Mencerna lemak merupakan salah satu kegiatan rutin manusia sehari-hari, disadari atau tidak. Lemak tentunya masih menjadi komponen gizi favorit sebagian besar masyarakat, bahwa suatu reaksi kimia sedang terjadi ketika sepotong cheesecake atau bratwurst mengalir dalam pembuluh darah merupakan hal yang sangat menarik. Rahasianya adalah pengetahuan sederhana mengenai biokimia metabolisme.
Reaksi metabolisme pemecahan atau oksidasi lemak pada prinsipnyahanyalah reaksi kimia sederhana yakni mengubah lemak menjadi karbondioksida dan air serta bersamaan juga dihasilkan ATP atau energi. Namun pada kejadian sebenarnya, yang terjadi akan sedikit kompleks. Untuk menghasilkan hal tersebut di atas, lemak harus melalui rangkaian panjang reaksi, dari reaksi satu ke reaksi lainnya dan dibantu oleh serangkaian enzim serta organel.
Pintu akhir sebelum lemak komplet dioksidasi menjadi karbondioksida dan air adalah siklus asam sitrat. Siklus asam sitrat yang sangat populer ini merupakan lintas akhir yang sama-sama dilalui oleh karbohidrat dan lemak. Siklus asam sitrat akan mengurai molekul secara enzimatik. Sebagai contoh, lemak, akan dipecah molekulnya menjadi senyawa 2 karbon oleh siklus oksidasi beta asam lemak terlebih dahulu yang akan menghasilkan asetil Koa. Asetil Koa ini baru kemudian masuk ke dalam siklus asam sitrat yang akan menghasilkan CO2 dan hidrogen energi tinggi.
Hidrogen energi tinggi dipisah menjadi proton (H +) dan elektron. Elektron oleh rantai respirasi akan ditransfer pada molekul O2 (atau biasa disebut transpor elektron) kemudian keduanya akan mengalami reduksi menjadi molekul H2O (air). Saat terakhir ini juga dibebaskan energi dalam bentuk ATP oleh reaksi fosforilasi oksidatif.
Oksidasi lemak atau biasa disebut sebagai beta oksidasi lemak terjadi jauh sebelum itu pada organel mitokondria.
[caption id="attachment_408815" align="aligncenter" width="300" caption="Dok Pri"][/caption]
Asam lemak dipindahkan ke dalam sitosol (cairan dalam sel) dari dua sumber. Beberapa asam lemak bebas diperoleh melalui darah, biasanya terikat pada albumin serum. Senyawa lemak ini dibebaskan dan menembus membran sel, untuk kemudian masuk ke dalam sitosol. Sumber yang kedua adalah pemecahan triasilgliserol sel oleh kerja enzim lipase. Meskipun begitu, setelahnya asam lemak bebas tidak dapat langsung begitu saja masuk ke bagian dalam organel sel tempat terjadinya oksidasi lemak (matriks mitokondria) melewati membran, melainkan perlu melalui suatu reaksi enzimatik terlebih dahulu untuk membantunya masuk melewati membran mitokondria.
Sebelum berhasil masuk ke dalam membran mitokondria akan terjadi reaksi antara asam lemak yang dibantu ATP menjadi asil lemak Koa dan pirofosfat anorganik yang terjadi akibat adanya ikatan tioester antara gugus COOH lemak dengan tiol koenzim A. ATP yang diurai menjadi AMP bertujuan untuk membuat lagi ikatan tioester baru.
[caption id="attachment_408816" align="aligncenter" width="300" caption="Dok Pri"]
Ester asil lemak Koa yang dihasilkan belum dapat melewati membran mitokondria kecuali dibantu dengan keberadaan enzim karnitin asiltransferase I yang mengkatalisis reaksi masuknya senyawa melewati membran. Enzim lanjutannya, yakni asil karnitin transferase II yang terletak pada permukaan sebelah dalam dari membran dalam mitokondria, berfungsi untuk memindahkan asil dari karnitin menuju Koa dalam mitokondria untuk kemudian membuat kembali asil lemak-Koa dan membebaskannya dalam matriks. Setelah ini maka asil lemak Koa siap untuk melangsungkan oksidasi komponen asam lemak oleh serangkaian enzim spesifik di dalam matriks mitokondria.
Asam Lemak Dioksidasi
Seperti yang telah disebutkan, proses oksidasi asam lemak terjadi dalam matriks mitokondria. Tahap pertama yang terjadi adalah pelepasan unit 2 karbon secara oksidatif dari ujung gugus karboksil (COOH) lemak menggunakan suatu enzim menghasilkan asetil Koa. Setiap molekul yang dibentukmelepas empat H+. Residu asetil dari asetil Koa yang dihasilkan, setelah dioksidasi akan masuk ke dalam siklus asam sitrat seperti tersebut di atas bersama dengan asetil Koa yang didapat dari glukosa.
TAHAPANNYA:
Oksidasi asam lemak jenuh: Tahap pertama dari oksidasi asam lemak setelah memasuki matriks mitokondria adalah dehidrogenasi I
[caption id="attachment_408817" align="aligncenter" width="300" caption="Dok Pri"]
Dalam kimia dehidrogenasi adalah proses mengubah ikatan tunggal antara rantai karbon menjadi ikatan ganda. Ester asil lemak-S-Koa ditambah energi dari FAD dihidrogenasi oleh enzim dehidrogenase menjadi trans-d2-enoil-S-Koa dan FADH2. Ikatan ganda yang dihasilkan melalui reaksi ini memiliki konfigurasi trans. Juga, ketika reaksi ini terjadi, pada saat yang sama asil lemak-S-Koa juga melepas atom H yang ditransfer pada FAD yang telah berikatan dengan enzim dehidrogenase asil Koa sebagai gugus prostetiknya. Bentuk tereduksi dehidrogenase ini lalu memberikan elektronnya kepada molekul pembawa elektron yang selanjutnya memindahkan pasangan elektron ke ubikuinon pada rantai respirasi mitokondria yang selanjutnya masuk ke lingkaran transpor elektron yang melibatkan oksigen.
Tahapan selanjutnya adalah hidrasi yakni penambahan air pada ikatan ganda trans-d2-enoil-S-Koa menjadi beta hidroksiasil-Koa (ditunjukkan oleh 3-hidroksiasil-Koa) yang dikatalisis oleh enzim enoil koa hidratase (yang telah diisolasi dalam bentuk kristal). Setelah itu adalah tahap dehidrogenasi II setelah dehidrogenasi tahap pertama yang telah dijelaskan. Dehidrogenasi tahap II ini mengubah L-3 hidroksiasil-S-koa menjadi 3 ketoasil koa oleh enzim 3-hidroksiasil-koA dehidrogenase. Pada tahap ini juga dihasilkan NAD+ yang bertindak sebagai penerima elektron spesifik. Pemotongan merupakan tahapan selanjutnya yang harus dijalani. Tahap ini mendapat bantuan dari enzim asetil-Koa asetiltransferase (atau lebih terkenal dengan sebutan tiolase). Intinya enzim ini, melalui proses pemotongan seperti pada reaksi hidrolisis, mereaksikan 3-ketoasil-koA dengan molekul Koa-SH bebas untuk membebaskan potongan 2 karbon karboksil-terminal dari asam lemak asalnya, sebagai asetil-Koa, dan produk sisanya, yaitu ester Koa dari asam lemak semula yang telah direduksi sebanyak dua atom karbon.
Asetil Koa dan ATP
Sebagai contoh kasus, hidrolisis asam palmitat (16 atom karbon), rantainya akan diperpendek menjadi asam lemak asam miristat 14-karbon dan melepas satu unit asetil koa. Setelah itu miristil koA ini kemudian kembali menjalani reaksi oksidasi asam lemak, dengan 4 tahapan serupa (dehidrogenasi I, hidratase, hidrogenasi II, pemotongan), menghasilkan molekul asetil koa kedua dan lauril koA (ester koA dari asam lemak 12 karbon, asam laurat). Setiap molekul FADH2 yang terbentuk selama oksidasi membuat asam lemak akan memberi sepasang elektron ke ubikuinon pada rantai respirasi. Terdapat dua molekul ATP yang dihasilkan dari ADP dan fosfat selama terjadinya transport pasangan elektron ke oksigen dan fosforilasi oksidatif yang berkaitan dengan itu.
Babak kedua: Pada babak kedua proses oksidasi asam lemak, asetil Koa akan dioksidasi melalui siklus asam sitrat. Seperti yang telah diterangkan bahwa pada akhirnya asam lemak akan dikonversi menjadi menjadi karbondioksida dan air melalui siklus asam sitrat.
Kasus Lainnya: Asam Lemak Tidak Jenuh, Asam Lemak Karbon Ganjil
Struktur lemak dalam makanan adalah berbeda-beda tergantung jenisnya. Dalam berbagai literatur kimia organik dijelaskan bahwa lemak ada yang memiliki ikatan jenuh (seluruhnya ikatan tunggal), dan lemak ikatan rangkap. Lemak jenuh dan lemak tak jenuh ini memiliki karakteristik fisik dan kimia yang berbeda. Sebagai contoh, asam lemak jenuh memiliki titik didih lebih tinggi sehingga berbentuk padat pada suhu ruang. Dalam proses oksidasi beta asam lemak ternyata ada beberapa langkah metabolisme berbeda untuk jenis asam lemak yang berbeda.
Pada contoh sebelumnya disebut asam palmitat dan miristat, keduanya merupakan asam lemak jenuh dengan jumlah karbon genap. Untuk asam lemak tidak jenuh atau asam lemak ikatan rangkap, proses oksidasi akan membutuhkan dua tahap enzimatik tambahan. Sebagai info, asam lemak yang banyak ditemukan di alam adalah asam lemak tidak jenuh dengan konfigurasi cis (lawannya trans).
Dua enzim pembantu yang dibutuhkan disini adalah isomerase dan epimerase. Sebagai contoh adalah asam oleat yakni jenis asam lemak tidak jenuh dengan 18 karbon. Setelah masuk tiga kali siklus oksidasi yang menghasilkan 3 asetil Koa dan ester 12 karbon, ternyata terdapat hambatan yakni enzim hidratase enoil Koa tidak dapat mengatalisis ester Koa 12 karbon karena konfigurasinya cis (sementara enzim tsb hanya bisa handle konfigurasi trans). Fungsi enzim isomerase ini adalah mengubah cis-d3-enoil Koa menjadi trans-d3-enoil Koa.
Enzim pembantu lainnya yakni epimerase disini berperan ketika ikatan rangkap yang dimiliki oleh suatu asam lemak itu lebih dari satu (misalnya asam oleat hanya memiliki satu ikatan rangkap sementara linoleat memiliki dua). Langkahnya sama seperti asam lemak oleat, hanya saja produk hasil katalisis hidratase enoil Koa disini konfigurasinya D, epimerase membantu mengubahnya menjadi L.
Oksidasi asam lemak karbon ganjil:
Pada penjelasan sebelumnya dijelaskan proses oksidasi lemak pada lemak-lemak dengan jumlah atom karbon genap (16, 14, 12..dst) karena memang di alam lebih banyak lemak dengan jumlah atom genap. Meskipun begitu lemak dengan jumlah atom karbon ganjil ditemukan dalam jumlah terbatas pada beberapa organisme tanaman dan organisme laut. Asam lemak ini melalui proses beta oksidasi yang sama dengan reduksi dua karbon-dua karbon namun produk akhirnya adalah asetil Koa (2 karbon) dan propionil Koa (3 karbon). Asetil Koa akan otomatis masuk ke dalam siklus asam sitrat sementara propionil Koa akan dikarboksilasi menjadi stereoisomer D molekul metilmalonil-Koa oleh bantuan enzim karboksilase yang mengandung biotin (vitamin B12). Reaksi disini mengubah propionil Koa, ATP, dan CO2 menjadi d metil malonil Koa, AMP, dan pirofosfat. Mg2+ juga diperlukan dalam reaksi ini. D metil malonil Koa ini juga kemudian mendapat bantuan enzim epimerase (mirip pada kasus lemak ikatan rangkap lebih dari satu) untuk mengubah konfigurasi D nya menjadi L.
L metil malonil Koa ini kemudian mengalami penyusunan intramolekular menjadi suksinil Koa yang merupakan senyawa antara siklus asam sitrat. Reaksi ini dibantu dengan enzim metil malonil Koa mutase dan membutuhkan vitamin B12. Suksinil Koa kemudian oleh siklus asam sitrat diubah menjadi oksaloasetat.
Reaksi mutase dari L metil malonil koa menjadi suksinil Koa ini telah lama menjadi perbincangan di kalangan biokimiawan karena merupakan reaksi yang luar biasa karena banyak alasan (tidak dijelaskan disini). Metil malonil Koa, selain menjadi senyawa antara pada reaksi beta oksidasi lemak juga eksis pada reaksi degradasi oksidatif beberapa asam amino yakni asam amino metionin, valin, isoleusin. Beberapa penyimpangan genetik pada metabolisme metil malonil Koa (yakni tidak dapat mengubah metil malonil Koa menjadi suksinil Koa) dapat mengakibatkan penumpukan metil malonil Koa dalam darah sehingga terjadi penurunan pH darah yang pada beberapa kasus dapat mengakibatkan kematian.
Referensi:
Thenawijaya, Maggie. 1982. Dasar-Dasar Biokimia. Jakarta: Penerbit Erlangga.
Baca konten-konten menarik Kompasiana langsung dari smartphone kamu. Follow channel WhatsApp Kompasiana sekarang di sini: https://whatsapp.com/channel/0029VaYjYaL4Spk7WflFYJ2H
