Dekarboksilasi Oksidatif Piruvat

Cecep Suryani Sobur Biokimia Kedokteran, Ilmu Dasar Kedokteran, Kedokteran Leave a Comment

Dekarboksilasi oksidatif merupakan proses oksidasi piruvat menjadi acetyl-CoA. Molekul Acetyl-CoA ini kemudian akan masuk ke siklus Krebs untuk menghasilkan energi dalam rantai metabolisme aerob dari glukosa. Oleh sebab itu, proses ini penting pada metabolisme glukosa dalam menjembatani reaksi glikolisis dengan siklus Krebs.

Jalur metabolisme produksi acetyl-CoA
Jalur metabolisme produksi acetyl-CoA darri glukosa dan asam lemak.

Selain artikel ini, video di bawah juga memaparkan penjelasan tentang reaksi dekarboksilasi oksidatif:

Mitokondria: Tempat Reaksi Dekarboksilasi Oksidatif

Seperti pada gambar di atas, dekarboksilasi oksidatif reaksinya berlangsung di mitokondria, sama halnya dengan proses oksidasi beta dari asam lemak. Apabila kita bicara reaksi aerob, ketiga sumber energi tubuh yaitu glukosa, asam lemak, dan asam amino berlangsung di mitokondria dan bermuara di reaksi siklus Krebs. Untuk lebih memahami bagaimana hubungan metabolisme ketiga sumber energi tersebut, dapat disimak pada bagan di bawah mengenai jalur metabolisme yang melibatkan mitokondria:

Jalur metabolisme energi yang melibatkan mitokondria
Jalur metabolisme energi yang melibatkan mitokondria. ALT: alanine transaminase; ATP: adenosine triphosphate; CV: ATP synthase or Complex V; CPT: carnitine palmitoyltransferase; ETC: electron respiratory chain; FA: faty acid; GLS: glutamase; IMM: inner mitochondrial membrane; NADH: nicotinamide adenine dinucleotide; LDH: lactate dehydrogenase; ME: mitochondrial malic enzyme; mMDH/cMDH: malate dehydrogenase; MPC: mitochondrial pyruvate carrier; OAA: oxaloacetate; OMM: outer mitochondrial membrane; OXPHOS: oxidative phosphorylation; PC: pyruvate carboxylase; PEP: phosphoenolpyruvate; PEPCK: PEP carboxykinase; PDH: pyruvate dehydrogenase; TCA: tricarboxylic acid; TG: triglyceride; VDAC: voltage-dependent anion channel

Transpor Piruvat ke Mitokondria

Berbeda dari asam lemak, molekul piruvat bersifat polar sehingga tidak bisa melewati membran mitokondria (asam lemak dapat menembus secara bebas). Oleh sebab itu, perpindahan piruvat dari sitosol atau plasma sel ke dalam mitkondria dilakukan melalui perantara protein transpor yaitu simport piruvat mitochondrial pyruvate carrier 1 (MPC1) dan MPC2 (lihat gambar di atas). Simport piruvat ini mengambil piruvat yang bermuatan negatif dan disertai dengan ion hidrogen agar muatan di dalam mitokondrio secara netto tetap netral.

Proses dan Enzim yang Terlibat pada Reaksi Dekarboksilasi Oksidatif

Pada dekarboksilasi oksidatif, piruvat yang memiliki tiga atom karbon diubah menjadi acetyl-CoA yang memiliki dua atom karbon (C). Adapun satu atom karbon dari piruvat dibuang dalam bentuk karbondioksida (CO2). Secara persamaan, reaksi berlangsung sebagai berikut:

\text{Piruvat} + \text{NAD}^++\text{CoA}\to\text{Acetyl-CoA}+\text{NADH}+\text{H}^++\text{CO}_2

Proses ini sebenarnya tidak langsung satu tahap melainkan beberapa tahap. Adapun tahapan tersebut dapat disimak di gambar di bawah ini:

Reaksi enzimatik dekarboksilasi oksidatif
Reaksi enzimatik dekarboksilasi oksidatif

Seperti tampak pada gambar di atas, reaksi dekarboksilasi oksidatif diaktalisasi oleh enzim. Enzim yang terlibat dalam proses ini berupa kompleks enzim. Maksud dari kompleks enzim ini adalah satu struktur molekul protein besar yang memiliki aktivitas beberapa enzim sekaligus yaitu piruvat dehidrogenaase, dihidrolipoil transasetilase, dan dihidrolipoil dehidrogenasae. Adapun gambaran struktur kompleks enzim ini dapat disimak di gambar di bawah ini:

Gambaran kompleks enzim yang terlibat dalam proses reaksi dekarboksilasi oksidatif
Gambaran kompleks enzim yang terlibat dalam proses reaksi dekarboksilasi oksidatif

Regulasi Piruvat Dehidrogenase

Reaksi dekarboksilasi oksidatif dari piruvat dikontrol melalui regulasi enzim piruvat dehidrogenase. Regulasi ini dilakukan melalui inhibisi dari produk akhir reaksi dekarboksilasi oksidatif maupun dengan modifikasi ikatan kovalen dari enzim. Acetyl-CoA maupun NADH sebagai produk akhir dari reaksi akan menginhibisi enzim priuvat dehidrogenase. Artinya, ketika menumpuk kedua molekul tersebut, maka proses dekarboksilasi oksidatif akan terhenti.

Proses regulasi lain adalah fosforilasi dari tiga residu serin oleh enzim kinase yang menyebabkan menurunnya aktivitas enzim. Adapun defosforilasi oleh fosfatase akan meningkatkan aktivitas enzim piruvat dehirogenase. Aktivase kinase ini disebabkan oleh peningkatan rasio [ATP]/[ADP], [acetyl-CoA]/[CoA], dan [NADH]/[NAD+]. Oleh sebab itu, dekarbolsilasi oksidatif maupun glikolisis prosesnya akan dihambat dalam kondisi kecukupan ATP dan juga saat terjadi peningkatan kadar asam lemak bebas. Di jaringan lemak dimana glukosa menghasilkan acetyl-CoA untuk lipogenesis, piruvat dehidrogenase juga diaktivasi sebagai respon terhadap insulin.

Regulasi piruvat dehidrogenase. Tanda panah bergelombang menunjukan efek alosterik. (A) Regulasi inhibisi oleh molekul produk akhir reaksi. (B) Regulasi melalui interkonversi bentuk aktif dan inaktif.

Aspek Klinis Metabolisme Piruvat

Ion arsenit dan merkuri bereaksi dengan gugus -SH asam lipoat dan menghambat piruvat dehidrogenase. Defisiensi vitamin thiamin yang merupakan koenzim dari piruvat dehidrogenase juga akan menyebabkan penurunan metabolisme piruvat. Kedua kondisi tadi akan menyebabkan akumulasi dari piruvat di dalam sel. Akumulasi ini dapat menjadi fatal karena menyebabkan asidosis firuvat dan laktat.

Terdapat pula kondisi kelainan genetik dari gen yang mengkodekan piruvat dehidrogenase sehingga penderita kekurangan enzim tersebut dalam tubuhnya. Pada kondisi tersebut tubuh penderita juga rentan mengalami asidosis laktat terutama setelah mengonsumsi glukosa dalam jumlah besar. Dikarenakan otak sangat tergantung terhadap glukosa sebagai sumber energi, kelainan genetik ini umumnya ditambah manifestasinya dengan berbagai gangguan neurologis.

Defisiensi aldolase A dan piruvat kinase di eritrosit akan menyebabkan anemia hemolitik. Toletansi aktivitas fisik otot dari pasien dengan defisiensi fosfofruktokinase sangat rendah terutama jika penderita memiliki diet tinggi karbohidrat. Dengan memberikan diet lemak sebagai sumber energi alternatif (menghasilkan asam lemak dan badan keton), biasanya kemampuan aktivitas fisik penderita dapat bertambah.

Kesimpulan

Proses dekarboksilasi merupakan reaksi yang merubah piruvat menjadi acetyl-CoA. Reaksi ini penting dalam metabolisme aerob glukosa karena menjembatani antara reaksi glikolisis dengan siklus Krebs. Seperti halnya siklus Krebs, reaksi dekarboksilasi berlangsung di organel mitokondria.

Referensi

  1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Molecular biology of the cell. 5th ed. New York: Garland Science; 2008. 263–328 p.
  2. Gray LR, Tompkins SC, Taylor EB. Regulation of pyruvate metabolism and human disease. Cell Mol Life Sci. 2014;71(14):2577–604.
  3. Zangari J, Petrelli F, Maillot B, Martinou JC. The multifaceted pyruvate metabolism: Role of the mitochondrial pyruvate carrier. Biomolecules. 2020;10(7):1–18.

Tinggalkan Balasan