Siklus Krebs: Siklus Karbon Penghasil Energi di Mitokondria

Siklus Krebs atau nama lainnya siklus asam sitrat atau asam trikarboksilat menempati urutan penting dalam metabolisme tubuh manusia. Siklus ini meneruskan reaksi glikolisis dan setelahnya dilanjutkan ke proses rantai transpor elektron. Proses ini menghasilkan energi dan menyediakan kerangka untuk sintesis berbagai molekul yang dibutuhkan oleh tubuh. Selain itu, siklus asam sitrat juga berperan dalam perkembangan imunitas tubuh dan terjadinya sel kanker. Bagaimana tahapan siklus ini? Berikut ulasannya. Thumbnail gambar artikel oleh MasterTux dari Pixabay.

Hans Adolf Krebs

Siklus ini dinamai sesuai dengan nama ilmuwan dan juga dokter yang meneliti dan menemukannya yaitu Sir Hans Adolf Krebs. Sir Hans Adolf Krebs merupakan ahli biologi, dokter, dan biokimiawan berkebangsaan Inggris yang lahir di Jerman. Selain siklus asam sitrat, Sir Hans Adolf Krebs juga menemukan siklus ornithine dan siklus glyoxylate.

Penelitian mengenai metabolisme aerob sebenarnya sudah ada sejak abad ke-19. Saat itu diketahui bahwa metabolisme anaerob menghasilkan asam laktat atau etanol sedangkan pada metabolisme aerob mengonsumsi oksigen dan memproduksi karbondioksida dan air.

Upaya untuk memetakan metabolisme aerob ini kemudian difokuskan ke oksidasi piruvat dan berujung pada tahun 1937 dengan penemuan siklus asam sitrat atau siklus Krebs. Atas penemuan ini, Sir Hans Adolf Krebs dianugerahi hadiah Nobel tahun 1953 di bidang fisiologi atau kedokteran.

Walaupun siklus ini sebenarnya tidak memerlukan oksigen, namun proses ini membutuhkan oksigen untuk meneruskan reaksi. Hal ini dikarenakan NADH yang dihasilkan harus diubah kembali menjadi NAD. Proses perubahan ini memerlukan oksigen sebagai akseptor proton terakhir (melalui proses rantai transpor elektron). Tanpa NAD, siklus Krebs akan berhenti berjalan.

Acetyl CoA: Substrat Utama Siklus Krebs

Bahan dari siklus Krebs adalah acetyl-CoA. Acetyl-CoA didapatkan baik dari sumber glukosa maupun asam lemak. Terdapat perbedaan proses dari keduanya. Apabila sumbernya dari glukosa, gikolisis akan menghasilkan piruvat dan kemudian diproses melalui dekarboksilasi oksidatif menjadi acetyl CoA. Sedangkan asam lemak menjadi acetyl CoA melalui proses oksidasi beta asam lemak.

Dekraboksilasi Oksidatif: Konversi Piruvat Menjadi Acetyl CoA

Seperti disebutkan di atas, proses dekarboksilasi oksidatif adalah proses perubahan asam piruvat menjadi acetyl-CoA. Proses dekarboksilasi oksidatif ini berlangsung di mitokondria.

Asam piruvat yang merupakan hasil dari glikolisis dari gula akan ditranspor dari plasma sel ke dalam mitokondria. Di mitokondria, enzim yang merubah asam piruvat menjadi acetyl-CoA adalah kompleks enzim piruvat dehidrogenase. Hasil proses dekarboksilasi ini adalah acetyl-CoA, satu molekul karbondioksida, dan satu molekul NADH.

Reaski dari dekarboksilasi oksidatif ini dilakukan oleh kompleks enzim piruvat dehidrogenase (PDH). Kompleks enzim PDH ini memiliki tiga komponen yaitu piruvat dehidrogenase, dihidrolipoyl transasetilase, dan dihidrolipoyl dehidrogenase. Perhatikan bagan di bawah ini yang memperlihatkan kerja kompleks multienzim tersebut:

Untuk penjelasan mengenai dekarboksilasi oksidatif lebih lanjut juga dapat disimak di artikel di tautan ini atau di video di bawah ini:

Oksidasi Beta Asam Lemak: Konversi Asam Lemak Menjadi Acetyl-CoA

Selain dari proses dekarboksilasi oksidatif piruvat, acetyl-CoA juga dihasilkan dari proses oksidasi beta asam lemak. Jadi, siklus Krebs memperoleh bahan acetyl-CoA dari glukosa melalui proses dekarboksilasi oksidatif sedangkan dari asam lemak melalui proses oksidasi beta asam lemak.

Asam lemak yang masuk dari darah akan tembus ke sitoplasma dan ke mitokondria. Setiap molekul dari asam lemak akan diaktivasi menjadi asam lemak-CoA dan kemudian dipecah melalui siklus reaksi. Satu siklus dari reaksi tersebut mengambil dua molekul karbon dari ujung karboksil dari asam lemak. Setiap siklus akan menghasilkan satu molekul acetyl CoA.

Tahapan Siklus Krebs

Acetyl-CoA yang merupakan substrat utama dari siklus Krebs akan diproses pertama kali dengan bergabung dengan okasloasetat menghasilkan sitrat. Oleh sebab itu, proses ini juga dinamakan siklus asam sitrat atau siklus trikarboksilat (asam sitrat memiliki tiga gugus asam karboksilat).

Proses ini kemudian berlanjut melalui reaksi atau tahap lanjutan sehingga produk akhirnya adalah kembali menghasilkan sebuah molekul oksaloasetat. Molekul ini kemudian akan kembali bereaksi dengan acetyl-CoA sehingga melanjutkan kembali siklus sebelumnya. Berikut ini adalah skema lengkap reaksi siklus Krebs atau siklus asam sitrat:

Jika diperhatikan dari reaksi di atas, oksaloasetat merupakan molekul dengan empat atom karbon bergabung dengan acetyl-CoA yang memiliki dua atom karbon menjadi sitrat dengan enam atom karbon. Di akhir reaksi, akan muncul kembali oksaloasetat dengan empat atom karbon. Dua karbon yang hilang keluar berupa dua molekul karbondioksida (CO₂). Berikut akan dijelaskan reaksi dari setiap tahap dari siklus Krebs.

Tahap 1: Kondensasi Acetyl-CoA dengan Oksaloasetat Menjadi Sitrat

Tahap pertama adalah kondensasi yaitu penggabungan dua molekul yaitu acetyl-CoA (dua C) dan oksaloasetat (empat C) menjadi satu molekul sitrat (enam C). Reaksi dimulai dengan enzim membuang proton dari grup CH₃ pada acetyl-CoA, menjadi bentuk CH₂^– yang bermuatan negatif. Selanjutnya gugus ini berikatan dengan dengan karbon karbonil (C=O) dari oksaloasetat. Hal ini kemudian akan diikuti proses hilangnya CoA oleh hidrolisis. Hilangnya CoA oleh proses hidrolisis ini akan mendorong rekasi secara kuat ke arah kanan (lihat gambar).

Tahap 2: Isomerisasi Sitrat Menjadi Isositrat

Berikutnya adalah isomerisasi dari sitrat. Proses ini merupakan reaksi isomerasi dimana air pertama kali dibuang dan kemudian ditambahkan kembali sehingga memindahkan gugus hidroksil dari satu atom karbon ke atom karbon lain di sebelahnya.

Tahap 3: Oksidasi Isositrat Menjadi α-Ketoglutarat

Tahapan ini merupakan proses oksidasi pertama pada siklus Krebs. Atom karbon yang membawa gugus hidrosil diubag menjadi grup karbonil. Produk ini tidak stabil sehingga kemudian akan melepas CO₂ saat molekul masih berikatan dengan enzim. Setelah proses ini molekul kemudian lepas dari enzim menghasilkan α-ketoglutarat.

Tahap 4: Oksidasi α-Ketoglutarat Menjadi Succinyl-CoA

Reaksi tahap ini merupakan proses oksidasi yang kedua. Kompleks enzim α-ketoglutarat dehidrogenase mirip dengan kompleks enzim yang mengubah piruvat menjadi acetyl-CoA. Enzim ini mengkataliasi oksidasi yang menghasilkan NADH, CO₂, dan ikatan tioester berenergi tinggi dengan coenzyme A (CoA). Hasil dari reaksi ini adalah succinyl-CoA

Tahap 5: Succinyl-CoA Menghasilkan GTP dan Succinate

Pada tahap ini terjadi reaksi fosforilasi. Molekul fosfat dari sekitarnya akan dimasukan menggantikan CoA menghasilan ikatan berenergi tinggi dengan suksinat. Fosfat ini kemudian dipindahkan ke GDP menghasilkan GTP. Pada bakteri dan tumbuhan, pada tahap ini yang menerima fosfat adalah ADP sehingga dihasilkan ATP.

Tahap 6: Oksidasi Succinate Menjadi Fumarate

Tahap keenam merupakan tahap ketiga langkah oksidasi. Pada tahap ini FAD (flavin adenine dinucleotide) akan menghilangkan dua atom hidrogen dari suksinat dan memproduksi FADH₂. Perlu diketahui bahwa enzim suksinat dehidrogenase merupakan satu kompleks enzim bagian dari sistem rantai transpor elektron.

Tahap 7: Hidrasi Fumarate Menjadi Malate

Reaksi atau proses tahap ini berupa hidrasi. Maksudnya, terjadi penambahan air pada fumarat. Akibat reaksi ini, gugus hidroksil ditambahkan sehingga kemudian menghasilkan malat.

Tahap 8: Dehidrogenasi Malate Menjadi Oksaloasetat

Terakhir adalah reaksi dehidrogenasi. Tahap ini sekaligus proses reaksi oksidasi yang keempat. karbon yang membawa gugus hidrosil akan dikonversi menjadi grup karbonil sehingga menghasilkan oksaloasetat yang dibutuhkan untuk reaksi tahap 1.

Hasil Siklus Krebs

Dalam satu siklus, proses ini menghasilkan tiga NADH, satu GTP, satu FADH₂, serta melepas dua CO₂. Dikarenakan satu molekul glukosa menghasilkan dua acetyl-CoA, maka satu molekul glukosa akan menghasilan enam NADH, dua GTP, dua FADH₂, dan empat CO₂. Untuk rangkuman hasil siklus Krebs serta di tahap mana molekul tersebut dihasilkan dapat dipelajari di skema atau gambar di bawah ini:

NADH dan FADH₂ akan diproses lebih lanjut melalui transpor elektron. Satu molekul NADH menghasilkan tiga ATP sedangkan satu FADH₂ akan menghasilkan dua molekul ATP. Di gambar di bawah ini diperlihatkan kelanjutan proses produksi ATP dari NADH dan FADH₂ baik dari glikolisis maupun siklus Krebs.

Adapun untuk ringkasan semua hasil ATP yang diperoleh mulai dari glikolisis, dapat disimak di tabel di bawah ini:

Jalur	Enzim yang terlibat	Reaksi produksi ATP	Jumlah produksi ATP
Glikolisis	Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase	Oksidasi rantai pernapasan 2 NADH	6
	Phosphoglycerate kinase	Fosforilasi substrat	2
	Pyruvate kinase	Fosforilasi substrat	2
	Hexokinase dan phosphofructokinase	Reaksi konsumsi ATP	-2
		Jumlah ATP glikolisis	8
Siklus Kreb	Pyruvate dehydrogenase	Oksidasi rantai pernapasan 2 NADH	6
	Isocitrate dehydrogenase	Oksidasi rantai pernapasan 2 NADH	6
	α-Ketoglutarate dehydrogenase	Oksidasi rantai pernapasan 2 NADH	6
	Succinate thiokinase	Fosforilasi substrat	2
	Succinate dehydrogenase	Oksidasi rantai pernapasan 2 FADH2	4
	Malate dehydrogenase	Oksidasi rantai pernapasan 2 NADH	6
		Jumlah ATP siklus Krebs	30

Inhibitor Siklus Asam Sitrat

Beberapa zat diketahui dapat menghambat siklus asam sitrat. Beberapa diantaranya adalah sebagai berikut:

• Fluoroasetat. Zat ini berkondensasi dengan CoA membentuk fluoroacetyl-CoA. Molekul ini kemudian beraksi dengan oksaloasetat membentuk fluorositrat yang menghambat enzim aconitase sehingga menyebabkan akumulasi sitrat.
• Arsenite, kerjanya adalah menghambat alpha-ketoglutarate dehydrogenase.
• Malonate, menghambat succinate dehydrogenase

Siklus Krebs: Sumber Prekursor Banyak Molekul Tubuh

Selain sebagai penghasil energi, baik glikolisis maupun siklus Krebs juga berfungsi sebagai titik awal biosintesis molekul penting untuk tubuh. Hal ini disebabkan dihasilkannya produk molekul intermediet molekul karbon seperti oksaloasetat dan α-ketoglutarat. Molekul ini dapat dikirim dari mitokondria ke sitosol yang kemudian dapat digunakan untuk membentuk molekul lain seperti asam amino. Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada bagan di bawah ini:

Peranan Siklus Krebs pada Sistem Imunitas

Siklus asam sitrat beserta zat intermedietnya berhubungan erat dengan sistem imunitas. Suksinat dapat berfungsi sebagai proinflamasi maupun sinyal antiinflamasi. Sel makrofag dapat mengatur kenaikan dan penurunan oksidasi suksinat yang mengakibatkan aktivasi gen inflamasi atau aktivasi gen antiinflamasi. Salah satu kaitan suksinat dengan proses inflamasi adalah pada proses oksidasi suksinat melalui reverse electron transport (RET) akan mengaktivasi HIF-1α yang kemudian mengaktivasi gen IL1B yang merupakan proinflamasi.

Selain suksinat, metabolisme yang diatur oleh siklus Krebs juga berfungsi dalam biogenesis presentasi antigen dan prostaglandin. Oksaloasetat berperan dalam produksi NO dan ROS, serta aconitate berperan dalam pertahanan terhadap infeksi.

Siklus Krebs dan Penyakit Kanker

Hal yang menarik adalah perubahan sumber energi pada sel kanker. Beberapa hal yang menarik dilihat adalah peningkatan konsumsi glukosa oleh sel kanker dan ketergantungan sel kanker akan glutamin.

Walaupun sel kanker mengonsumsi banyak glukosa, ternyata hanya sedikit dari piruvat masuk ke siklus asam sitrat. Kebanyakan justru diubah menjadi asam laktat. Akan tetapi, siklus Krebs pada sel kanker masih berjalan. Hal ini ternyata disebabkan peran dari glutamin.

Glutamin dapat diubah menjadi glutamat dan kemudian oleh sel kanker dimetabolisme menjadi α-ketoglutarat melalui salah satu reaksi glutamate dehydrogenase atau aminostransferases. Proses ini menjadi salah satu sumber biosintesis dan energi sel kanker. Selain itu, glutamin juga mengaktivasi sinyal mTOR, menurunkan tingkat stres retikulum endoplasma, dan mempromosikan sintesis protein sel kanker.

Melihat banyaknya peran glutamin, maka akan sangat menarik apabila zat ini menjadi target terapetik untuk pengobatan penyakit kanker.

Pertanyaan-pertanyaan Seputar Siklus Krebs (FAQs)

Kesimpulan

Siklus Krebs merupakan salah satu proses yang sangat penting dalam pembentukan energi tubuh kita. Selain itu, proses ini juga menghasilkan prekursor banyak makromolekul penting dan berperan juga dalam sistem imunitas dan juga penyakit kanker. Memahami proses ini penting dalam mendalami berbagai macam metabolisme dalam tubuh manusia.

Referensi

1. Akram M. Citric Acid Cycle and Role of its Intermediates in Metabolism. Cell Biochem Biophys. 2014;68(3):475–8.
2. 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.
3. Fernie AR, Carrari F, Sweetlove LJ. Respiratory metabolism: Glycolysis, the TCA cycle and mitochondrial electron transport. Curr Opin Plant Biol. 2004;7(3):254–61.
4. Kornberg H. Krebs and his trinity of cycles. Nat Rev Mol Cell Biol. 2000;1(3):225–8.
5. Martínez-Reyes I, Chandel NS. Mitochondrial TCA cycle metabolites control physiology and disease. Nat Commun. 2020;11(1):1–11.
6. Mills EL, Kelly B, O’Neill LAJ. Mitochondria are the powerhouses of immunity. Nat Immunol. 2017;18(5):488–98.