METABOLISME & ENZIM Oleh : Silvia Wijaya 0806447734 Program Studi Ilmu Lingkungan Program Pascasarjana Universitas Indonesia 2009

METABOLISME Sel merupakan unit kehidupan yang terkecil, oleh karena itu sel dapat menjalankan aktivitas hidup, di antaranya metabolisme. Serangkaian reaksi biokimia yang terjadi pada sel organisme hidup atau modifikasi senyawa kimia secara biokimia di dalam organisme dan sel. Metabolisme mencakup sintesis (anabolisme) dan penguraian (katabolisme) molekul organik kompleks. Metabolisme biasanya terdiri atas tahapan-tahapan yang melibatkan enzim, yang dikenal pula sebagai jalur metabolisme. Metabolisme total merupakan semua proses biokimia di dalam organisme. Metabolisme sel mencakup semua proses kimia di dalam sel. Tanpa metabolisme, makhluk hidup tidak dapat bertahan hidup.Produk metabolisme disebut metabolit.

Tujuan Metabolisme Menghasilkan ATP. ATP berfungsi untuk: Kontraksi otot Transport aktif Transduksi signal Reaksi biosynthese Menghasilkan bahan-bahan untuk biosynthese ATP diperoleh dari proses Oksidasi (Asam amino, Glukose, Asam lemak) Acetyl Co-A  CO2, NADH, FADH2

REGULASI METABOLISME Contoh bahan-bahan yang dihasilkan: NADPH (donor elektron) Dihydroxyacetonphosphat (Glycerol) Acetyl CoA (Asam lemak, Cholesterol) Succinyl CoA (Porphyrin) Ribose-5 Phosphat (Nucleotida)

Berdasarkan prosesnya metabolisme dibagi Anabolisme: proses penyusunan energi kimia melalui sintesa senyawa organik dari bahan anorganik (fotosintesis, kemosintesis). contoh fotosintesis (asimilasi C) energi cahaya 6 CO2 + 6 H2O ———————————> C6H1206 + 6 02 klorofil glukosa (energi kimia) Pada kloroplas terjadi transformasi energi, yaitu dari energi cahaya sebagai energi kinetik berubah menjadi energi kimia sebagai energi potensial, berupa ikatan senyawa organik pada glukosa. Dengan bantuan enzim-enzim, proses tersebut berlangsung cepat dan efisien. Bila dalam suatu reaksi memerlukan energi dalam bentuk panas reaksinya disebut reaksi endergonik. Reaksi semacam itu disebut reaksi endoterm. Katabolisme: proses pemecahan molekul komplek menjadi molekul sederhana dengan melepaskan energi (respirasi). Contoh: enzim C6H12O6 + 6 O2 ———————————> 6 CO2 + 6 H2O + 686 KKal. energi kimia Saat molekul terurai menjadi molekul yang lebih kecil terjadi pelepasan energi sehingga terbentuk energi panas. Bila pada suatu reaksi dilepaskan energi, reaksinya disebut reaksi eksergonik. Reaksi semacam itu disebut juga reaksi eksoterm. Anabolisme dan katabolisme merupakan reaksi enzimatik dengan protein sebagai biokatalisator.

Perbedaan Anabolisme & Katabolisme Katabolisme adalah penguraian molekul-molekul besar menjadi molekul-molekul kecil. Proses Melepaskan energi Hasil reaksi Energi potensial lebih sedikit dari zat yang bereaksi Anabolisme adalah pembentukan molekul-molekul besar dari molekul-molekul kecil. Memerlukan energi Hasil reaksi Lebih banyak energi potensial dari yang bereaksi

Jalur-Jalur Metabolisme Penting: Metabolisme karbohidrat Metabolisme lemak Metabolisme protein Metabolisme asam nukleat

Metabolisme LIPID

Metabolisme LIPID Degradasi Lipid  Oksidasi asam lemak Pencernaan, penyerapan dan transpot lemak -oksidasi asam lemak Biosintesis Lipid Biosintesis asam lemak Biosintesis triasilgliserol Biosintesis fosfolipid Biosintesis kolesterol dan steroid

Pencernaan, penyerapan, & transport lemak Penggunaan lemak sebagai sumber energi erat berhubungan dengan metabolisme lipoprotein dan kolesterol. Mammal mempunyai 5 – 25% / lebih  lipid dan 90% dlm bentuk lemak (TAG) yg disimpan di dalam jaringan adipose Hewan  lemak disimpan dalam adiposit Tumbuhan  biji  untuk perkembangan embrio

Sumber lemak : Makanan Biosintesis de novo Simpanan tubuh  adiposit Masalah utama  sifatnya yang tidak larut dalam air. Lemak  diemulsi oleh garam empedu – disintesis oleh liver & disimpan dlm empedu  mudah dicerna & diserap Transportasi  membentuk kompleks dg protein  lipoprotein

Garam empedu terdiri dr asam empedu yg berasal dari kolesterol Garam empedu  bersifat amfifatik  mengemulsi lemak  membentuk misel Lemak  dipecah oleh lipase pankreas  hasil?

Penyerapan oleh sel mukosa usus halus Asam lemak yg diserap  disintesis kembali mjd lemak dalam  badan golgi dan retikulum endoplasma sel mukosa usus halus TAG  masuk ke sistem limfa membentuk kompleks dgn protein  chylomicrons

Gliserol hasil hidrolisis TAG : dirubah mjd DHAP oleh ensim : 1 Glycerol Kinase 2 Glycerol Phosphate Dehydrogenase. Masuk ke dalam daur Glikolisis

Chylomicron kmdn membawa TAG dari sel mukosa usus halus ke organ lain seperti jantung, otot, dan jaringan lemak. untuk TAG yg disintesis dr hati, akan dibawa oleh VLDL ke organ lain setelah mencapai organ target  di kapiler  TAG akan dihidrolisis menjadi gliserol dan asam lemak Asam lemak bebas diserap, sisanya dibawa oleh serum albumin  ke sel lain Asam lemak yg telah masuk ke dalam sel Diubah menjadi energi Diubah menjadi TAG untuk disimpan di adiposa

Mengapa beta-oksidasi?

Oksidasi LCFA  jalur metabolisme penghasil energi utama pada hewan, bbrp protista, dan beberapa bakteri Elektron dr proses oksidasi FA  melewati rantai respirasi mitokondria  menghasilkan ATP (asetil ko A hasil oksidasi FA  dioksidasi sempurna menjadi CO2 mll TCA  ATP sintesis) Pada bbrp vertebrata  Asetil ko A hsl β oksidasi  diubah menjadi badan keton di hati (larut dlm air) dan di transpor ke otak dan jaringan lain pd saat gula tidak tersedia Pada tumbuhan  asetil koA berfungsi utama sebagai prekursor biosintesis

3 tahapan reaksi oksidasi FA dlm mitokondria Oksidasi LCFA  molekul 2 C : asetil koA Oksidasi asetil Ko A  CO2 dg TCA Transfer elektron karier elektron yg tereduksi ke rantai respirasi mitokondrial

β oksidasi setelah memasuki sel  FA masuk ke matriks mitokondria  degradasi lebih lanjut. FA diaktivasi dgn ensim fatty acyl – CoA ligase atau Acyl CoA synthase / thiokinase Ensim ini spesifik utk tiap jenis asam lemak (MCFA, SCFA beda dgn LCFA)

Untuk masuk ke dalam matrik mitokondria, asam lemak yg sudah diaktivasi  memerlukan karier  karnitin Karnitin asiltransferase I : membran luar Karnitin asiltransferase II : membran dalam

LCFA membutuhkan garam empedu untuk penyerapan  MCFA dan SCFA memasuki pembuluh darah dan diikat oleh serum albumin untuk di transport ke hati.

β oksidasi Terdiri dari 4 proses utama: Dehidrogenasi Hidratasi Thiolisis Berapakah jumlah reaksi yang dibutuhkan untuk menghidrolisis asam palmitat menjadi asetil Co A semua?

Step 1 : dehidrogenasi / oksidasi Berperan pada pembentukan rantai ganda antara atom C2 – C3. Mempunyai akseptor hidrogen FAD+. Antara asam lemak yg berbeda panjangnya beda enzimnya,

Step2 : Hidratasi Mengkatalisis hidrasi trans enoyl CoA Penambahan gugus hidroksi pada C no. 3 Ensim bersifat stereospesifik Menghasilkan 3-L-hidroksiasil Co. A

Step 3 : dehidrogenasi Mengkatalisis oksidasi -OH pada C no. 3 / C β  menjadi keton Akseptor elektronnya : NAD+

Step 4 : thiolisis β-Ketothiolase  mengkatalisis pemecahan ikatan thioester. Acetyl-CoA  dilepas dan tersisa asam lemak asil ko A yang terhubung dgn thio sistein mll ikatan tioester. Tiol HSCoA menggantikan cysteine thiol, menghasilkan fatty acyl-CoA (yang telah berkurang 2 C).

Degradasi asam lemak tak jenuh Membutuhkan 2 ensim tambahan yi Enoyl CoA isomerase 2,4 dienoyl CoA reduktase

Degradasi FA dgn jumlah C ganjil  pd akhir beta oksidasi  acetoacetil Co A  dipecah akan menghasilkan propionil Co A dan Asetil Co A Propionil Co A  diubah menjadi metilmalonil Co A  suksinil Co.A  TCA

Review Degradasi Asam Lemak Asam lemak merupakan bentuk simpanan energi metabolik yang paling efisien. TAG terdiri dari 3 asam lemak dan gliserol TAG didegradasi oleh enzim lipase di dalam usus halus menjadi asam lemak dan gliserol. Asam lemak melewati dinding usus halus, dan TAG kembali disintesis dan ditransport di dalam darah oleh chylomicrons. Chylomicrons terikat pada sel lemak (adipocytes) dan TAG didegradasi lagi menjadi asam lemak dan gliserol

Asam lemak masuk sel adiposa kmdn disintesis kembali mjd TAG dan disimpan. TAG di dalam adiposa didegradasi menjadi asam lemak sebagai respon terhadap sinyal hormon. Asam lemak bergabung dengan Co A terlebih dahulu sebelum didegradasi. Degradasi asam lemak menjadi asetil Co A terjadi dalam matriks mitokondria. Karnitine membawa asam lemak rantai panjang ke dalam mitokondria untuk didegradasi 4 urutan reaksi degradasi asam lemak adalah : oxidation, hydration, oxidation, thiolysis.

Metabolisme Toksik Mekanisme pertahanan tubuh terhadap toksik meliputi beberapa ragam dan cara diantaranya: Eliminasi racun dalam bentuk yang tidak berubah Modifikasi bentuk struktur kimia sehingga larut dalam air dan diekskresikan melalui ginjal Modifikasi bentuk struktur kimia untuk menghilangkan efek racun Cara pertahanan tubuh dengan reaksi immunitas

Reksi-reaksi metabolisme tidak dirancang untuk detoksifikasi dan eliminasi secara optimal, melainkan tergantung kerja katalis enzim secara kinetik dan dinamik. Reaksi katalis enzimatik meliputi: Reaksi hidrolisis Reaksi oksidasi Reaksi reduksi Reaksi konyugasi

Enzim Pengertian Senyawa organik berupa protein yang berfungsi sebagai katalis dalam metabolisme tubuh, sehingga disebut juga biokatalisator atau suatu molekul yang dapat mengontrol kecepatan metabolisme tubuh. Komponen-komponen enzim Apoenzim, yaitu bagian enzim yang tersusun dari protein, yang akan rusak bila suhu terlampau panas(termolabil). Gugus Prostetik (Kofaktor), yaitu bagian enzim yang tidak tersusun dari protein, tetapi dari ion-ion logam atau molekul-molekul organik yang disebut KOENZIM. Molekul gugus prostetik lebih kecil dan tahan panas (termostabil), ion-ion logam yang menjadi kofaktor berperan sebagai stabilisator agar enzim tetap aktif. Koenzim yang terkenal pada rantai pengangkutan elektron (respirasi sel), yaitu NAD (Nikotinamid Adenin Dinukleotida), FAD (Flavin Adenin Dinukleotida), SITOKROM.

Tentang Enzim Enzim mengatur kecepatan dan kekhususan ribuan reaksi kimia yang berlangsung di dalam sel. Walaupun enzim dibuat di dalam sel, tetapi untuk bertindak sebagai katalis tidak harus berada di dalam sel. Reaksi yang dikendalikan oleh enzim antara lain ialah respirasi, pertumbuhan dan perkembangan, kontraksi otot, fotosintesis, fiksasi, nitrogen, dan pencernaan. Enzim diproduksi oleh sel-sel yang hidup, sebagian besar enzim bekerja di dalam sel dan disebut enzim intraseluler, contohnya enzim katalase yang berfungsi menguraikan senyawa peroksida (H2O2) yang bersifat racun menjadi air (H2O) dan oksigen (O2). Enzim-enzim yang bekerja di luar sel (ekstraseluler) contohnya : amilase, lipase, protease dll

Sifat-sifat enzim Biokatalisator, mempercepat jalannya reaksi tanpa ikut bereaksi. Thermolabil; mudah rusak, bila dipanasi lebih dari suhu 60º C, karena enzim tersusun dari protein yang mempunyai sifat thermolabil. Merupakan senyawa protein sehingga sifat protein tetap melekat pada enzim. Dibutuhkan dalam jumlah sedikit, sebagai biokatalisator, reaksinya sangat cepat dan dapat digunakan berulang-ulang. Bekerjanya ada yang di dalam sel (endoenzim) dan di luar sel (ektoenzim), contoh ektoenzim: amilase,maltase.

Sifat-sifat enzim Umumnya enzim bekerja mengkatalisis reaksi satu arah, meskipun ada juga yang mengkatalisis reaksi dua arah, contoh : lipase, meng-katalisis pembentukan dan penguraian lemak. lipase Lemak + H2O ———————————> Asam lemak + Gliserol Bekerjanya spesifik ; enzim bersifat spesifik, karena bagian yang aktif (permukaan tempat melekatnya substrat) hanya setangkup dengan permukaan substrat tertentu. Umumnya enzim tak dapat bekerja tanpa adanya suatu zat non protein tambahan yang disebut kofaktor. Pada reaksis enzimatis terdapat zat yang mempengarahi reaksi, yakni aktivator dan inhibitor, aktivator dapat mempercepat jalannya reaksi, contoh aktivator enzim: ion Mg, Ca, zat organik seperti koenzim-A. Inhibitor akan menghambat jalannya reaksi enzim. Contoh inhibitor : CO, Arsen, Hg, Sianida.

Komponen Enzim PROTEIN KOFAKTOR ION LOGAM (Cu2+,Mn2+,K+,Na+) NON LOGAM/KOENZIM (Vitamin B,NAD) Faktor-faktor yang mempengaruhi kerja enzim Suhu pH Aktivator Inhibitor

INHIBITOR KOMPETITIF Memiliki struktur seperti substrat sehingga akan bersaing dalam menempati sisi aktif NON KOMPETITIF Inhibitor yang melekat bukan pada sisi aktif, sehingga enzim akan kehilangan sisi aktif

Mekanisme kerja enzim Ada dua teori yang menjelaskan mengenai cara kerja enzim yaitu: Teori kunci dan gembok Teori ini diusulkan oleh Emil Fischer pada 1894. Menurut teori ini, enzim bekerja sangat spesifik. Enzim dan substrat memiliki bentuk geometri komplemen yang sama persis sehingga bisa saling melekat. Teori ketepatan induksi Teori ini diusulkan oleh Daniel Koshland pada 1958. Menurut teori ini, enzim tidak merupakan struktur yang spesifik melainkan struktur yang fleksibel. Bentuk sisi aktif enzim hanya menyerupai substrat. Ketika substrat melekat pada sisi aktif enzim, sisi aktif enzim berubah bentuk untuk menyerupai substrat.

Macam-macam enzim Berdasarkan tipe reaksi kimia yang dikatalisis, macam-macam enzim antara lain: 1. Enzim Hidrolisis 2. Enzim Oksidasi-Reduksi 3. Fosforilase 4. Transferase 5. Karboksilase 6. Konjugasi

Fungsi enzim Enzim dalam diagnosa klinik Sebagai indikator penyakit Sebagai pereaksi uji untuk mengetahuikonsentrasi metabolit Enzim dalam bidang industri a. Amilase: untuk zat pemanis dan fermentasi b. Invertase: pembuatan gula invert untuk kembang gula roti c. Papain: pelunak daging d. Renin: pembekuan susu pada pembuatan keju e. Oksidase glukosa: menghasilkan sirup gandum berkadar fruktosa tinggi (pemanis) f. Protease mikrobial: bahan tambahan detergen, pelunak daging

Referensi Ariens, E.J, 1986, Toksikologi Umum: Pengantar, Gadjah Mada University Press, Yogyakarta Haryoto Kusnoputranto, 1995. Toksikologi lingkungan, penerbit University Indonesia. Jakarta Sutamihaddja, RTM, 2009, Toksikologi Lingkungan (Buku I). University Indonesia. Jakarta. Soetarmi,S. dan N. Nugiri.1995. Buku Pelajaran Biologi SMU. Penerbit Erlangga, Jakarta

Terima Kasih