksidasi pertama tidak bisa dilakukan. Sedangkan bila ikatan rangkapnya di atom karbon genap, tahap oksidasi pertama tidak dilakukan (FADH2 tidak dihasilkan).
Lalu bagaimana kalau ikatan rangkap di karbon ganjil → gunakan enzim isomerase untuk memindahkan ikatan rangkap tersebut. Namun hasilnya, tahap pertama juga dilewati.
Ikatan rangkap yang terkonjugasi (pada ikatan karbon genap) apabila diadisi oleh H2O, maka terjadi adisi 1,4. Hal ini tidak boleh terjadi → dengan demikian yang harus dilakukan adalah pertama-tama diadisi (hidrogenase) oleh H2 (dalam bentuk NADPH). Sehingga adisi 1,4 akan menghasilkan satu ikatan rangkap saja. Apabila hasil adisi 1,4 itu ikatan rangkapnya di atom karbon ganjil, maka digunakan kembali enzim isomerase.
Reaksi di dalam peroksisom (rantai panjang C22), FADH2 yang dihasilkan pada tahap pertama 𝛽- oksidasi akan digunakan untuk menghasilkan H2O2 bersama dengan O2(H2O2 digunakan untuk menetralkan radikal di dalam tubuh). Ketika rantainya sudah menjadi C14/C16, asam lemak akan keluar dan masuk ke dalam mitokondria. Disitu FADH2 yang dihasilkan barulah langsung digunakan untuk menghasilkan ATP di ETC.
Asam Lemak Rantai Ganjil
Fatty acids having an odd number of carbon atoms are minor species. They are oxidized in the same way as fatty acids having an even number, except that propionyl CoA and acetyl CoA are produced in the final round of degradation rather than two molecules of acetyl CoA,
The activated three carbon unit in propionyl CoA enters the citric acid cycle after it has been converted into succinyl CoA. The pathway from propionyl CoA to succinyl CoA is especially interesting because it entails a rearrangement that requires vitamin B12 (also known as cobalamin ).
- Propionyl CoA is carboxylated at the expense of the hydrolysis of a molecule of ATP to yield the D isomer of methylmalonyl CoA. This carboxylation reaction is catalyzed by
propionyl CoA carboxylase, a biotin enzyme that has a catalytic mechanism like that of the homologous enzyme pyruvate carboxylase. The D isomer of methylmalonyl CoA is racemized to the L isomer, the substrate for a mutase that converts it into succinyl CoA by an intramolecular rearrangement. The OCOOSOCoA group migrates from C-2 to a methyl group in exchange for a hydrogen atom. This very unusual isomerization is catalyzed by methylmalonyl CoA mutase, which contains a derivative of cobalamin as its coenzyme.
Long-chain odd-number fatty acids are oxidized in the same pathway as the even-number acids, beginning at the carboxyl end of the chain. However, the substrate for the last pass through the 𝛽-oxidation sequence is a fatty acyl–CoA with a five-carbon fatty acid. When this is oxidized and cleaved, the products are acetyl-CoA and propionyl-CoA. The acetyl-CoA can be oxidized in the citric acid cycle, of course, but propionyl-CoA enters a different pathway involving three enzymes.
1. Propionyl-CoA is first carboxylated to form the D stereoisomer of methylmalonyl-CoA (Fig. 17–
11) by propionyl-CoA carboxylase, which contains the cofactor biotin. In this enzymatic reaction, as in the pyruvate carboxylase reaction, CO2 (or its hydrated ion, HCO−) is activated by attachment to biotin before its transfer to the substrate, in this case the propionate moiety.
Formation of the carboxybiotin intermediate requires energy, which is provided by the cleavage of ATP to ADP and Pi.
2. The D-methylmalonyl CoA thus formed is enzymatically epimerized to its L stereoisomer by methylmalonyl-CoA epimerase.
3. The L-methylmalonyl-CoA then undergoes an intramolecular rearrangement to form succinyl- CoA, which can enter the citric acid cycle. This rearrangement is catalyzed by methylmalonyl-
CoA mutase, which requires as its coenzyme 5’-deoxyadenosylcobalamin, or coenzyme B12, which is derived from vitamin B12 (cobalamin).
Anabolisme Asam Lemak
Lipid digunakan sebagai sumber energi dan pembangun membran sel.
Anabolisme dari asam lemak merupakan kebalikan dari katabolisme. Perbedaannya terletak pada enzimnya saja.
Biosintesis asam lemak berlangsung di sitosol (kebanyakan organisme, hewan) atau di kloroplas (tanaman).
Unit pemanjang rantai : malonil-CoA. Malonil Co-A dihasilkan dari reaksi asetil Co-A dengan bikarbonat. Reaksi ini dikatalisis oleh asetil-CoA karboksilase dan berlangsung secara irreversibel (Malonil Co-A tidak bisa dikembalikan menjadi asetil co-A dan wajib masuk ke siklus pembentukan asam lemak)
𝛽-oksidasi (katabolisme) terjadi di mitokondria (hewan) dan di peroksisom (tumbuhan). Apabila asam lemak ingin dimodifikasi (penambahan ikatan rangkap, dll) terjadi di retikulum endoplasma.
Yang digunakan dalam sintesis asam lemak adalah NADPH. NADPH diperoleh dari jalur pentosa-5-fosfat atau dari perubahan malat menjadi piruvat.
Biointesis asam terjadi ketika konsentrasi NADPH sangat tinggi. Biasa terjadi pada organisme yang malas bergerak.
Ketika konsentrasi NADPH rendah, organisme mendapatkan energi dari katabolisme glukosa.
Pembentukan Malonil-CoA
Asetil Co-A bereaksi dengan ATP dan bikarbornat. Membutuhkan ATP agar reaksinya irreversibel (agar thermodynamically favorable).
Fatty acid synthase mengandung beberapa enzim. Pink berasal dari malonil Co-A, kuning berasal dari asetil Co-A.
Gugus malonil dan asetil Co-A (atau gugus asil lain yang lebih panjang) akan diaktifkan oleh thioester yang terikat ke asam lemak sintase.
Sepanjang proses sintesis rantai baru, senyawa intermediet tetap terikat secara kovalen sebagai tioester ke salah satu dari dua kelompok tiol dari kompleks asam lemak sintase.
Asetil Co-A yang terikat ke asam lemak sintase disebut asetil ACP. Sedangkan Malonil co-A yang terikat ke asam lemak sintase disebut malonil ACP.
Semua molekul yang terikat ke kompleks asam lemak sintase ditambahkan ‘ACP’ di belakangnya.
Langkah setelah diaktifkan :
1. Kondensasi : gugus asetil ACP dan malonil ACP akan berkondensasi menghasilkan asetoasetil ACP (karbon 4). Reaksi kondensasi ini disertai reaksi eliminasi CO2 dari gugus malonil. (liat gambar untuk melihat arah panah reaksi).
2. Reduksi : Produk hasil kondensasi (gugus𝛽-keto) kemudian direduksi menjadi alkohol. Reaksi reduksi ini melibatkan 1 NADPH.
3. Dehidrasi : Hasil reduksi kemudian didehidrasi untuk menghilangkan satu molekul H2O dan memperoleh ikatan rangkap.
4. Reduksi : ikatan rangkap direduksi menghasilkan gugus asil asam lemak jenuh (karbon 4, butiril).
Setelah tahapan terakhir, gugus asil yang berhasil disintesis (ex : butiril) akan ditransfer dari kelompok phosphopantetheine −SH dari ACP ke Cys −SH kelompok 𝛽-ketoasil-ACP sintase (KS). Malonil Co-A akan diaktivasi kembali pada ACP menghasilkan malonil ACP. Siklus lalu diulangi.
Sintesis Asam Lemak (Lehninger)
Langkah-Langkahnya :
1. Gugus asetil dari asetil Co-A ditransfer ke gugus Cys −SH dari 𝛽-ketoasil-ACP sintase (KS). Reaksi transger ini dikatalisis oleh asetil-KoA–ACP transasetilase (AT). (Hasil : Asetil ACP)
2. Gugus malonil dari malonil-CoA ditranfser ke gugus −SH ACP. Reaksi ini dikatalisis oleh malonil-CoA-ACP transferase (MT). (Hasil : Malonil ACP)
Dalam kompleks asam lemak sintase, gugus asetil dan malonil sangat dekat satu sama lain dan diaktifkan untuk proses pemanjangan rantai.
3. Kondensasi. Reaksi pertama dalam pembentukan rantai asam lemak adalah kondensasi gugus asetil dan malonil yang teraktivasi untuk membentuk asetoasetil-ACP (gugus asetoasetil yang terikat pada ACP melalui gugus phosphopantetheine − SH) dan melepaskan CO2. Reaksi ini dikatalisis oleh 𝛽-ketoasil-ACP sintase (KS).
Gugus asetil dipindahkan dari gugus Cys −SH ke gugus malonil −SH ACP. Molekul CO2 yang terbentuk dalam reaksi ini berasal dari karbon yang sama yang awalnya dimasukkan ke dalam malonil Co-A dari HCO3 melalui reaksi asetil-KoA karboksilase. Jadi CO2 hanya bersifat sementara dalam biosintesis asam lemak.
4. Reduksi. Gugus karbonil (keton) aseetoasetil ACP yang terbentuk pada langkah kondensasi akan mengalami reduksi untuk membentuk D-𝛽-hidroksibutirat-ACP. Reaksi ini dikatalisis oleh 𝛽-ketoasil-ACP reduktase (KR) dan donor elektronnya adalah NADPH.
5. Dehidrasi. Air dihilangkan pada C-2 dan C-3 dari D-𝛽-hidroksibutirat-ACP untuk menghasilkan trans-∆2-butenoil ACP. Enzim yang mengkatalisis dehidrasi ini adalah 𝛽- hidroksiasil-ACP dehidratase (HD).
6. Reduksi. Reduksi ikatan rangkap trans-∆2-butenoil ACP untuk membentuk butiril-ACP.
Reaksi dikatalisis oleh reduktase enoil-ACP (ER) dan NAPDH bertindak sebagai donor elektron.
Gugus butiril lalu ditransfer dari gugus SH phosphopantetheine milik ACP ke gugus Cys −SH milik ketoasil-ACP sintase (KS). Untuk memulai siklus selanjutnya, gugus malonil baru akan dihubungkan dengan gugus −SH phosphopantetheine milik ACP yang sekarang kosong.
Kondensasi terjadi antara gugus butiril yang bertindak seperti gugus asetil pada siklus pertama dengan dua karbon gugus malonil-ACP. Reaksi kondensasi ini kembali menghasilkan CO2. Produk dari kondensasi ini adalah gugus asil enam karbon, yang terikat secara kovalen dengan gugus phosphopantetheine −SH. Gugus asil enam karbon ini mengalami reduksi, dehidrasi, dan reduksi lagi hingga dihaislkan gugus asil jenuh berkabon 6.
Mengapa Digunakan Malonil Co-A?
Penggunaan gugus malonil teraktivasi daripada gugus asetil ditujukan untuk membuat reaksi kondensasi thermodynamically stable. Karbon metilen (C-2) dari gugus malonil terjepit di antara karbon karbonil dan karboksil. Karbon metilen C-2 ini secara kimiawi dapat bertindak sebagai nukleofil yang baik.
Pada langkah kondensasi, dekarboksilasi gugus malonil memfasilitasi serangan nukleofilik karbon metilen (C-2) kepada tioester yang menghubungkan gugus asetil ke 𝛽-ketoasil-ACP sintase.
Serangan ini menggantikan gugus −SH enzim.
Keseluruhan reaksi kondensasi dan dekarboksilasi gugus malonil membuat reaksi menjadi sangat eksergonik. Hal ini serupa dengan prinsip karboksilasi-dekarboksilasi pada pembentukan fosfoenolpiruvat dari piruvat dalam glukoneogenesis. Dengan menggunakan gugus malonil teraktivasi dalam sintesis asam lemak dan asetat teraktivasi dalam degradasinya, sel membuat kedua proses tersebut menguntungkan secara energetik. Energi ekstra yang dibutuhkan untuk membuat sintesis asam lemak menguntungkan disediakan oleh ATP yang digunakan untuk mensintesis malonil-KoA dari asetil-KoA dan HCO3
7 Enzim pada Asam Lemak Sintase :
Reaksi yang Terjadi dalam Sintesis Asam Lemak (dan Enzim yang Terlibat) :
Secara umum, sintesis asam lemak berlangsung sebanyak tujuh siklus menghasilkan gugus palmitoil jenuh (16-karbon) yang masih terikat pada ACP. Untuk alasan yang tidak dipahami dengan baik, pemanjangan rantai oleh kompleks sintase umumnya berhenti pada titik ini dan palmitat bebas dilepaskan dari ACP oleh aktivitas hidrolitik di kompleks tersebut. Sejumlah kecil asam lemak yang lebih panjang seperti stearat (18:0) juga terbentuk.
Reaksi total sintesis asam lemak 16C (asam palmitat)
Sintesis asam lemak berlangsung di sitosol sedangkan asetil co-A dihasilkan di dalam mitokondria.
Oleh sebab itu untuk membawa asetil co-A keluar dari mitokondria ke sitosol, asetil co-A diubah menjadi sitrat terlebih dahulu
Di sitosol, sitrat diubah menjadi oksaloasetat dan asetil Co-A. Asetil Co-A ini kemudian masuk ke jalur anabolisme asam lemak.
Regulasi Sintesis Asam Lemak
Regulasi sintesis asam lemak terjadi ketika sitrat dibawa ke luar mitokondria.
Ketika sebuah sel atau organisme memiliki lebih dari cukup bahan bakar metabolisme untuk memenuhi kebutuhan energinya, kelebihan energi tersebut umumnya diubah menjadi asam lemak dan disimpan sebagai lipid seperti triasilgliserol.
Reaksi yang dikatalisis oleh asetil-KoA karboksilase adalah rate determining step dalam biosintesis asam lemak.
- Pada vertebrata, palmitoil-CoA (produk utama sintesis asam lemak) adalah inhibitor umpan balik dari enzim asetil-koA karboksilase.
- Sitrat adalah aktivator alosterik yang berfungsi meningkatkan Vmax dan mengalihkan proses katabolisme (degradasi) bahan bakar metabolik menjadi penyimpanan (anabolisme) bahan bakar sebagai asam lemak.
- Ketika konsentrasi asetil-KoA dan ATP di mitokondria meningkat, sitrat akan diangkut keluar dari mitokondria. Sitrat akan menjadi prekursor asetil-KoA sitosolik dan menjadi sinyal alosterik untuk aktivasi asetil-KoA karboksilase.
- Pada saat yang sama, sitrat juga menghambat aktivitas fosfofruktokinase-1 sehingga mengurangi aliran karbon melalui glikolisis.
- Asetil karboksilase juga diregulasi oleh modifikasi kovalen contohnya fosforilasi.
Fosforilasi dipicu oleh hormon glukagon dan epinefrin. Kedua hormon tersebut menonaktifkan enzim dan mengurangi kepekaannya terhadap aktivasi oleh sitrat. Alhasil kedua hormon tersebut memperlambat sintesis asam lemak.
- Asetil-KoA karboksilase tumbuhan dan bakteri tidak diatur oleh sitrat atau oleh siklus defosforilasi-fosforilasi. Pada tumbuhan, enzim tersebut diaktifkan oleh peningkatan pH stroma dan [Mg2+] yang terjadi ketika tanaman diberi cahaya
Sintesis asam lemak laindari asam palmitat dilakukan di peroksisom (tumbuhan) dan retikulum endoplasma (hewan) bukan di sitosol lagi. Modifikasi juga tidak terjadi sitosol.
Sintesis Trigliserida dan Fosfolipid dari Asam Lemak
Siklus Trigliserida
Peran Insulin dalam Sintesis Asam Lemak
Insulin menginduksi sintesis asetil co-A dari glukosa dan asam amino serta menginduksi sintesis asam lemak dari asetil co-A. Apabila seseorang mengalami diabetes (kadar insulin rendah), maka tubuh akan cenderung mensintesis ketone bodies dan bukan asam lemak. Selain itum insulin juga meregulasi sintesis asam lemak pada tahap perubahan sitrat menjadi asetil co-A.
Fotosintesis
Merupakan proses sintesis karbohidrat dari CO2 dan H2O yang digerakan oleh energi cahaya di kloroplas.
Fotosintesis merupakan reaksi reduksi CO2 menjadi bentuk tereduksinya yakni gula. Pereduksinya adalah air. Namun ada organisme yang menggunakan senyawa lain sebagai pereduksinya (Ex : H2A, H2S)
Fotosintesis berlangsung duluan karena fotosintesis menghasilkan oksigen. Oksigen ini dipakai untuk fosforilasi oksidatif.
Kloroplas merupakan orgame; yang terdapat di bawah permukaan daun (sel mesofil). Di dalam kloroplas terdapat tilakoid dan stroma. Kloroplas berevolusi dari sianobakteri.
Tahap Reaksi Fotosintesis :
1. Reaksi terang : reaksi yang membutuhkan cahaya. Energi foton digunakan untuk mengoksidasi air menjadi oksigen dan elektron. Elektron ini digunakan untuk mereduksi NADP+ menjadi NADPH. Selain itu fotofosforilasi untuk sintesis ATP.
2. Reaksi gelap (Asimilasi karbon) : Sintesis karbohidrat dari CO2 menggunakan NADPH dan ATP yang dihasilkan pada reaski terang. Disebut juga siklus Calvin-Benson.
Pigmen penangkap foton adalah klorofil. Klorofil adalah klorofil a dan klorofil b. Selain klorofil ada juga pikoeritobilin (pigmen pada sianobakteri), karoten (sebuah isopren), dan lutein
Ketika foton sudah ditangkap, elektron akan tereksitasi. Dari eksitasi itu akan terjadi dua hal : 1. Transfer energi ke tetangganya (mengeksitasi elektron pada tetangganya).
2. Transfer energi menyebabkan terjadinya pemisahan muatan. Pemisahan muatan ini mentrigger terjadinya aliran elektron.
Transfer eksiton adalah peristiwa transfer energi dari elektron yang tereksitasi dari suatu molekul ke molekul berdekatan.
Transfer elektron adalah peristiwa transfer energi dari molekul yang tereksitasi melalui transfer elektron ke molekul lain.
Mekanisme Pemanenan Foton
Absorbsi cahaya mengakibatkan elektron pada orbital p dalam sistem ikatan rangkap terkonjugasi akan tereksitasi dari keadaan dasar ke keadaan berenergi tinggi (tereksitasi).
Sistem Transfer Energi :
1. Pada saat elektron kembali ke keadaan dasar, energi ditransfer ke molekul lain sehingga molekul ini tereksitasi
2. Elektron berenergi tinggi dipakai oleh molekul lain yang kekurangan elektron.
Mekanisme pemindahan energi dari satu molekul ke molekul lainnya (tetangganya :
Aliran Elektron pada Reaksi Terang
Akseptor elektron berada di PS II. Elektron hasil oksidasi air mengalir ke PS I melewati kompleks cytochrome bf. Terdapat molekul carrier elektron. Di PS I ada enzim yang terlibat langsung dalam reduksi NADP+ menjadi NADPH.
Elektron bisa mengalir di fotosistem karena terdapat electron hole.
Skema Z
Terdapat fotosistem II dan fotosistem I. Pusat reaksinya berada pada P680 dan P700.
Konversi energi foton ke ATP
Aliran Elektron di Fotosistem I
Klorofil pada pusat reaksi mengalami eksitasi, elektronnya kemudian akan ditramsger ke klorofil 𝐴0. Dari 𝐴0 elektronnya ditransfer 𝑄𝐾 (filokuinon). Dari 𝑄𝑘 ditransfer ke cluster besi, dari situ ditransfer ke 𝐹𝐴, dari 𝐹𝐴 ditransfer ke 𝐹𝐵. Dari 𝐹𝐵 ditransger ke ferredoxin. Elektron yang ditransfer ke ferredoxin lalu ditrasnfer lagi ke ferredoxin-NADP+-reduktase untuk menghasilkan NADPH dari NADP+
Fotosistem II
Pada fotosistem II ada reaksi oksidasi oksigen. Reaksi ini menghasilkan proton.
Reaksi di plastokuinol juga menghasilkan proton yang di pompa ke dalam lumen tilakoid. Proton-proton yang terbentuk tersebut menciptakan gradien proton.
Gradien proton ini digunakan ATP sintase untuk menghasilkan ATP.
- Stroma (N side) - Lumen (P side)
Perbedaan ATP Sintase pada Fosforilasi Oksidatif dan Fotosintesis
Fotosintesis : CF0 terdiri dari 12 subunit, 1 putaran ada 12 H+ yang lewat dar 3 ATP yang dihasilkan → 4H+/ATP
Fosforilasi Oksidatif : F0 terdriri dari 10 subunit, 1 putaran ada 10 H+ yang lewat dan 3 ATP yang dihasilkan → 3,3H+/ATP
Gradien Proton
Fotosistem II : 4 foton diserap menghasilkan 1 O2 dan 4 H+. Proton tersebut dilepaskan ke lumen tilakoid. Plastonoquinon (𝑄) menjadi plastoquinol (𝑄𝐻2)
Sitokrom 𝑏6𝑓 : plastoquinol (𝑄𝐻2) direduksi menjadi plastoquinon (𝑄), dan 𝑃𝐶𝑜𝑘𝑠 (plastosianin) tereduksi menjadi 𝑃𝐶𝑟𝑒𝑑 melepas 8H+ ke lumen tilakoid. (Tulisan plastosianin di gambar terbalik)
Fotofosforilasi Lingkar di PSI
Fotofosforilasi lingkar dibutuhkan untuk mengatur rasio NADPH dan ATP yang dihasilkan oleh reaksi terang sesuai dengan kebutuhan manusia. Berada di fotosistem I.
Pada fotofosforilasi lingkar, elektron yang ditransfer dari P700∗ ke ferredoxin akan diberikan ke sitokrom 𝑏6𝑓 (bukan ke ferredoxin-NADP+-reduktase). Dari sitokrom 𝑏6𝑓, elektronnya diberikan ke plastosianin yang akan diberikan lagi ke P700 atau ke proton gradient. Oleh sebab itu, yang dihasilkan hanyalah ATP. Tidak ada NADPH yang dihasilkan.
4 foton diserap, 1 plastoquinol menghasilkan 4H+ sehingga 2 plastoquinol menghasilkan 8H+ yang akan dipompa menghasilkan 2 ATP dan 0 NADPH. NDH (mirip kompleks NADH dehidrogenase/kompleks I mitokondria) membentuk mengantarkan elektron berasal dari ferredoksin ke plastosianon di sitokrom 𝑏6𝑓.
NDH berinteraksi dengan ferredoxin, dll.
Reaksi Gelap
Terdiri dari 3 tahapan :
1. Fiksasi CO2 → dikatalisis rubisco. Reaksi fiksasi karbon ini berjalan sangat lambat.
2. Reduksi 3-fosfogliserat menjadi gliseraldehid-3-fosfat
3. Regenerasi ribulosa 1,5-bisfofsfat dari triosa fosfat → melibatkan reaksi yang serupa dengan jalur pentosa fosfat
Selain mengkatalisis fiksasi karbon, rubisco juga mengkatalisi fotorespirasi. Namun, fotorespirasi tidak menghasilkan ATP.
Regenerasi RuBP
Secara total, reaksi gelap :
Tanaman C4 / Tropis (sebelumnya tanaman C3)
Ketika suhu meningkat, aktivitas oksigenasi rubisco lebih besar dibandingkan karboksilase (fotorespirasi > siklus calvin). Untuk mengatasi hal tersebut, terdapat jalur C4. Jalur C4 (oksaloasetat dan malat) membawa CO2 dari sel mesofil ke sel bundel pelepash tempat berlangsungnya fotosintesis
Malat dari sel mesofil dibawa ke sel bundel pelepah melewati plasmodesmata. Di sel bundel pelepah, karbon dioksida digunakan dalam siklus calvin. Piruvat yang dihasilkan dibawa kembali ke sel mesofil. Untuk proses ini, terdapat ekstra 2 ATP untuk 1 CO2 yang difiksasi → dibutuhkan lebih banyak ATP.
Latihan
1. Hitung efisiensi energi fotosintesis siklik dan non-siklik pada kloroplas menggunakan sinar pada panjang gelombang 680 nm. (pembentukan ATP memerlukan 59 kJ. mol−1 pada kondisi fisiologis dan 1 NADPH ekuivalen dengan 2,5 ATP)
Siklik : Membutuhkan 4 foton, menghasilkan 2 ATP dan 0 NADPH. (Net 2 ATP) Non-siklik : Membutuhkan 8 foton, menghasilkan 3 ATP dan 2,5 ATP. (net 8 ATP) Energi untuk satu mol foton
E =hc
λ × NA =6,63×10−34×3×108
680×10−7 × 6,02 × 1023 = 1760,85 J
Energi Foton Siklik : 4 × 1760,85 J = 701 kJ
Energi Foton Non-Siklik : 8 × 1760,85 J = 1407,85 kJ Energi ATP Siklik : 2 mol × 59 kJ. mol−1 = 118 kJ Energi ATP non-siklik : 8 mol × 59 kJ. mol−1 = 472 kJ
%efisiensi non siklik = 472 kJ
1407,85 kJ× 100% = 33,52%
%efisiensi siklik = 118 kJ
701 kJ× 100% = 16,82%
2. Tentukan posisi 14C pada ribulosa-5-fosfat yang dihasilkan dari fiksasi 14CO2
Metabolisme Asam Amino : Biosintesis Asam Amino
Asam amino asam bermuatan negatif. Asam amino basa bermuatan positif.
Siklus Nitrogen
N2 sangat stabil sehingga hanya sedikit spesies yang mengasimilasi nitrogen menghasilkan asam amino. Tahapan siklus nitrogen :
1. Fiksasi/reduksi N2 menjadi ammonia
2. Ammonia dioksidasi menjadi nitrit lalu dioksidasi menjadi nitrat (oleh bakteri tanah) Tanaman atau bakteri menyerap ammonia dan menggabungkan nitrogen ke asam amino. Ketika organisme mati, nitrit diubah lagi menjadi N2 pada kondisi anaerob (denitrifikasi). Proses ini disebut anammox.
Titik masuk nitrogen ke dalam mahluk hidup adalah melewati glutamat. Titik keluar juga melewati glutamat.
Fiksasi nitrogen membutuhkan ATP. Ferredoxin dan beberapa senyawa yang membawa elektron (bentuk tereduksi), ketika mendapatkan energi dari perubahan ATP ke ADP, akan mereduksi N2 menjadi NH3.
Reduksi N2 menjadi NH3 melibatkan 6 elektron. Namun, karena di dalam sistem biologis reaksinya selalu menghasilkan 1 H2, maka diperlukan 8 elektron.
Pada organisme yang mampu memfiksasi nitrogen (bukan manusia): fiksasi nitrogen didorong oleh proses perubahan piruvat menjadi asetil ko.a. Reaksi fiksasi nitrogen ini membutuhkan 16 ATP.
Titik Masuk Ammonia Menjadi Biomolekul
Nitrogen tereduksi (dalam bentuk NH4+) diasimilasi dalam bentuk asam amino dan kemudian ditansformasi menjadi biomolekul yang mengandung nitrogen
Titik masuk: glutamat dan glutamin
• Glutamat sintase mengatalisis reaksi ammonium dan 𝛼-ketoglutarat menjadi glutamat
• Glutamin sintase mengatalisis reaksi glutamat dan ammonium menjadi glutamin
Glutamat ketika menerima satu ammonia lagi menjadi glutamin. Glutamin bisa menjadi AMP, CTP, triptofan, histidin, dll.
Dasar dari pemasukan ammonia ke 𝛼-ketoglutarat adalah basa Schiff. Kalau basa Schiff terbentuk, maka NADPH atau NADH bisa menyerang.
Regulasi dari Glutamin Sintase
Sintesis asam amino adalah reaksi transaminasi.
Contohnya, oksaloasetat mengalami transaminase menghasilkan aspartat. Aspartat dapat menghasilkan asam amino lain. Secara
umum, terdapat 6 kelompok :
1. Oksaloasetat → aspartat → Asparagin, metionin, treonin (treonin → isoleusin), lisin
2. Fosfoenol piruvat + eritrosa-4- fosfat → tirosin, triptofan, fenilalanin (fenilalanin → tirosin) 3. Piruvat → alanin, valine, leusin 4. Ribosa-5-fosfat → histidine
5. 𝛼 -ketoglutarat → glutamate → glutamine, prolin, arginin
6. 3−fosfogliserat → serin → sistein, glisin
Asam amino esensial tidak bisa diperoleh dari metabolisme di dalam tubuh, harus dari makanan.
Glutamat menjadi arginin membutuhkan 4,5 ATP.
Jalur-jalur yang melewati shikimate dan chorismate adalah jalur sintesis asam amino aromatis.
Katabolisme Asam Amino
Protein akan didegradasi oleh enzim-enzim proteolitik menjadi asam-asam amino atau beberapa rantai oligopeptida. Asam-asam amino tersebut diserap oleh sel pada dinding usus secara langsung.
Di lain sisi, oligopeptida harus diubah dulu menjadi asam amino oleh aminopeptidase. Dipeptida dan tripeptida bisa langsung dibawa masuk karena di dalam sel intestinal ada peptidase yang mengubah dipeptida dan tripeptida menjadi asam amino. Asam amino lalu dibawa ke darah. Jadi yang ada di dalam darah adalah asam amino
Asam amino kalau mau dipakai untuk sintesis kerangka bisa langsung dipakai Asam amino jika ingin dipakai untuk memproduksi energi (masuk siklus krebs), harus diaminasi terlebih dahulu menghasilkan carbon skeletons dan NH4+. Carbon skeletons masuk ke siklus krebs via 𝛼- ketoglutarat sedangkan NH4+ dapat digunakan dalam biosynthesis dan siklus urea. Asam amino kalau mau masuk ke siklus urea harus diubah menjadi carbamoyl fosfat.
Umur protein bergantung kepada asam amino yang berada di N terminus.
C terminus pada ubiquitin dapat terikat ke lisin melalui pembentukan ikatan isopeptida. Ikatan isopeptida terbentuk antara C terminus dari ubiquitin dengan gugus amina dari rantai samping lisin.
Lisin bisa berasal dari ubiquitin lain atau dari protein target. Pembentukan isopeptida ini ATP dependent. Adapun proteosom dapat terikat dengan ubiquitin. Jadi ketika ubiquitin berikatan dengan lisin, maka proteosom juga dapat menempel pada ikatan isopeptida tersebut dan memulai degradasi. Jadi semakin banyak lisin, proteinnya semakin tidak stabil
Protein yang tidak panjang tidak memperlurkan lisin untuk mendegradasi protein tersebut (tidak perlu di-tag oleh ubiquitin). Protein rantai pendek dapat langsung masuk ke proteolisis.
Gugus 𝛼-amino biasanya dikonversi ammonium melalui deaminasi oksidatif dari glutamat. 𝛼- ketoglutarat menerima NH3+ dari asam amino lain menghasilkan glutamat.
Reaksi transfer gugus amino ini dikatalisis oleh aminotransferase
Sebagai contoh :
Ke kiri fiksasi, ke kanan deaminasi oksidatif.
Hampir semua asam amino memerlukan 𝛼-ketoglutarat untuk transaminasi menghasilkan glutamat dan carbon skeletons (dari carbon skeletons bisa diubah menjadi senyawa intermediet pada TCA sedangkan glutamatnya diubah lagi menjadi 𝛼-ketoglutarat (proses deaminasi)). Namun, terdapat dua asam amino yang tidak memerlukan 𝛼-ketoglutarat untuk deaminasi yakni serin dan treonin. Keduanya dapat didegradasi secara langsung (pelajari reaksinya)
Siklus Alanin-Glukosa
NH4+ dibuang sebagai urea melalui siklus urea. Namun siklus urea hanya dapat berlangsung di hati.
Oleh sebab itu, NH4+ di otot perlu dibawa ke hati. Dibawa melalui siklus glukosa-alanin.
Siklus Urea
NH4+ yang dilepaskan glutamat akan bereaksi dengan CO2 menghasilkan carbamoyl phosphate.
Inti dari siklus ini adalah mengubah NH4+ menjadi urea
Untuk membuang satu gugus amina membutuhkan 2 ATP. ATP berasal dari fosforilasi oksidatif.
Reaksi total :
Protein harus jadi AA. Protein jadi AA melewati tag ubiquitin. AA bisa dipakai bikin protein lagi atau bisa didegradasi menghasilkan asetil Ko. A atau piruvat (masuk ke glikolisis atau TCA) → AA untuk membentuk energi / ATP
Semua AA (kecuali serin dan treonin) akan ditransaminasi dengan 𝛼-ketoglutarat menghasilkan glutanat dan 𝛼-keto acid. Glutamat akan diubah menjadi 𝛼-ketoglutarat sedangkan 𝛼-keto acid akan diubah menjadi senyawa intermediet lain pada TCA.
