Asam Amino

 SINTESIS ASAM AMINO

Sintesis protein di dalam sel tersusun atas asam amino dan terjadi dengan melibatkan DNA, RNA dan ribosom. Suatu ikatan molekul peptida terbentuk apabila gugus amino dari satu asam amino berikatan dengan gugus karboksil dari asam amino lain. Secara berurutan, apabila dua asam amino bergabung, maka akan terbentuk molekul dipeptida, bila tiga asam amino berikatan, maka akan terbentuk molekul tripeptida, dan seterusnya. Dengan demikian, apabila terjadi penggabungan asam amino dalam jumlah besar, maka akan terbentuk molekul yang disebut sebagai polipeptida. Pada dasarnya, protein adalah suatu polipeptida. Setiap sel dari organisme berkemampuan untuk mensintesis protein-protein tertentu yang sesuai dengan keperluannya. Sintesis protein dalam sel dapat terjadi, karena pada inti sel terdapat suatu zat (substansi) yang berperan penting sebagai pengatur sintesis protein sel. Substansi-substansi tersebut adalah DNA dan RNA. 

 

Semua jaringan memiliki kemampuan beberapa untuk sintesis dari asam amino esensial-tidak , remodeling asam amino, dan konversi asam amino non karbon-kerangka menjadi asam amino dan turunan lainnya yang mengandung nitrogen. Namun, hati adalah situs utama dari metabolisme nitrogen dalam tubuh. Pada saat surplus makanan, racun yang berpotensi nitrogen asam amino dieliminasi melalui transaminations, deaminasi, dan pembentukan urea, kerangka karbon umumnya dilestarikan sebagai karbohidrat, melalui glukoneogenesis , atau sebagai asam lemak melalui sintesis asam lemak jalur. Dalam hal ini asam amino yang terbagi dalam tiga kategori: glucogenic, ketogenic, atau glucogenic dan ketogenic. asam amino Glucogenic adalah mereka yang menimbulkan produksi bersih piruvat atau siklus TCA perantara, seperti α-ketoglutarate atau oksaloasetat, yang semuanya prekursor untuk glukosa melalui glukoneogenesis. Semua asam amino lisin dan leusin kecuali setidaknya sebagian glucogenic. Lisin dan leusin adalah satu-satunya asam amino yang bertanggung ketogenic, sehingga menimbulkan hanya untuk acetylCoA atau acetoacetylCoA, baik yang dapat membawa glukosa produksi bersih sekitar.

Sekelompok kecil asam amino terdiri dari isoleusin, fenilalanin, treonin, triptofan, dan tirosin menimbulkan prekursor dan asam lemak glukosa baik dan karena itu ditandai sebagai glucogenic dan ketogenic. Akhirnya, harus diakui bahwa asam amino memiliki nasib yang mungkin ketiga. Selama masa kelaparan kerangka karbon yang dikurangi digunakan untuk produksi energi, dengan hasil bahwa dioksidasi menjadi CO ₂ dan H ₂ O.

Kira-kira 75% asam amino digunakan untuk sintesis protein. Asam-asam amino dapat diperoleh dari protein yang kita makan atau dari hasil degradasi protein di dalam tubuh kita. Degradasi ini merupakan proses kontinu. Karena protein di dalam tubuh secara terus menerus diganti (protein turnover). Contoh dari protein turnover, tercantum pada tabel berikut.

Asam-asam amino juga menyediakan kebutuhan nitrogen untuk:

-    Struktur basa nitrogen DNA dan RNA

-    Heme dan struktur lain yang serupa seperti mioglobin, hemoglobin, sitokrom, enzim dll.

-    Asetilkolin dan neurotransmitter lainnya.

-    Hormon dan fosfolipid

Selain menyediakan kebutuhan nitrogen, asam-asam amino dapat juga digunakan sebagai sumber energi jika nitrogen dilepas.

Jalur metabolik utama dari asam amino

Jalur metabolik utama dari asam-asam amino terdiri atas pertama, produksi asam amino dari pembongkaran protein tubuh, digesti protein diet serta sintesis asam amino di hati. Kedua, pengambilan nitrogen dari asam amino. Sedangkan ketiga adalah katabolisme asam amino menjadi energi melalui siklus asam serta siklus urea sebagai proses pengolahan hasil sampingan pemecahan asam amino. Keempat adalah sintesis protein dari asam-asam amino.

Katabolisme asam amino

Asam-asam amino tidak dapat disimpan oleh tubuh. Jika jumlah asam amino berlebihan atau terjadi kekurangan sumber energi lain (karbohidrat dan protein), tubuh akan menggunakan asam amino sebagai sumber energi. Tidak seperti karbohidrat dan lipid, asam amino memerlukan pelepasan gugus amin. Gugus amin ini kemudian dibuang karena bersifat toksik bagi tubuh.

Ada 2 tahap pelepasan gugus amin dari asam amino, yaitu:

1.   Transaminasi

Enzim aminotransferase memindahkan amin kepada α-ketoglutarat menghasilkan glutamat atau kepada oksaloasetat menghasilkan aspartat

2.   Deaminasi oksidatif

Pelepasan amin dari glutamat menghasilkan ion amonium

Gugus-gugus amin dilepaskan menjadi ion amonium (NH₄⁺) yang selanjutnya masuk ke dalam siklus urea di hati. Dalam siklus ini dihasilkan urea yang selanjutnya dibuang melalui ginjal berupa urin. Proses yang terjadi di dalam siklus urea digambarkan terdiri atas beberapa tahap yaitu:

1.   Dengan peran enzim karbamoil fosfat sintase I, ion amonium bereaksi dengan CO₂ menghasilkan karbamoil fosfat. Dalam raksi ini diperlukan energi dari ATP

2.   Dengan peran enzim ornitin transkarbamoilase, karbamoil fosfat bereaksi dengan L-ornitin menghasilkan L-sitrulin dan gugus fosfat dilepaskan

3.   Dengan peran enzim argininosuksinat sintase, L-sitrulin bereaksi dengan L-aspartat menghasilkan L-argininosuksinat. Reaksi ini membutuhkan energi dari ATP

4.   Dengan peran enzim argininosuksinat liase, L-argininosuksinat dipecah menjadi fumarat dan L-arginin

5.   Dengan peran enzim arginase, penambahan H₂O terhadap L-arginin akan menghasilkan L-ornitin dan urea.

Sintesis asam amino

Semua jaringan memiliki kemampuan untuk men-sintesis asam amino non esensial, melakukan remodeling asam amino, serta mengubah rangka karbon non asam amino menjadi asam amino dan turunan lain yang mengandung nitrogen. Tetapi, hati merupakan tempat utama metabolisme nitrogen. Dalam kondisi surplus diet, nitrogen toksik potensial dari asam amino dikeluarkan melalui transaminasi, deaminasi dan pembentukan urea. Rangka karbon umumnya diubah menjadi karbohidrat melalui jalur glukoneogenesis, atau menjadi asam lemak melalui jalur sintesis asam lemak. Berkaitan dengan hal ini, asam amino dikelompokkan menjadi 3 kategori yaitu asam amino glukogenik, ketogenik serta glukogenik dan ketogenik.

            Asam amino glukogenik adalah asam-asam amino yang dapat masuk ke jalur produksi piruvat atau intermediat siklus asam sitrat seperti α-ketoglutarat atau oksaloasetat. Semua asam amino ini merupakan prekursor untuk glukosa melalui jalur glukoneogenesis. Semua asam amino kecuali lisin dan leusin mengandung sifat glukogenik. Lisin dan leusin adalah asam amino yang semata-mata ketogenik, yang hanya dapat masuk ke intermediat asetil KoA atau asetoasetil KoA

Sekelompok kecil asam amino yaitu isoleusin, fenilalanin, threonin, triptofan, dan tirosin bersifat glukogenik dan ketogenik. Akhirnya, seharusnya kita kenal bahwa ada 3 kemungkinan penggunaan asam amino. Selama keadaan kelaparan pengurangan rangka karbon digunakan untuk menghasilkan energi, dengan proses oksidasi menjadi CO₂ dan H₂O.

Dari 20 jenis asam amino, ada yang tidak dapat disintesis oleh tubuh kita sehingga harus ada di dalam makanan yang kita makan. Asam amino ini dinamakan asam amino esensial. Selebihnya adalah asam amino yang dapat disintesis dari asam amino lain. Asam amino ini dinamakan asam amino non-esensial.

Asam amino non-esensial	Alanine, Asparagine, Aspartate, Cysteine, Glutamate, Glutamine, Glycine, Proline, Serine, Tyrosine
Asam amino esensial	Arginine*, Histidine, Isoleucine, Leucine, Lysine, Methionine*, Phenylalanine*, Threonine, Tyrptophan, Valine

Aktivasi asam amino

Terjadi didalam sitosol, bukan pada robosom masing-masing dari 20 asam amino ini diikat secara kovalen dengan suatu RNA pemindah spesifik, dengan memenfaatkan energy ATP. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim pengaktif yang memerlukan Mg²⁺ sebagai kofaktor, masing-masing spesifik bagi satu asam amino dan bagi tRNA nya.

RNA pemindah diperlukan bagi aktivasi asam amino

Untuk memahami bagaimana RNA pemindah dapat berperan sebagai adaptor dalam menerjemahkan bahasa asam nukleat menjadi basa protein, pertama-tama kita harus mengamati strukturnya. RNA pemindah terdiri dari satu molekul dan berukuran relative kecil. Pada bakteri dan sitosol ekstramitokondrion, tRNA nya memiliki antara 73 dan 93 residu nukleotida, dengan berat nmolekul antara 24.000 dan 31.000. Sedikitnya ada satu jenis tRNA bagi setiap asam amino, beberapa asama amino memiliki dua atau lebih tRNA spesifik. Minimal 32 tRNA diperlukan untuk mengenali semua kodon asam amino, tetapi beberapa sel memiliki lebih dari 32. Banyak tRNA yang telah diisolasi dalam bentuk homogen. Pada tahun 1965, setelah beberapa tahun meneliti, Robert W. Holley dan koleganya di Universitas Cornell berhasil mendapatkan urutan nukleotida tRNA alanin dari ragi secara sempurna. Ini adalah asam nukleat pertama yang keseluruhannya dapat diurut, dan ditemukan mengandung 76 residu nukleotida, sepuluh diantaranya dalam bentuk termodifikasi. Sejak itu, urutan basa tRNA lain bagi berbagai asam amino dan spesies lain telah berhasil diperoleh dan telah membuka sejumlah denominator struktur. Delapan atau lebih residu nukleotida semua tRNA dimiliki basa termodifikasi yang tidak umum dijumpai, banyak diantaranya yang merupakan turunan metal dari basa utamanya. Hampir semua tRNA memiliki residu asam guanilat (pG) pada ujung 5’ dan semua memiliki urutan trinukleotida –C-C-A(3’) pada ujung 3’.

Semua tRNA, bilamana dituliskan dalam bentuk yang mengandung pemasangan basa intra rantai dalam jumlah maksimum melalui pasangan yang diperbolehkan A-U, G-C, dan G-U, membentuk “daun semanggi dengan empat tangan. tRNA yang terpanjang memiliki kelebihan tangan pendek ke lima. Dua dari tangan-tangan ini berpartisipasi didalam fungsi adaptor tRNA. Tangan asam amino dan tangan AA membawa asam amino spesifik yang berikatan ester pada gugus karboksilnya dengan gugus 2’ atau 3’ hidroksil residu pada ujung 3’ tRNA.

Pada tahap pertama biosintesis protein, yang terjadi didalam sitosol sel, ke-20 jenis asam amino berikatan ester dengan tRNA masing-masing dengan dikatalisis oleh 20 jenis enzim pengaktif, yang dinamakan aminoasil-tRNAsintetase. Masing-masing spesifik bagi asam amino dan tRNAnya. Hampir semua aminoasil-tRNAsintetase E.coli telah disiolasi oelh jenis lain yang telah berhasil dikristalisasi.

Asam amino + tRNA + ATP +         aminoasil-tRNA + AMP + PPi

Reaksi aktivasi terjadi dalam dua tahap yang terpisah pada tempat katalitik enzim. Pada tahap pertama, suatu senyawa yang terikat oleh enzim aminoasiladenilat dibentuk oleh reaksi ATP dan asam amino pada tempat aktif. Pada reaksi ini, gugus karboksil pada asam amino terikat oleh ikatan anhidrida dengan gugus 5’-Posfat AMP dengan pelepasan pirofosfat.

Asam amino + ATP + E = E-(aminoasiladenilat) +PPi

Pada tahap yang terakhir ini, gugs aminoasil dipindahkan ke gugus 2’ atau 3’ hidroksil pada residu terminal A molekul tRNA akan tetapi sekali terikat aminoasil ini dapat loncat (bulak-balik) diantara gugus 2’ dan 3’ hidroksil

E-(aminoasiladenilat) + tRNA = aminoasil-tRNA + adenilat + E

Biosintesis glutamat dan aspartat

Glutamat dan aspartat disintesis dari asam α-keto dengan reaksi tranaminasi sederhana. Katalisator reaksi ini adalah enzim glutamat dehidrogenase dan selanjutnya oleh aspartat aminotransferase, AST.

Aspartat juga diturunkan dari asparagin dengan bantuan asparaginase. Peran penting glutamat adalah sebagai donor amino intraseluler utama untuk reaksi transaminasi. Sedangkan aspartat adalah sebagai prekursor ornitin untuk siklus urea.

Biosintesis alanin

Alanin dipindahkan ke sirkulasi oleh berbagai jaringan, tetapi umumnya oleh otot. Alanin dibentuk dari piruvat. Proses ini dinamakan siklus glukosa-alanin. Fitur kunci dari siklus ini adalah bahwa dalam 1 molekul, alanin, jaringan perifer mengekspor piruvat dan amonia ke hati, di mana rangka karbon didaur ulang dan mayoritas nitrogen dieliminir.

Ada 2 jalur utama untuk memproduksi alanin yaitu:

1.   Secara langsung melalui degradasi protein

2.   Melalui transaminasi piruvat dengan bantuan enzim alanin transaminase, ALT (juga dikenal sebagai serum glutamat-piruvat transaminase, SGPT).

Glutamat + piruvat ßàα-ketoglutarat + alanin

Biosintesis sistein

Sulfur untuk sintesis sistein berasal dari metionin. Kondensasi dari ATP dan metionin dikatalisis oleh enzim metionin adenosiltransfrease menghasilkan S-adenosilmetionin (SAM).

SAM merupakan precursor untuk sejumlah reaksi transfer metil (misalnya konversi norepinefrin menjadi epinefrin). Akibat dari tranfer metil adalah perubahan SAM menjadi S-adenosilhomosistein. S-adenosilhomosistein selanjutnya berubah menjadi homosistein dan adenosin dengan bantuan enzim adenosilhomosisteinase. Homosistein dapat diubah kembali menjadi metionin oleh metionin sintase.

Reaksi transmetilasi melibatkan SAM sangatlah penting, tetapi dalam kasus ini peran S-adenosilmetionin dalam transmetilasi adalah sekunder untuk produksi homosistein (secara esensial oleh produk dari aktivitas transmetilase). Dalam produksi SAM, semua fosfat dari ATP hilang: 1 sebagai Pi dan 2 sebagai Ppi. Adenosin diubah menjadi metionin bukan AMP.

Dalam sintesis sistein, homosistein berkondensasi dengan serin menghasilkan sistationin dengan bantuan enzim sistationase. Selanjutnya dengan bantuan enzim  sistationin liase sistationin diubah menjadi sistein dan α-ketobutirat. Gabungan dari 2 reaksi terakhir ini dikenal sebagai trans-sulfurasi.

Biosintesis tirosin

Tirosin diproduksi di dalam sel dengan hidroksilasi fenilalanin. Setengah dari fenilalanin dibutuhkan untuk memproduksi tirosin. Jika diet kita kaya tirosin, hal ini akan mengurangi kebutuhan fenilalanin sampai dengan 50%.

 Fenilalanin hidroksilase adalah campuran fungsi oksigenase: 1 atom oksigen digabungkan ke air dan lainnya ke gugus hidroksil dari tirosin. Reduktan yang dihasilkan adalah tetrahidrofolat kofaktor tetrahidrobiopterin, yang dipertahankan dalam status tereduksi oleh NADH-dependent enzyme dihydropteridine reductase (DHPR).

Biosintesis ornitin dan prolin

Glutamat adalah prekursor ornitin dan prolin. Dengan glutamat semialdehid menjadi intermediat titik cabang menjadi satu dari 2 produk atau lainnya. Ornitin bukan salah satu dari 20 asam amino yang digunakan untuk sintesis protein. Ornitin memainkan peran signifikan sebagai akseptor karbamoil fosfat dalam siklus urea. Ornitin memiliki peran penting tambahan sebagai prekursor untuk sintesis poliamin. Produksi ornitin dari glutamat penting ketika diet arginin sebagai sumber lain untuk ornitin terbatas.

Penggunaan glutamat semialdehid tergantung kepada kondisi seluler. Produksi ornitin dari semialdehid melalui reaksi glutamat-dependen transaminasi. ketika konsentrasi arginin meningkat, ornitin didapatkan dari siklus urea ditambah dari glutamat semialdehid yang menghambat reaksi aminotransferase. Hasilnya adalah akumulasi semialdehid. Semialdehid  didaur secara spontan menjadi Δ¹pyrroline-5-carboxylate yang kemudian direduksi menjadi prolin oleh NADPH-dependent reductase.

Biosintesis serin

Jalur utama untuk serin dimulai dari intermediat glikolitik 3-fosfogliserat. NADH-linked dehidrogenase mengubah 3-fosfogliserat menjadi sebuah asam keto yaitu 3-fosfopiruvat, sesuai untuk transaminasi subsekuen. Aktivitas aminotransferase  dengan glutamat sebagai donor menghasilkan 3-fosfoserin, yang diubah menjadi serin oleh fosfoserin fosfatase.

Biosintesis glisin

Jalur utama untuk glisin adalah 1 tahap reaksi yang dikatalisis oleh serin hidroksimetiltransferase. Reaksi ini melibatkan transfer gugus hidroksimetil dari serin untuk kofaktor tetrahidrofolat (THF), menghasilkan glisin dan N⁵, N¹⁰-metilen-THF.

Biosintesis aspartat, asparagin, glutamat dan glutamin

Glutamat disintesis dengan aminasi reduktif α-ketoglutarat yang dikatalisis oleh glutamat dehidrogenase yang merupakan reaksi nitrogen-fixing. Glutamat juga dihasilkan oleh reaksi aminotranferase, yang dalam hal ini nitrogen amino diberikan oleh sejumlah asam amino lain. Sehingga, glutamat merupakan kolektor umum nitrogen amino.

Aspartat dibentuk dalam reaksi transaminasi yang dikatalisis oleh aspartat transaminase, AST. Reaksi ini menggunakan analog asam α-keto aspartat, oksaloasetat, dan glutamat sebagai donor amino. Aspartat juga dapat dibentuk dengan deaminasi asparagin yang dikatalisis oleh asparaginase.

Asparagin sintetase dan glutamin sintetase mengkatalisis produksi asparagin dan glutamin dari asam α-amino yang sesuai. Glutamin dihasilkan dari glutamat dengan inkorporasi langsung amonia dan ini merupakan reaksi fixing nitrogen lain. Tetapi asparagin terbentuk oleh reaksi amidotransferase.

Kemosintesis

Kemosintesis terjadi pada organisme autotrof, tepatnya kemo-autotrof, yang mampu menghasilkan senyawa organik yang dibutuhkan dari zat-zat anorganik dengan bantuan energi kimia. Yang dimaksud dengan energi kimia di sini adalah energi yang diperoleh dari suatu reaksi kimia yang berasal dari reaksi oksidasi.

Bakteri kemolitotrof adalah bakteri yang mendapatkan energi dari oksidasi elemen atau senyawa anorganik, seperti ammonia, nitrit, sulfit, hidtrogen, dan lain-lain. Beberapa contoh bakteri kemolitotrof antara lain : bakteri belerang, bakteri besi, bakteri hydrogen. Kemampuan mengadakan kemosintesis ini, terdapat pada mikroorganisme dan bakteri autotrof. Bakteri Sulfur yang tidak berwarna memperoleh energi dari proses oksidasi senyawa H2S. Jangan disamakan dengan bakteri sulfur yang berwarna kelabu-keunguan yang mampu mengadakan fotosintesis karena memiliki klorofil, dengan reaksi sebagai berikut:

CO2 + 2 H2S              CH2O + 2 S +H2O

Bakteri besi memperoleh energi kimia dengan cara oksidasi Fe++ (Ferro) menjadi Ferri. Bakteri Nitrogen dengan melakukan oksidasi senyawa tertentu dapat memperoleh energi untuk mensintesis zat organik yang diperlukan. Bakteri Nitrosomonasdan Nitrococcus memperoleh energi dengan cara mengoksidasi NH3 yang telah membentuk senyawa amonium, yaitu amonium karbonat menjadi asam nitrit, dengan reaksi:

BAKTERI  N ( Nitrosomonas, Nitrococcus)

AMONIUM è NITRIT è

Sumber energi dapat diperoleh dari cahaya (bagi bakteri fototrof) maupun senyawa organik hasil penguraian (bagi bakteri kemotrof). Bakteri fototrof mengandung klorofil sehingga mereka mendapat energi melalui proses fotosintesis. Fototrof dibedakan menjadi dua, yaitu fotoautotrof (fototrof yang mendapat karbon dari CO₂) dan fotoheterotrof (fototrof yang mendapat karbon dari senyawa organik). Sedangkan bakteri kemotrof yang bergantung pada oksidasi senyawa-senyawa kimia untuk memperoleh energinya dibagi menjadi dua, yaitu kemoorganotrof dan kemolitotrof.

Bakteri kemoorganotrof mendapatkan energi dari metabolisme senyawa-senyawa organik, sedangkan kemolitotrof mendapat energi dari oksidasi elemen atau senyawa anorganik, seperti ammonia, nitrit, sulfit, hidtrogen, dan lain-lain. Kemolitotrof dibagi menjadi dua, yaitu autotrofik kemolitotrof (kemolitotrof yang menggunakan karbon dioksida sebagai sumber utama karbon) dan heterotrofik kemolitotrof (kemolititrof yang mendapat sumber karbon dari senyawa organik).

Bakteri pengguna CO2 sebagai sumber karbon seluler utama, ialah bakteri kemolitotrof dan fotolitotrof . Selain itu, kemoorganotrof juga membutuhkan suplai CO2 yang memadai untuk fiksasi CO2 heterotrofik dan untuk sintesis asam lemak. Karbon dioksida secara normal dihasilkan selama katabolisme senyawa organik, oleh karena itu tidak dianggap sebagai faktor pembatas. Beberapa bakteri, seperti Neisseria dan Brucella, memiliki satu atau banyak enzim yang berafinitas rendah terhadap CO2 dan membutuhkan CO2 pada konsentrasi yang lebih tinggi (10%) dibanding CO2 yang terdapat di atmosfir (0,03%). Keadaan ini harus dipertimbangkan untuk kepentingan isolasi dan biakan bakteri tersebut.