purin dan pirimidin
GLOSARIUM
TAK ARIR
Antioksidan
:
senyawa kimia yang mampu menghambat proses oksidasi
dari senyawa lain.
Enzim : biomolekul berupa protein yang berfungsi sebagai katalis
dalam suatu reaksi kimia organik. Katalis yaitu senyawa
yang berfungsi mempercepat proses reaksi tanpa habis
bereaksi.
Enzim restriksi : disebut juga sebagai endonuklease restriksi yang merupakan
enzim yang memotong molekul DNA. Enzim ini dapat
memotong DNA pada rangka gula-fosfat tanpa merusak basa.
Gugus sulfhidril : suatu senyawa kimia yang mengandung gugus fungsi yang
terdiri dari atom sulfur dan atom hidrogen (-SH).
Hidrolisis : reaksi kimia yang memecah molekul air (H2O) menjadi kation
hidrogen (H+) dan anion hidroksida (OH−) melalui suatu
proses kimia.
Ikatan anhidrida : Anhidrida yaitu suatu senyawa organik yang memiliki dua
gugus asil yang terikat pada atom oksigen yang sama. Yang
umum dijumpai yaitu anhidrida karboksilat. Induk nya
yaitu asam karboksilat.
Ikatan ester : Ikatan ester yaitu suatu ikatan senyawa organik yang
terbentuk melalui penggantian satu (atau lebih) atom hidrogen
pada gugus karboksil dengan suatu gugus organik.
Koenzim : zat yang bekerja dengan enzim untuk memulai atau
membantu fungsi enzim. Koenzim tidak bisa berfungsi sendiri
dan membutuhkan kehadiran enzim.
Koenzim A : sebuah kofaktor yang dikenal karena berperan dalam sintesis
dan oksidasi asam lemak, serta oksidasi asam piruvat dalam
siklus asam sitrat. Semua lintasan biologis yang melibatkan
enzim, ternyata juga memerlukan koenzim A sebagai substrat,
contoh : asetil Ko-A.
Metabolisme : semua reaksi kimia yang terjadi di dalam organisme, termasuk
yang terjadi di tingkat seluler.
Metabolisme satu
karbon
:
metabolisme yang memfasilitasi transfer gugus satu karbon.
Transfer gugus satu karbon difasilitasi oleh salah satu dari tiga
molekul, yaitu Tetrahydrofolate (THF) sebagai kofaktor reaksi
enzimatis, S-adenosylmethionine (SAM) sebagai donor metil
(-CH3), dan Vitamin B12 (Cobalamin) sebagai koenzim dalam
reaksi metilasi dan reaksi penataulangan (rearrangement
reaction).
NAD
(nikotinamida
adenina
dinukleotida)
:
koenzim yang ditemukan di semua sel hidup. Senyawa ini
berupa dinukleotida, yakni mengandung dua nukleotida yang
dihubungkan melalui gugus fosfat, dengan satu nukleotida
mengandung basa adenina dan yang lainnya mengandung
nikotinamida.
NADP
(nikotinamida
adenin
dinukleotida
fosfat)
:
merupakan bentuk terfosforilasi dari NAD. NADP memiliki
gugus fosfat tambahan saat gugus fosfat tambahan tidak ada
dalam molekul NAD.
FAD (Flavin
adenine
dinucleotide)
:
merupakan kofaktor redoks yang berperan dalam beberapa
lintasan metabolisme yang vital. Molekul FAD terdiri dari
riboflavin yang berikat dengan gugus fosfat molekul ADP.
Nukleoprotein : protein yang strukturnya terikat dengan asam nukleat, baik
DNA maupun RNA.
Oksigen
reaktif/radikal
bebas
: suatu molekul, atom atau beberapa grup atom yang
mempunyai satu atau lebih elektron tidak berpasangan pada
orbital terluarnya. Molekul atau atom ini sangat labil dan
mudah membentuk senyawa baru.
Prekursor : zat atau bahan dasar yang dapat digunakan untuk pembuatan
narkotika dan psikotropika.
reaksi endergonik : reaksi yang menyerap energi dari lingkungan.
Scavenger : senyawa-senyawa yang dikenal sebagai penangkap radikal
bebas.
THF
(tetrahidrofuran)
: merupakan senyawa organik heterosiklik dengan rumus kimia
(CH2)4O. Senyawa ini berupa cairan berviskositas rendah dan
memiliki aroma seperti dietil eter.
Brush border
enzyme
: enzim pencernaan yang terletak di membran mikrovili pada
sel epitel intestinal.
Enterocyte : sel serap usus, sel-sel epitel kolumnar sederhana yang
ditemukan di usus halus.
Chyme : makanan yang telah berbentuk bubur di dalam usus halus.
Sitokin : suatu molekul protein yang dikeluarkan oleh sel ketika
diaktifkan oleh antigen. Sitokin terlibat dalam komunikasi sel-
sel, bertindak sebagai mediator untuk meningkatkan respon
imun melalui interaksi dengan reseptor permukaan sel
tertentu pada leukosit.
Kemokin : molekul protein kecil yang diproduksi oleh sel-sel dari sistem
kekebalan tubuh. Kemokin bertindak sebagai kemoatraktan,
menyebabkan migrasi sel kekebalan ke situs infeksi sehingga
mereka dapat menargetkan dan menghancurkan penyerang
tubuh seperti mikroba.
Sintesis de novo : pembentukan sebuah molekul penting dari molekul prekursor
sederhana.
Uricolysis : metabolisme asam urat terutama didalam tubuh.
Transporter : senyawa yang bertugas memindahkan molekul dan ion untuk
melintasi membran, senyawa ini biasanya tersusun oleh
protein.
Efflux pump : transporter mengandung protein yang terlokalisasi di
membran sitoplasma dari semua jenis sel. Mereka yaitu
transporter aktif yang membutuhkan sumber energi kimia
untuk menjalankan fungsinya.
Ekspresi gen : rangkaian proses penerjemahan informasi genetik (dalam
bentuk urutan basa pada DNA atau RNA) menjadi protein.
Polimorfisme : ketika dua atau beberapa fenotip yang berbeda berada dalam
populasi suatu spesies – atau dapat pula diartikan sebagai
kemunculan lebih dari satu bentuk.
GWAS : genome-wide association study, yaitu sebuah studi
observasional dari serangkaian varian genetik pada individu
147
yang berbeda. Studi ini bertujuan untuk melihat apakah ada
varian yang terjadi terkait dengan suatu sifat.
Artritis : peradangan sendi, peradangan ini dapat memengaruhi
beberapa sendi
Hematopoietic : Peristiwa pembuatan sel darah.
Pegylation : merupakan proses penambahan gugus PEG (polyethylene
glycol) pada sebuah produk dengan tujuan menyamarkan
produk ini dari diserang oleh sistem kekebalan tubuh
seseorang untuk mengurangi kemungkinan imunogenisitas.
BAB 1. NUKLEOTIDA
Garis besar
a. Basa nitrogen: purin dan pirimidin
b. Nukleosida
c. Nukleotida dan polinukleotida
d. Fungsi nukleotida
1.1. Basa nitrogen: purin dan pirimidin
Basa nitrogen yaitu senyawa organik yang mengandung Nitrogen dan
bersifat basa. Dikenal dua jenis basa nitrogen, yaitu purin dan pirimidin. Purin disusun
dari cincin yang memiliki dua cincin yaitu cincin lima dan cincin enam yang masing
masing mengandung dua nitrogen. Pirimidin hanya memiliki cincin enam yang
mengandung dua nitrogen (Gambar 1.1).
Ada empat macam purin dan empat macam pirimidin penting, yaitu
Purin (Gambar 1.2.)
Adenin : 6-amino purin
Guanin : 2-amino-6-oksipurin
Hipoxanthin : 6-oksipurin
Xanthin : 2,6-dioksipurin
Adenin dan guanin ada pada asam nukleat, baik DNA maupun RNA.
Hipoxanthin dan xanthin tidak merupakan bagian dari asam nukleat tetapi
merupakan senyawa antara penting dalam biosintesis dan biodegradasi nukleotida
purin.
Gambar 1.2. Struktur kimia adenin, guanin, hipoxanthin dan xanthin
Pirimidin (Gambar 1.3)
Urasil : 2,4-dioksi pirimidin
Timin : 2,4-dioksi-5-metil pirimidin
Sitosin : 2-oksi-4-amino pirimidin
Asam Orotat : 2,4-dioksi-6-karboksi pirimidin
Sitosin ada baik pada DNA maupun RNA. Urasil hanya ada pada RNA.
Timin hanya ada pada DNA. tRNA tertentu mengandung timin dan urasil.
1.2. Nukleosida
Jika gula, baik ribosa atau 2-deoksiribosa, berikatan dengan basa nitrogen,
dihasilkan nukleosida (Gambar 1.4 dan 1.7). Karbon no.1 dari gula melekat pada
nitrogen no. 9 dari basa purin atau nitrogen 1 dari basa pirimidin. Nama nukleosida
purin diakhiri dengan akhiran -osin dan nama nukleosida pirimidin diakhiri dengan -
idin. Disepakati bahwa nomer dengan “aksen” digunakan untuk atom cincin basa,
misal 1’, untuk membedakan dengan atom cincin dari gula. Jika tidak disebut lain
maka yang dimaksud dengan gula yaitu ribosa. Untuk membedakan dengan 2'-
deoksiribosa, digunakan tanda d- sebelum namanya. Beberapa senyawa yang perlu
disebut yaitu
Adenosin (Gambar 1.5.)
Guanosin (Gambar 1.5.)
Inosin : basa dari inosin yaitu hipoxanthin (Gambar 1.2 dan1.5.)
Uridin (Gambar 1.6.)
Timidin (Gambar 1.6.)
Sitidin (Gambar 1.6.)
1.3. Nukleotida dan polinukleotida
Penambahan satu atau lebih fosfat pada gula akan mengubah nukleosida
menjadi nukleotida. Umumnya, fosfat diikat dengan ikatan ester pada karbon no. 5
dari gula. Jika lebih dari satu fosfat, umumnya terjadi ikatan anhidrida dengan
sesama fosfat. Untuk itu tidak diperlukan sandi nomer untuk menyatakan posisinya.
Jika fosfat terletak pada posisi lainnya, maka posisi tsb harus ditandai dengan nomer.
Misal 3'-5' cAMP (Gambar 1.8.) yang berarti fosfat terikat dengan ikatan ester baik
untuk gugus hidroksi 3’ maupun 5’. Dari molekul adenosin dapat dibentuk struktur
siklis. 2'-GMP berarti bahwa fosfat dalam keadaan berikatan ester pada gugus
hidroksi 2’ dari guanosin.
Beberapa contoh senyawa yang perlu disebut antara lain
AMP : adenosin monofosfat , asam adenilat (Gambar 1.7)
CDP : sitidin difosfat
dGTP : deoksi guanosin trifosfat
dTTP : deoksi thimidin trifosfat (kadang dikenal sebagai TTP)
cAMP : 3'-5' siklis adenosin monofosfat (Gambar 1.8.)
Nukleotida-nukleotida dapat berikatan satu sama lain dengan ikatan 3'-5'
fosfodiester sehingga membentuk polinukleotida. Polimerisasi ribonukleotida akan
menghasilkan RNA sedangkan polimerisasi deoksiribonukleotida menghasilkan
DNA.
6
Tabel 1.1. Tatanama basa asam nukleosida dan nukleotida
Basa purin Ribonukleosida Ribonukleotida
Adenin (A) Adenosin Adenosin monofosfat (AMP)
Guanin (G) Guanosin Guanosin monofosfat
Hipoxanthin Inosin Inosin monofosfat
Xanthin (X) Xanthosin Xanthin monofosfat
Deoksiribonuklesida Deoksiribonukleotida
Adenin (A) Deoksiadenosin Deoksiadenosin 5’monofosfat (dAMP)
Guanin (G) Deoksiguanosin Deoksiguanosin 5’monofosfat (dGMP)
7
1.4. Fungsi nukleotida dalam sel
Nukleotida merupakan komponen yang dijumpai di banyak jaringan
organisme. Senyawa tsb aktif berpartisipasi di sebagian besar reaksi metabolisme.
Misal
ATP (adenosin trifosfat) yang berfungsi bagaikan mata uang,
sebagai mata uang energi (energy currency) dalam sel;
GTP berfungsi sebagai sumber energi antara (immediate energy
source) yang mengendalikan reaksi endergonik sintesis protein;
nukleotida uridin yang berperan dalam transformasi karbohidrat;
biosintesis fosfolipid yang terjadi melalui turunan nukleotida sitosin;
berfungsi sebagai koenzim, misal koenzim A, NAD, NADP, dan
FAD, yang merupakan turunan nukleotida;
berperan dalam regulasi metabolisme, sebagai respon dari enzim-
enzim kunci metabolisme antara ke konsentrasi relatif dari AMP.
ADP dan ATP,
Turunan siklis nukleotida purin, cAMP dan cGMP yang tidak
berperan dalam metabolisme kecuali dalam regulasi;
Sebagai monomer dari asam-asam nukleat;
Deoksinukleosida trifosfat (dNTPs) dan nukleosida trifosfat (NTPs)
melayani masing masing sebagai substrat antara untuk biosintesis
DNA dan RNA; dan
Bagian dari RNA. Tanpa RNA, biosintesis protein dan DNA sehingga
tidak terjadi replikasi materi genetik dan pembelahan sel tidak
terjadi.
1.5. Penutup
Purin dan pirimidin merupakan molekul yang penting dan berperan dalam
banyak reaksi biokimia yang penting bagi kelangsungan hidup sehat dan normal.
Kedua senyawa tsb dan senyawa turunannya dapat dibentuk atau disintesis oleh
tubuh dan tidak tergantung pada asupan dari luar (makanan).
8
Latihan soal
A. Uraikan jawaban dengan jelas untuk pertanyaan dibawah ini!
1. Apakah perbedaan antara purin dan pirimidin?
2. Sebutkan contoh dari purin dan pirimidin!
3. Sebutkan tiga komponen utama penyusun nukleotida?
4. Apakah perbedaan antara nukleosida dengan nukleotida?
5. Apakah perbedaan struktur kimia deoksinukleotida dengan ribonukleotida?
6. Apakah yang dimaksudkan dengan ujung 3’ dan 5’?
7. Mengapa urutan nukleotida pada DNA dan/atau RNA berperan sangat
penting?
B. _______________________
1. Basa purin disusun oleh....
a. Cincin lima dan cincin enam yang masing-masing mengandung basa
nitrogen
b. Dua cincin enam yang masing-masing mengandung basa nitrogen
c. Cincin enam yang masing-masing mengandung dua basa nitrogen
d. Dua cincin lima yang mengandung dua basa nitrogen
e. Dua cincin lima dan dua cincin enam dengan basa nitrogen
2. Berikut ini merupakan basa purin, kecuali....
a. Adenin
b. Guanin
c. Urasil
d. Xanthin
e. Hipoxanthin
3. Berikut ini merupakan basa pirimidin, kecuali....
a. Urasil
b. Timin
c. Sitosin
d. Xanthin
e. Asam orotat
4. Penambahan satu atau lebih fosfat akan mengubah nukleosida menjadi....
9
a. Adenosin
b. Inosin
c. Guanosin
d. Nukleotida
e. Asam amino
5. Ikatan yang terbentuk ketika fosfat berikatan pada gula yaitu ....
a. Ikatan ester dan anhidrida
b. Ikatan van der waals dan ikatan ion
c. Ikatan ester dan ikatan ion
d. Ikatan van der waals dan ikatan anhidrida
e. Ikatan ester dan ikatan van der waals
6. Nukleotida-nukleotida dapat berikatan satu sama lain dengan ikatan 3’-5’
fosfodiester sehingga membentuk....
a. Polinukleotida
b. Poliester
c. Polimer
d. Polinukleosida
e. Poliamino
7. Berikut ini merupakan beberapa peran nukleotida pada sebagian besar
reaksi metabolisme, kecuali....
a. Nukleotida uridin berperan dalam transformasi karbohidrat
b. Biosintesis fosfolipid yang terjadi melalui turunan nukleosida sitosin
c. Berfungsi sebagai koenzim
d. Berfungsi sebagai kofaktor enzim
e. Berperan dalam regulasi metabolisme
8. Biosintesis purin tergantung dari adanya....
a. Asam asetat
b. Asam folat
c. Asam fumarat
d. Asam glutamat
e. Asam fosfat
9. Produk utama dari jalur sintesis purin yaitu .... yang berperan sebagai....
a. PABA; sebagai prekursor IMP dan GMP
b. IMP; sebagai prekursor AMP dan GMP
10
c. AMP; sebagai prekursor IMP
d. GMP; sebagai prekursor PABA
e. IMP; sebagai prekursor PABA dan GMP
10. Enzim yang berperan dalam perubahan IMP menjadi GMP yaitu ....
a. IMP dehidrogenase dan GMP sintetase
b. IMP sintetase dan GMP dehidrogenase
c. IMP dehidrogenase dan Adenilosuksinat sintetase
d. Adenilosuksinat sintetase dan GMP sintetase
e. IMP sintetase dan GMP sintetase
METABOLISME
PURIN
Garis besar
a. Biosintesis purin
b. Biosintesis AMP dan GMP dari IMP
c. Regulasi biosintesis purin
d. Biosintesis nukleosida difosfat dan trifosfat dari nukleosida monofosfat
e. Penyelamatan purin (Purine Salvage)
f. Biodegradasi purin menjadi asam urat
g. Kelebihan asam urat (hiperurisemia, gout, Lysch-Nyhan Syndrome, dan
Severe Combined Immunodeficiency Syndrome (SCID).
2.1. Biosintesis purin
Penemuan jalur biosintesis purin diawali dari penelitian tentang urin burung, terutama
rentetan reaksi metabolisme pembentukan asam urat, suatu analog purin yang tak
larut air. Penelitian dilakukan dengan bantuan teknik radioaktif yang dimulai dari
penelusuran radioaktif mulai dari asupan makanan yang mengandung asam nukleat
12
radioaktif, penyebaran senyawa antara metabolisme asam nukleat, dan hasil akhir
peruraiannya, terutama pembentukan asam urat. Hasil penelusuran radioaktif tsb
menunjukkan bahwa berbagai sumber senyawa diperlukan untuk menyusun ke
sembilan atom cincin purin (Gambar 2.1 dan 2.2), yaitu
Asam aspartat (N-1),
Glutamin (N-3 dan N-9),
Glisin (C-4, C-5, dan N-7),
CO2 (C-6), dan
turunan satu-karbon Tetrahidrofolat (Gambar 2.5.) (THF one-carbon
derivatives) (C-2 and C-8). Koenzim THF berperan dalam
metabolisme satu-karbon.
Dalam biosintesis purin, atom-atom pembentuk purin ditambahkan secara bertahap
ke ribosa-5-fosfat, sehingga purin disintesis langsung sebagai nukleotida oleh
perakitan atom-atom penyusun cincin purin langsung ke ribosa (Gambar 2.1.).
Proses ini berbeda dengan sintesis pirimidin (Bab 3).
Gambar 2.2. Lima senyawa asal pembentuk ke sembilan sistem cincin purin
Biosintesis purin sangat tergantung pada ketersediaan asam folat (Gambar 2.4.).
Tahap tertentu (tahap 4 dan 10) memerlukan asam folat. Oleh karena itu, senyawa
penghambat dalam metabolisme folat, misal methotrexate, dapat menghambat
biosintesis purin, tetapi baik untuk sintesis asam nukleat, pertumbuhan dan
pembelahan sel. Oleh karena itu bisa dipahami bahwa pembelahan sel yang cepat,
misal bakteri yang ganas dan menimbulkan infeksi lebih peka terhadap antagonist
daripada yang tumbuh lambat (sel normal). Antagonis metabolisme asam folat antara
lain sulfonamida (Gambar 2.5.). Asam folat yaitu vitamin yang dapat diperoleh dari
makanan. Tetapi bakteri dapat mensintesis asam folat dari prekursor, termasuk p-
aminobenzoic acid (PABA), dan oleh karena itu lebih peka terhadap antagonist
daripada sel-sel manusia/hewan (Gambar 2.5.). Produk pertama dari jalur sintesis
purin yaitu IMP (asam inosinat atau inosin monofosfat) (Gambar 2.1.) yang
berperan sebagai prekursor AMP dan GMP.
Sulfonamida sebagai salah satu obat sulfa, memiliki daya antibiotika karena
keserupaannya dengan p-aminobenzoat (PABA), suatu prekursor penting untuk
sintesis asam folat. Sulfonamida memblokir pembentukan asam folat karena
berkompetisi dengan PABA.
15
Gambar 2.4. Struktur kimia asam folat
Ribose-5-fosfat + pirofosfat
PRPPS
5-fosforibosil-1-pirofosfat (PRPP)
Glutamin
APRT
Glutamate
5-fosforibosil-1-amina
ATP GTP
adenosine monofosfat Inosin monofosfat guanosin monofosfat
(AMP) (IMP) (GMP)
Gambar 2.4. Skema jalur biosintesis purin
Gambar 2.5. Struktur sulfonamida, PABA dan THF
2.2. Sintesis AMP dan GMP dari IMP
Ada dua reaksi sintesis menyerupai tahap 9 dari jalur purin yang menghasilkan IMP
(Gambar 2.1.).
16
a. Pada tahap 1, 6-O-inosin diganti oleh aspartat sehingga menghasilkan
adenilosuksinat. Energi yang diperlukan berasal dari hidrolisis GTP.
Enzim yang berperan yaitu adenilosuksinat sintetase. AMP yaitu
inhibitor kompetitif (dalam hal ini dengan substrat IMP) adenilosuksinat
sintetase (Gambar 2.6.).
b. Pada tahap 2, adenilosuksinase (juga dinamakan adenilosuksinat liase,
enzim yang sama mengkatalisis tahap 9 dari jalur purin) melaksanakan
pelepasan nonhidrolitik fumarat dari adenilosuksinat, menghasilkan AMP
(Gambar 2.6.).
Gambar 2.6. Sintesis
AMP dan GMP dari
IMP
Dua reaksi sintesis GMP dari IMP yaitu oksidasi yang memerlukan NAD+ (NAD+-
dependent oxidation), dan kemudian diikuti dengan reaksi amidotransferase.
a. Pada tahap 1, IMP dehydrogenase menggunakan substrat NAD+ dan H2O
dalam mengkatalisis oksidasi IMP di C-2. Produknya yaitu asam xanthilat
(XMP atau xanthosin monofosfat), NADH, dan H+. GMP yaitu inhibitor
kompetitif (terhadap IMP) IMP dehidrogenase.
17
b. Pada tahap 2, terjadi transfer amido-N dari glutamin ke posisi C-2 XMP
menghasilkan GMP. Reaksi yang memerlukan ATP ini dikatalisis oleh GMP
sintetase. Disamping GMP, produk lainnya yaitu glutamat, AMP, dan PPi.
Hidrolisis PPi menjadi dua Pi dikatalisis oleh pirofosfatase sehingga membuat
reaksi ini tuntas.
IMP yaitu prekursor baik untuk AMP maupun GMP. Nukleotida utama purin
dibentuk melalui dua tahap jalur metabolisme yang berasal dari IMP. Cabang yang
menghasilkan AMP (adenosin 5'-monofosfat) melibatkan penggantian gugus 6-O -
inosin dengan aspartat (Gambar 2.6.) dalam reaksi yang memerlukan GTP (GTP-
dependent reaction), diikuti oleh penghilangan skeleton 4-karbon dari aspartat secara
non hidrolitik sebagai fumarat. Gugus amino Asp tetap sebagai gugus 6-amina dari
AMP. Adenilosuksinat sintetase dan adenilosuksinase yaitu dua enzim yang
berperan. Perlu dicatat bahwa adenilosuksinase juga berperan pada tahap 9 jalur
dari ribosa-5-fosfat menjadi IMP. Produksi fumarat membuat keterkaitan atau
hubungan antara sintesis purin dengan siklus asam sitrat.
Pembentukan GMP dari IMP memerlukan oksidasi pada C2 cincin purin diiikuti oleh
reaksi amidotransferase yang memerlukan glutamin (glutamine-dependent
amidotransferase reaction) yang mengganti oksigen pada C-2 dengan gugus amino
sehingga menghasillkan 2-amino,6-oxy purine nucleoside monophosphate, atau
dikenal sebagai guanosine monophosphate (GMP). Enzim yang berperan dalam
cabang GMP yaitu IMP dehidrogenase dan GMP sintetase. Mulai dari ribosa-5-
fosfat, 8 ATP dikonsumsi dalam sintesis AMP dan 9 ATP dalam sintesis GMP.
Siklus nukleotida purin: jalur anaplerotik dalam otot rangka. Deaminasi AMP menjadi
IMP oleh AMP deaminase (Gambar 2.6) diikuti oleh resintesis AMP dari IMP oleh
enzim-enzim dari jalur purin de novo, adenylosuccinate synthetase dan
adenylosuccinate lyase, sehingga terbentuk siklus nukleotida purin (Gambar 2.6.).
Siklus ini mengkonversi aspartat menjadi fumarat plus NH4
+. Meskipun siklus ini
tampak banyak mengkonsumsi energi, tetapi berperan penting dalam metabolisme
energi di otot rangka. Fumarat yang dihasilkan mengisi kembali senyawa antara
siklus asam sitrat yang hilang dalam reaksi samping amphibolik. Otot rangka
umumnya kurang enzim-enzim anaplerotik dan mengandalkan peningkatan aktivitas
18
AMP deaminase, adenilosuksinat sintetase, dan adenilosuksinat liase sebagai
kompensasinya.
Gambar 2.7.Siklus nukleotida purin untuk pengisian kembali anaplerotik
siklus asam sitrat di otot rangka
2.3. Regulasi biosintesis purin
Jejaring pengendalian regulasi sintesis purin diskemakan pada Gambar 2.8. Jalur
biosintesis purin dari ribosa-5-fosfat menjadi IMP diregulasi secara allosterik pada
dua tahap pertama. Ribosa-5-fosfat pirofosfokinase, meskipun bukan merupakan
tahap komitmen dalam sintesis purin, merupakan subyek dari penghambatan umpan
balik oleh ADP dan GDP.
Gambar 2.8. Skema sistem regulasi pengendalian biosintesis purin
ADP dan GDP merupakan inhibitor umpan balik dari ribosa-5-fosfat pirofosfokinase
(ribose-5-phosphate pyrophosphokinase) reaksi pertama dari jalur biosintesis purin.
Enzim kedua yaitu glutamin fosforibosil pirofosfat amidotransferase, memiliki dua
situs atau tapak penghambatan umpan balik yang berbeda, satu untuk nukleotida A,
dan yang lain untuk nukleotida G. Enzim ini diaktivasi secara allosterik oleh PRPP.
Pada cabang yang mengubah IMP menjadi AMP, enzim pertama nya dihambat
umpan balik oleh AMP, sedangkan enzim di cabang yang mengubah IMP menjadi
GMP dihambat umpan balik oleh GMP. Sumber energi ATP digunakan untuk sintesis
GMP, sedangkan GTP digunakan sebagai sumber energi untuk sintesis AMP. Enzim
yang mengkatalisis tahap berikutnya yaitu glutamin fosforibosil pirofosfat
amidotransferase, memiliki dua situs allosterik. Satu diikat oleh kelompok “A”,
nukleosida fosfat (AMP, ADP, dan ATP) sehingga terjadi penghambatan umpan
balik. Yang lain diikat kelompok “G”. PRPP berperan sebagai “feed-forward” aktivator
dari enzim ini. Jadi kecepatan pembentukan IMP oleh jalur ini dikendalikan oleh kadar
produk akhir, yaitu nukleotida adenin dan guanin.
Jalur purin bercabang pada IMP. Enzim pertama pada cabang AMP, adenilosuksinat
sintetase, dihambat secara kompetitif oleh AMP. Pada cabang GMP, IMP
dehidrogenase, dihambat oleh GMP. Jadi nasib IMP ditentukan oleh kadar relatif
AMP dan GMP, sehingga defisiensi nukleotida purin dapat dikoreksi sendiri. Regulasi
resiprokal merupakan mekanisme yang efektif untuk keseimbangan pembentukan
AMP dan GMP sesuai dengan kebutuhan sel. Reprositas juga dapat dilihat dari
20
jumlah masukan energi: GTP menyediakan energi untuk sintesis ATP, kemudian
ATP menyediakan energi untuk sintessis GTP (Gambar 2.8).
2.4. Sintesis nukleotida purin difosfat dan trifosfat dari nukleotida monofosfat
Produk biosintesis purin yaitu nukleotida monofosfat (AMP dan GMP). Nukleotida
tsb kemudian dikonversi melalui serentetan reaksi fosforilasi sehingga dibentuk
trifosfat, ATP dan GTP. Fosforilasi pertama, menghasilkan nukleotida difosfat yang
dikatalisis oleh dua kinase yang memerlukan ATP, yaitu adenilat kinase dan guanilat
kinase.
Adenilat kinase: AMP + ATP → 2 ADP
Guanilat kinase: GMP + ATP → GDP + ADP
Kedua kinase nukleotida monofosfat berperan juga pada deoksinukleotida
monofosfat sehingga menghasilkan dADP atau dGDP.
Fosforilasi oksidatif bertanggungjawab terutama untuk konversi ADP menjadi
ATP. ATP berperan sebagai donor fosforil untuk sintesis nukleotida trifosfat lainnya
dari NDPs terkait dalam reaksi yang dikatalisis oleh nukleosida difosfat kinase, suatu
enzim yang tidak spesifik. Misal
GDP + ATP →GTP + ADP
Karena enzim ini bersifat reversibel dan tidak spesifik dalam hal aseptor dan donor
fosforil, maka NDP apapun dapat difosforilasi oleh NTP apapun, dan sebaliknya.
Jumlah yang lebih banyak dari ATP dari semua nukleotida trifosfat lainnya berarti
bahwa, secara kuantitatif, merupakan substrat utama dari substrat difosfat kinase.
Enzim ini tidak membedakan antara molekul ribosa dari nukleotida dan
fungsinya dalam transfer fosforil mencakup deoxy-NDPs dan deoxy-NTPs juga.
2.5. Penyelamatan purin (Purine Salvage)
Pergantian asam nukleat (Nucleic acid turnover, sintesis dan degradasi) yaitu
proses yang berkelanjutan. Khususnya, messenger RNA sangat aktif disintesis dan
didegradasi. Proses degradasi tsb menghasilkan purin bebas dalam bentuk adenin,
guanin, dan hipoxanthin (bahan dasar IMP). Senyawa-senyawa tsb merupakan
investasi metabolik. Jalur penyelamatan (salvage pathway) dapat mengubahnya
21
menjadi bentuk yang bermanfaat. Reaksi penyelamatan melibatkan resintesis
nukleotida dari basa-basa melalui fosforibosiltransferase.
Basa + PRPP→ nukleosida-5'-fosfat + PPi
Hidrolisis lebih lanjut dari PPi menghasilkan fosfat inorganik oleh pirofosfatase
membuat reaksi fosforibosiltransferase bersifat irreversibel.
Gambar 2.9.Biosintesis PRPP dari R-5-P dan ATP
Purin fosforibosiltransferase yaitu adenin fosforibosiltransferase (APRT), yang
memediasi pembentukan AMP, dan hipoxanthin-guanin fosforibosiltransferase
(HGPRT), yang dapat bertindak baik perubahan hipoxanthin menjadi IMP atau
guanin menjadi GMP
Gambar 2.10. Skema penyelamatan purin
Penyelamatan purin memerlukan hipoxanthin dan guanin dan mengiatkan dengan
PRPP sehingga membentuk nukleotida melalui reeaksi HGPRT. Hilangnya aktivitas
HGPRT akan menimbulkan sindrom Lysch-Nyhan. Pada sindrom Lysch-Nyhan,
sintesis purin meningkat sekitar 200 kali sehingga terjadi peningkatan asam urat
dalam darah (Gambar 2.10 dan 2.11).
Penyelamatan basa purin dan nukleosida dapat membentuk kembali nukleotida
(hampir 90%). Fosforibosilasi purin bebas (Pu) dengan bantuan PRPP menghasilkan
purin 5’-monofosfat.
Pu + PPRP →Pu-RP + PPi
Fosforilasi langsung ribonukleotida (PuR) dengan bantuan ATP
PuR + ATP →PuRP + ATP
Jalur sintesis: baik purin maupun pirimidin memiliki sistem sintesis yang berbeda
secara de novo dan salvage (daur ulang dari nukleosida). Biosintesis de novo dapat
diumpamakan sebagai produksi mobil jadi, sedangkan jalur penyelamatan dapat
diumpamakan sebagai perakitan mobil. Biosintesis merupakan tahap “committed”,
yaitu tahap “point of no return” (irriversible), terjadi pada awal jalur biosintesis, dan
sering diregulasi oleh produk akhir (feedback inhibition).
2.6. Biodegradasi purin menjadi asam urat
Katabolisme berbagai nukleotida purin mengarah ke pembentukan asam urat. Jalur
utama katabolisme purin pada hewan diskemakan pada Gambar 2.12. Berbagai
nukleotida dikonversi pertama-tama menjadi nukleosida oleh nukleotidase
intraseluler. Nukleotidase tsb diregulasi dengan ketat sehingga substratnya yang
berfungsi di banyak proses vital, tidak berada dalam keadaan kurang dibawah
ambang batas. Nukleosida didegradasi oleh enzim purine nucleoside phosphorylase
(PNP) dan melepaskan basa purin dan ribosa-l-P. Baik adenosin atau
deoksiadenosin yaitu substrat untuk PNP. Sebaliknya, nukleosida-nukleosida tsb
dikonversi menjadi inosin oleh adenosine deaminase. Produk PNP digabung dengan
xanthin oleh guanin deaminase dan xanthin oxidase, dan xanthin kemudian
dioksidasi menjadi asam urat oleh enzim tsb.(
Enzim kunci yang berperan dalam pembentukan asam urat yaitu Xanthine Oxidase
Xanthin oxidase banyak ada pada hati, mukosa usus dan susu. Enzim ini mampu
mengoksidasi hipoxanthin menjadi xanthin dan xanthin menjadi asam urat (Gambar
2.14). Xanthin oxidase merupakan enzim yang agak “sembarangan”, yang
mengunakan oksigen molekuler untuk mengoksidasi berbagai purin, pteridin, dan
aldehida, menghasilkan H2O2. Xanthin oxidase mempunyai pusat FAD, nonheme Fe-
S, dan kofaktor molybdenum sebagai gugus prostetis untuk transfer elektron.
Produk akhir dari katabolisme purin yaitu asam urat. Mammalia selain manusia
memiliki enzim urate oksidase dan mengekskresikan allantoin (Gambar 2.16) yang
mudah larut sebagai produk akhir. Manusia tidak mempunyai enzim tsb sehingga
urat menjadi produk akhir. Asam urat dibentuk terutama di hati dan dieksresikan oleh
ginjal lewat urin (Gambar 2.11.).
a. Tahap perubahan Nukleotida menjadi basa nitrogen
Nukleotida guanin dihidrolisis menjadi nukleosida guanosin yang mengalami
fosforolisis menjadi guanin dan ribosa 1-P. Nukleotidase intraseluler pada manusia
tidak terlalu aktif terhadap AMP. Bahkan AMP diaminasi oleh enzim adenilat (AMP)
deaminase menjadi IMP. Dalam katabolisme nukleotida purin, IMP kemudian
didegradasi melalui proses hidrolisis yang dikatalisis oleh nukleotidase menjadi
inosin dan kemudian mengalami fosforolisis menjadi hipoxanthin.
Adenosin tidak dibentuk tetapi biasanya berasal dari S-Adenosylmethionine selama
reaksi transmetilasi. Adenosin diaminasi menjadi inosin oleh enzim adenosin
deaminase. Kekurangan baik adenosin deaminase atau purin nukleosida fosforilase
memicu dua jenis penyakit immunodefisiensi yang mekanismenya belum
diketahui dengan jelas.
Pada defisiensi adenosin deaminase, kedua immunitas sel T dan B dipengaruhi.
Defisiensi Fosforilase memengaruhi sel-sel T tetapi sel-sel B nya normal. Pada
September 1990, seorang anak perempuan usia 4 tahun yang mengalami defisiensi
adenosine deaminase diterapi dengan memasukkan gen penganti ke sel-selnya
(Terapi gen). Keberhasilan pengobatan terapi gen masih terus dijajagi
keberhasilannya.
Purin yang termetilasi atau tidak dikatabolisme tergantung pada lokasi gugus metil
nya. Jika metil terletak pada -NH2, dilepas bersama dengan -NH2 dan intinya
dimetabolisme sebagaimana biasa. Jika metil ada pada nitrogen cincin, senyawa
diekskresikan bersama urin tanpa perubahan.
b. Tahap perubahan dari basa nitrogen menjadi asam urat
Nukleotida adenin dan guanin bertemu dengan senyawa antara xanthin. Hipoxanthin,
mewakili adenin asli, dioksidasi menjadi xanthin oleh enzim xanthin oxidase. Guanin
27
dideamniasi dan melepas gugus amino sebagai ammonia, sehingga menjadi xanthin.
Jika proses ini terjadi dalam jaringan selain hati, sebagian besar ammonia akan
ditransport ke hati sebagai glutamin agar dapat dieksresikan sebagai urea.
Xanthin, seperti hipoxanthin, dioksidasi oleh oksigen dengan bantuan xanthin
oxidase sehingga menghasilkan hidrogen peroksida yang kemudian didegradasi oleh
katalase. Xanthin oxidase ada banyak hanya di hati dan usus. Jalur nukleotida,
kemungkinan menjadi basa bebas, ada di banyak jaringan.
2.7. Kelebihan asam urat
a. Hiperurisemia dan gout: kelebihan asam urat
Hiperurisemia yaitu suatu keadaan peningkatan secara kronik kadar asam urat
dalam darah. Keadaan ini bisa disebabkan oleh gangguan pada katabolisme purin,
gangguan dalam ekskressi asam urat oleh ginjal, dan/atau asupan makanan yang
banyak mengandung purin Penyebab biokimiawi dari gout bervariasi. Berbeda
dengan asam urat, hipoxanthin dan xanthin tidak terakumulasi hingga mencapai
konsentrasi yang berbahaya sebab keduanya lebih mudah larut air sehingga lebih
mudah diekskresikan.
Gout yaitu istilah klinis untuk menggambarkan konsekuensi fisiologis dari asam
urat yang berlebihan dalam cairan tubuh. Asam urat dan garam urat tak larut air dan
cenderung mengendap jika ada dalam jumlah banyak. Simptom utama yang
umum dijumpai yaitu nyeri rematik (arthritic pain) pada sendi-sendi sebagai hasil
dari endapan urat di tulang rawan. Jari kaki besar biasanya rentan. Kristal urat juga
biasa ditemukan pada batu ginjal dan dapat menimbulkan rasa sakit karena
penyempitan saluran kemih.
Gout yaitu kondisi patologis yang ditandai dengan melebihi standar kadar asam
urat di darah (3-7 mg/dl normal). Hiperurisemia tidak selalu simptomatik, tetapi pada
individu tertentu sering memicu endapan kristal sodium urat di sendi sendi dan
jaringan. Biasanya disertai dengan nyeri ekstrem. Istilah gout harus dibatasi pada
hiperurisemia dengan adanya deposit tophi.
Asam urat yang tak berdissosiasi. Garam monosodium sedikit larut di darah.
Rendahnya kelarutan tsb sesungguhnya tidak mengganggu urin kecuali urin dalam
keadaan sangat asam atau mengandung banyak [Ca2+]. Garam urat mengendap
bersama garam calcium dan dapat membentuk batu ginjal atau empedu. Pada
konsentrasi yang tinggi, urat dalam darah dapat menimbulkan gout.
Urat dalam darah dapat mengakumulasi karena produksinya yang berkelebihan atau
ekskresinya terganggu/berkurang. Pada gout yang disebabkan oleh overproduction
dari asam urat, kerusakan dalam mekanisme kontrol menentukan produksi prekursor
nukleotida, tidak langsung asam urat. Pengendalian utama produksi urat yang
diketahui yaitu ketersediaan substrat (nukleotida, nukleosida atau basa bebas).
Pendekatan pengobatan gout biasanya dilakukan dengan pemberian allopurinol,
suatu isomer hipoxanthin. Allopurinol yaitu substrat xanthine oxidase, tetapi
produknya melekat kuat sehingga enzim tidak mampu mengoksidasi substrat
normalnya. Produksi asam urat dikurangi dan kadar xanthin dan hipoxanthin dalam
darah meningkat. Keduanya lebih larut daripada urat dan tidak terdeposit sebagai
kristal di sendi-sendi. Pendekatan pengobatan lainnya yaitu dengan menstimulasi
sekresi urat lewat urin.
b. Lysch-Nyhan Syndrome: gangguan karena defisiensi HGPRT
Simptom sindrom Lysch-Nyhan yaitu arthritis gout yang dapat melumpuhkan akibat
dari akumulasi asam urat yang sangat berkelebihan, sebagai produk degradasi purin.
Kecuali itu sindrom ini juga dapat menyebabkan terjadinya kelainan fungsi sistem
saraf yang memicu kemunduran atau gangguan mental, perilaku aggressif,
dan mutilasi diri.
Sindrom Lysch-Nyhan disebabkan oleh defisiensi aktivitas HGPRT. Gen struktural
HGPRT ada di kromoosom X, sehingga sindrom ini merupakan penyakit
30
bawaan/keturunan, resesif, sifat terkait seks (sex-linked trait) yang hanya terjadi pada
laki-laki.
Dampak negative dari defisiensi HGPRT menegaskan bahwa penyelamatan purin
punya peran yang lebih penting daripada hanya untuk pemulihan penghematan
energi dari basa-basa nitrogen. Meskipun HGPRT tampaknya hanya punya peran
kecil dalam metabolisme purin, ketiadaannya menimbulkan akibat nyata. Biosintesis
purin meningkat secara drastis sehingga kadar asam urat dalam darah sangat
meningkat. Perubahan tsb memperkuat pendapat bahwa pengurangan konsumsi
PRPP oleh HGPRT meningkatkan ketersediaannya untuk glutamin-PRPP
amidotransferase, sehingga meningkatkan biosintesis purin secara keseluruhan dan
pada akhirnya produksi asam urat. Perlu dipertanyakan mengapa defisiensi satu
enzim tunggal dapat memicu gangguan atau kerusakan neurologis. Gejala
defisiensi HGPRT dapat dideteksi saat janin masih dalam kandungan
(amniocentesis).
31
Gambar 2.17. Konsekuensi metabolik dari defisiensi HGPRT
Factor keturunan dalam sindrom Lysch-Nyhan
Defisiensi HGPRT memicu peningkatan
kadar PRPP dan menstimulir sintesis purin de novo.
Konsekuensinya terjadi peningkatan produksi asam urat.
32
c. Severe Combined ImmunodeficiencySyndrome (SCID): tiadanya
Adenosine Deaminase sebagai sebab dari penyakit keturunan ini
Severe combined immunodeficiency syndrome, atau SCID, yaitu gangguan
penyakit keturunan yang ditandai dengan hilangnya respon immun terhadap
serangan infeksi. Ketidakcukupan atau kemunduran immunologis (immunological
insufficiency) menentukan ketidakmampuan limfosit B dan T untuk membelah dan
menghasilkan antibodi untuk merespon antigen. Sekitar 30% pasien SCID menderita
defisiensi enzim adenosin deaminase (ADA). Defisiensi ADA juga terkait dengan
munculnya penyakit lain, termasuk AIDS, anemia, dan berbagai limphoma dan
leukemia.
Terapi gen, reparasi defisiensi genetik dengan memasukkan gen, telah dicoba untuk
mengobati pasien SCID karena gen ADA mengalami kerusakan. ADA yaitu Zn2+-
dependent enzyme, dan defisiensi Zn2+ juga dapat menimbulkan kemunduran fungsi
immun.
Gambar 2.18. Efek peningkatan kadar deoksiadenosin pada metabolisme purin
Defisiensi ADA, deoksiadenosin tidak dikonversi menjadi deoksiinosin sebagaimana
biasanya melainkan diselamatkan oleh nukleosida kinase, yang mengkonversinya
33
menjadi dAMP, memicu akumulasi dATP dan penghambatan sintesis
deoksinukleotida (Gambar 2.18.) sehingga replikasi DNA terhenti.
Tiadanya ADA, membuat deoksiadenosin tidak didegradasi melainkan dikonversi
menjadi dAMP dan kemudian menjadi dATP. dATP merupakan inhibitor umpan balik
yang kuat dari biosintesis deoksinukleotida. Tanpa deoksiribonukleotida, DNA tidak
dapat direplikasi dan tidak dapat membelah (Gambar 2.18.). Sel-sel yang membelah
dengan cepat, misal limfosit sangat peka jika sintesis DNAnya terganggu.
2.8. Penutup
Selain proses biosintesis purin, salvage pathway digunakan sebagai penyedia purin.
Kecuali jika cincin dimetilasi, purin diaminasi (gugus amino berperan dalam
persediaan ammonia secara umum) dan cincin dioksidasi menjadi asam urat agar
dapat dieksresi. Karena cincin purin dieksresikan secara utuh, maka tidak ada energi
yang dihasilkan. Hiperurisemia terjadi karena konsentrasi asam urat dalam plasma
melebihi standard akibat dari produksi berlebihan asam urat atau penuruan ekskresi
asam urat. Gout yaitu penyakit inflamasi yang terjadi karena hiperurisemia dan
pembentukan kristal monosodium urat (MSU).
BAB 3. METABOLISME
PIRIMIDIN
Garis besar
a. Biosintesis pirimidin
b. Pembentukan karbamoil fosfat
c. Pembentukan asam orotat
d. Pembentukan nukleotida-pirimidin
e. Regulasi biosintesis pirimidin
f. Biodegradasi pirimidin
g. Penyelamatan pirimidin (Salvage)
h. Gangguan metebolisme pirimidin: Orotat asidurik
i. Perbandingan antara metabolisme purin dan pirimidin
3.1. Biosintesis pirimidin
Berbeda dengan purin, pirimidin tidak disintesis sebagai turunan nukleotida. Cincin
pirimidin sudah dibentuk sebelum melekat atau berikatan pada molekul ribosa-5-P.
Cincin pirimidin terdiri dari enam atom dan dibentuk dari dua molekul prekursor yaitu
karbamoil-P dan asam aspartat (Gambar 3.1 dan 3.2). Biosintesis pirimidin terdiri dari
12 tahap, tetapi bisa dikategorikan menjadi tiga tahap utama berdasarkan produk
38
utama yang dibentuknya (Tabel 1.1), yaitu tahap pembentukan karbamoil fosfat,
tahap pembentukan asam orotat, dan tahap pembentukan nukleotida pirimidin.
Tabel 3.1. Tahapan biosintesis pirimidin
Pembentukan metabolit Tahap Produk
Pembentukan karbamoil
fosfat
1 CAP: Karbamoil fosfat
Pembentukan asam orotat 2 CA: Asam aspartat karbamoil
fosfat
3 DHOA: Asam dihidroorotat
4 OA: asam orotat
Pembentukan nukleotida 5 OMP
6 UMP
7 UDP
8 UTP
9 CTP
10 dUDP: dideoksiuridin difosfat
11 dUMP:dideoksiuridin monofosfat
12 TMP
Mengingat molekul pirimidin lebih kecil daripada purin, maka sintesisnya lebih
sederhana tetapi berasal dari sejumlah komponen yang tersedia atau telah ada.
Nitrogen amida glutamin dan karbon dioksida menjadi atom no 2 dan 3 cincin
pirimidin. Mereka melakukannya setelah sebelumnya diubah menjadi Karbamoil
fosfat. Empat atom lainnya disediakan oleh aspartat. Sebagaimana pada nukleotida
purin, gula fosfat disediakan oleh PRPP.
3.2. Pembentukan karbamoil fosfat (Tahap 1 biosintesis pirimidin)
Substrat dari karbamoil fosfat sintetase II yaitu 𝐻𝐶𝑂3
−, H2O, glutamin, dan 2 ATPs
(Gambar 3.3). Tahap pertama ini terdiri dari tiga tahap lagi, yaitu
Tahap 1. ATP pertama yang dikonsumsi oleh sintesis karbamoil fosfat digunakan
untuk pembentukan karboksi-fosfat sebagai bentuk aktif dari CO2.
Tahap 2: Karboksi-fosfat (juga disebut karbonil-fosfat) kemudian bereaksi dengan
glutamin-amida untuk menghasilkan karbamat dan glutamat.
Tahap 3: Karbamat difosforilasi oleh ATP kedua untuk menbentuk ADP dan
karbamoil fosfat.
Sintesis pirimidin diawali dengan karbamoil fosfat yang disintesis di sitosol jaringan
yang mampu membentuk pirimidin (tertinggi di limpa, GI tract, dan testes). Proses ini
menggunakan enzim yang berbeda-beda tidak seperti sintesis urea yang hanya satu
enzim. Karbamoil fosfat sintetase II (CPS II) mengubah glutamin menjadi ammonia
bebas dan tidak memerlukan N-Asetilglutamat.
Ada dua enzim untuk sintesis karbamoil fosfat, yaitu
Karbamoil fosfat sintetase II (CPS II) yang mengkatalisis biosintesis
pirimidin dari karbamoil fosfat. Enzim ini ada di sitosol (a
cytosolic enzyme).
Karbamoil fosfat sintetase I, berperan dalam siklus urea dan
biosistesis arginin. Enzim ini ada di mitokondria.
Gambar 3.3. Reaksi yang dikatalisis oleh enzim karbamoil fosfat sintetase II (CPS
II)
Catatan: berbeda dengan karbamoil fosfat sintetase I, CPS II menggunakan
glutamin-amida, bukan NH4
+, untuk membentuk karbamoyl-P.
3.3. Pembentukan asam orotat (Tahap 2 s/d 4)
Karbamoil fosfat berkondensasi dengan aspartat yang dikatalisis oleh aspartat
transkarbamilase sehingga menghasilkan N-karbamilaspartat yang dikonversi
selanjutnya menjadi dihidroorotat.
Pada manusia, CPS II, aktivitas asp-transkarbamilase, dan dihidroorotase
merupakan bagian dari satu protein yang multifungsional.
42
Oksidasi cincin merupakan proses yang kompleks dan belum benar-benar dipahami
keberadaan enzim yang menghasilkan piridin bebas, asam orotat. Enzim ini ada
di permukaan luar membran dalam mitokondria, berbeda dengan enzim lainnya yang
ada di sitosol. Perbedaan konstras dari sintesis purin yang nukleotidanya
dibentuk pertama kali sedangkan pirimidin yang disintesis pertama yaitu basa
bebas.
Tahap 2: kondensasi karbamoil fosfat dan aspartat menghasilkan karbamoil-
aspartat yang dikatalisis oleh aspartat transkarbamoilase (ATCase). ATCase
mengkatalisis kondensasi karbamoil fosfat dengan aspartat membentuk karbamoil-
aspartat (Gambar 3.3.). Tidak ada masukan atau input ATP yang diperlukan pada
tahap ini sebab karbamoil fosfat mewakili “activated” gugus karbamoil.
Karbamoil fosfat dikatalisis oleh CPS II dalam Mammalia tidak mempunyai pilihan
lain selain bergabung dengan pirimidin. CPS pada mamalia dapat dilihat sebagai
tahap kunci dari jalur pirimidin de novo. Bakteria mempunyai satu CPS, dan produk
karbamoil fosfat nya bergabung ke arginin demikian juga pirimidin. Jadi tahap kunci
dari sintesis pirimidin pada bakteria terletak di reaksi berikutnya yang dimediasi oleh
aspartat transkarbamoilase (ATCase).
Tahap 3: kondensasi intramolekuler dikatalisis oleh dihidroorotat menghasilkan
cincin heterosiklis dengan enam anggota khas pirimidin. Produknya yaitu
dihidroorotat (DHO). Tahap ketiga dari sintesis pirimidin merupakan penutupan cincin
dan dehidrasi melalui ikatan gugus –NH2 yang berasal dari karbamoil-P dengan b-
COO- dari aspartat yang terdahulu. Sintesis pirimidin mencakup penutupan cincin
dan dehidrasi melalui pembentukan ikatan dengan gugus -NH2 yang dibawa oleh
karbamoil-P dengan b-COO- dari aspartat). Reaksi ini dikatalisis oleh enzim
dihidroorotase. Produk dari reaksi ini yaitu dihidroorotat, suatu senyawa bercincin
enam. Dihidroorotat tidak merupakan pirimidin yang sesunguhnya, tetapi jika
dioksidasi menghasilkan orotat.
Tahap 4: oksidasi DHO oleh enzim dihidroorotat dehidrogenase sehingga dihasilkan
orotat. (Pada bakteria, NAD+ yaitu aseptor elektron dari DHO.) Tahap ke empat
(oksidasi) dikatalisis oleh dihidroorotat dehidrogenase. Dihidroorotat dehidrogenase
43
pada bakteri yaitu NAD+-linked flavoprotein, yang tak lazim dalam proses baik FAD
dan FMN. Enzim ini memiliki pusat non-heme FE-S (nonheme Fe-S centers) sebagai
gugus prostetik redoks tambahan.
Pada eukarion, dihidroorotat dehidrogenase merupakan protein yang ada pada
bagian dalam membran mitokondria. Aseptor e- nya yaitu quinon, dan reducing
equivalents dari dihidroorotat dapat digunakan untuk mendorong sintesis ATP
melalui fosforilasi oksidatif. Pada tahap ini, ribosa-5-fosfat berikatan dengan N-1 dari
orotat, menghasilkan nukleotida pirimidin orotidine-5'-monophosphate, atau OMP
(Tahap 5, Gambar 3.3.)
Donor ribosa-fosfat yaitu PRPP; enzim yang berperan yaitu orotat fosforibosil
transferase. Reaksi berikutnya dikatalisis oleh OMP dekarboksilase. Dekarboksilasi
OMP menghasilkan UMP (uridine-5'-monophosphate, or uridylic acid), satu dari dua
pirimidin umum ribobukleotida.
Gambar 3.4. Jalur biosintesis pirimidin
3.4. Pembentukan nukleotida-pirimidin (Tahap 5 sd 12)
Asam orotat dikonversi menjadi nukleotida dengan PRPP. OMP kemudian
dikonversi tidak melalui alur bercabang, menjadi nukleotida pirimidin lainnya.
44
Dekarboksilasi OMP menghasilkan UMP. O-PRT dan OMP dekarboksilase juga
merupakan satu protein yang multifungsional. Setelah konversi UMP menjadi
trifosfat, amida glutamin ditambahkan bersama dengan ATP sehingga menghasilkan
CTP.
Tahap 5: PRPP menyediakan molekul ribosa-5-P yang mentransformasi orotat
menjadi orotidin-5'-monofosfat, suatu nukleotida pirimidin. Perlu dicatat bahwa orotat
fosforibosil transferase menggabungkan N-1 dari pirimidin ke gugus ribosil dengan
b-configuration. Berikutnya PPi akan mengalami hidrolisis.
Tahap 6: Dekarboksilasi OMP oleh OMP dekarboksilase dan dihasilkan UMP.
Biosintesis pirimidin merupakan contoh suatu “Metabolic Channeling”. Pada bakteria,
enam enzim berperan dalam biosintesis pirimidin de novo, masing-masing secara
independen mengkatalisis tahap tertentu dari jalur tsb. Berbeda dengan pada hewan,
aktivitas keenam enzim ada hanya pada tiga protein. Dua diantaranya bersifat
polipeptida multifungsi, sedangkan yang satu rantai polipeptida memiliki dua atau
lebih pusat enzim.
Tiga tahap pertama dari sintesis pirimidin, CPS-II, aspartat transkarbamoilase, dan
dihidroorotase, ada pada satu polipeptida sitosol 210-kD tunggal. Enzim
multifungsional ini merupakan produk dari satu gen tunggal yang dilengkapi dengan
situs aktif untuk aktivitas ketiga enzim tsb. Tahap 4 dikatalisis oleh DHO
dehidrogenase,suatu enzim terpisah yang terkait dengan permukaan luar membran
dalam mitokondria, tetapi aktivitas enzim ini mempersiapkan tahap 5 dan 6, namanya
orotat fosforibosiltransferase dan OMP dekarboksilase pada mamalia, juga
ditemukan pada polipeptida sitosol tunggal yang dikenal dengan UMP sinthase.
Jalur biosintesis pada hati burung juga dapat menjadi contoh dari metabolic
channeling. Tahap 3, 4, dan 6 sintesis purin de novo dikatalisis oleh tiga aktivitas
enzim yang ada pada satu polipeptida tunggal multifungsional. Tahap 7 dan 8
dan tahap 10 dan 11 oleh peptida bifungsional. Jalur biosintesis purin pada hati
burung merupakan contoh dari proses saluran metabolisme (metabolic channeling).
Jika pada tahap 3, 4, dan 6 sintesis purin de novo dikatalisis oleh tiga aktivitas enzim
45
pada polipeptida multifungsional tunggal , maka tahap 7 dan 8 dan tahap 10 dan 11
oleh polipeptida bifungsional.
Enzim multifungsional tsb memiliki beberapa keuntungan, yaitu
Produk dari satu reaksi merupakan substrat bagi reaksi berikutnya.
Produk tsb tetap melekat dan disalurkan langsung ke situs aktif
berikutnya.
Saluran metabolisme (metabolic channeling) lebih efisien sebab
substrat tidak dilarutkan ke lingkungannya dan tidak perlu pusat
(pool) untuk mengakumulasinya.
Sintesis ribonukleotida, terutama UTP dan CTP.
Dua produk ribonukleotida pirimidin berasal dari UMP melalui jalur sama yang tak
bercabang. Pertama, UDP dibentuk UMP melalui ATP-dependent nucleoside
monophosphate kinase.
UMP + ATP 34 UDP + ADP
Kemudian, UTP dibentuk oleh nucleoside diphosphate kinase.
UDP + ATP 34 UTP + ADP
Gambar 3.5. Sintesis CTP dari UTP
CTP sintetase mengkatalisis aminasi posisi-4 dari cincin pirimidin UTP dan dihasilkan
CTP. Pada eukarion, NH2 ini berasal dari amida-N glutamin dalam bakteria, NH4
+
melayani peran ini.
46
Aminasi UTP pada posisi-6 menghasilkan CTP. Enzim, CTP sintetase, yaitu
glutamin amidotransferase (Gambar 3.5). Hidrolisis ATP menghasilkan energi yang
digunakan untuk melakukan reaksi.
3.5. Regulasi Biosintesis Pirimidin
a. Regulasi aspartat transkarbamoilase (ACTase)
Aktivitas enzim kedua, aspartat transkarbamoylase (ATCase) dari jalur biosintesis
nukleotida pirimidin dikendalikan oleh regulasi allosterik (Gambar 3.6.).
Gambar 3.6. Regulasi metabolisme pirimidin
Aktivitas enzim kedua, aspartat
Gambar 3.7. Biodegradasi nukleotida pirimidin
Defosforilasi dan pemecahan nukleosida: Basa bebas dikonversi menjadi NH3, CO2,
β-alanin, (β-aminoisobutirat). Merupakan metabolit yang mudah larut dan dapat
dieksresikan bersama urin (Gambar 3.7).
Pengendalian atau regulasi sintesis nukleotida pirimidin pada manusia dilakukan oleh
cytoplasmic CPS II. UTP menghambat enzim tsb secara kompetitif dengan ATP.
PRPP mampu mengaktivasinya. Situs sekunder lain juga ditemui pada pengendalian
47
tsb. (Misal OMP dekarboksilase dihambat oleh UMP dan CMP). Dalam kondisi
normal tampaknya tidak terlalu penting.
Pada bakteri, aspartat transkarbamilase merupakan enzim pengendali. Hanya ada
satu karbamoil fosfat sintase pada bakteri sebab bakteri tidak memiliki mitokondria.
Karbamoil fosfat oleh karena itu berpartisipasi dalam jalur bercabang dalam
organisme tsb yang menghasilkan baik nukleotida pirimidin atau arginin.
b. Interkonversi nukleotida
Monofosfat dibentuk secara de novo sedangkan trifosfat berasal dari monofosfat tsb.
Tentu ketida bantuk tsb berada dalam keadaan ada beberapa enzim yang
dikelompokkan dalam nukleosida monofosfat kinase yang mengkatalisis reaksi
umum yang reversible.
Basa-monofosfat + ATP → Basa-difosfat + ADP
Misal Adenilate kinase: AMP + ATP → 2 ADP
Ada sejumlah enzim untuk GMP, satu untuk pirimidin dan juga enzim untuk mengenal
bentuk deoksi nya.
Serupa, difosfat dikonversi menjadi trifosfat oleh nukleosida difosfat kinase:
BDP + ATP = BTP + ADP
Kemungkinan hanya ada satu nukleosida difosfat kinase dengan spesifitas yang luas.
Mungkin agar dapat menjaga equilibrium.
Biosintesis pirimidin pada bakteria diregulasi secara allosterik pada aspartat trans-
karbamoilase (ATCase). Escherichia coli ATCase dihambat secara regulasi umpan
baik oleh produk akhir, CTP. ATP, yang bisa dilihat sebagai signal baik untuk
ketersediaan energi maupun untuk penyediaan purin, yaitu aktivator allosterik dari
ATCase. CTP dan ATP berkompetisi untuk situs allosterik pada enzim. Pada
bakteria, UTP, bukan CTP, bertindak sebagai inhibitor umpan balik ATCase.
48
Pada hewan, CPS-II mengkatalisis tahap yang committed dalam sintesis pirimidin
dan berperan sebagai titik fokus untuk regulasi allosterik. UDP dan UTP yaitu
inhibitor umpan balik dari CPS-II, sedangkan PRPP dan ATP yaitu aktivator
allosterik. Dengan perkecualian ATP, senyawa-senyawa tsb tidak digunakan sebagai
substrat CPS-II atau aktivitas dua enzim. Dengan perkecualian ATP yang tidak
menjadi substrat CPS-II atau aktivitas dari kedua enzim lainnya (Gambar 3.8). untuk
membandingkan alur regulasi sintesis pirimidin pada bakteria dan hewan.
Gambar 3.8. Perbandingan antara alur sintesis pirimidin pada E.coli dan hewan.
Regulasi terjadi pada tahap pertama dari jalur (committed step).
2 ATP + CO2 + glutamin →karbamoil fosfat
Dihambat oleh UTP. Jika sel memiliki banyak UTP maka sel tidak memuat lebih dari
yang diperlukan. Inilah salah satu contoh feedback inhibition.
3.6. Biodegradasi pirimidin
Seperti halnya purin, pirimidin bebas dapat diselamatkan (salvaged) dan didaur ulang
membentuk nukleotida melalui reaksi phosphoribosyltransferase serupa dengan
yang dibahas Bab sebelumnya. Katabolisme pirimidin memicu degradasi
cincin pirimidin menjadi produk-produk seperti substrat aslinya, yaitu aspartat, CO2,
dan ammonia (Gambar 3.7.). β-alanin dapat didaur ulang untuk mensintesis koenzim
A. Katabolisme basa pirimidin, timin menghasilkan asam b-amino-isobutirat dan
bukan b-alanin.
Jalur tsb penting untuk sintesis empat ribonukleotida utama, yaitu ATP, GTP, UTP,
dan CTP. Senyawa tsb berperan sebagai koenzim dalam metabolisme dan menjadi
senyawa antara prekursor sintesis asam ribonukleat (RNA). Diperkirakan 90% asam
49
nukleat total dalam sel yaitu RNA, sisanya yaitu DNA. DNA berbeda dengan RNA
karena polimernya tersusun dari deoksiribonukleotida, satu diantarnya yaitu asam
deoksithimidilat.
Berbeda dengan purin, pirimidin mengalami pembentukan cincin dan merupakan
produk akhir dari katabolisme asam amino-beta ditambah dengan ammonia dan
karbon dioksida. Pirimidin dari asam nukleat atau sumber (pool) energi dibawah
pengaruh nukleotidase dan pirimidin nukleosida fosforilase menghasilkan basa
bebas. Gugus 4-amino baik dari sitosin dan 5-metil sitosin dilepas sebagai ammonia.
Pembukaan cincin (Ring Cleavage) Agar cincin dapat dibuka, mereka harus
pertama-tama direduksi oleh NADPH. Atom 2 dan 3 dari kedua cinncin dilepas
sebagai ammonia dan karbon dioksida. Sisanya yaitu asam amino beta. Beta-
amino isobutirat dari timin atau 5-metil sitosin sebagian besar diekskresi. Beta-alanin
dari sitosin atau uracil dapat dieksresikan atau dimasukkan ke dipeptida otak dan
otot, karnosin (his-beta-ala) atau anserin (metil his-beta-ala) (Gambar 3.9).
Gambar 3.9. Skema jalur biodegradasi pirimidin
3.7. Penyelamatan basa (Salvage of Bases) pirimidin
Penyelamatan purin dan pirimidin merupakan proses penting di banyak jaringan.
Dikenal dua jalur untuk penyelamatan basa, yaitu penyelamatan purin (Bab 2) dan
penyelamatan pirimidin (Salvaging Pyrimidines). Tipe jalur penyelamatan pirimidin
terdiri dari dua tahap dan merupakan jalur utama untuk pirimidin, urasil dan timin.
50
Basa + Ribosa 1-fosfat → Nukleosida + Pi (nukleosida fosforilase)
Nucleosida + ATP → Nukleotida + ADP (nucleoside kinase - irreversible)
3.8. Gangguan metabolisme pirimidin: Asidura orotat (sindrom Reye)
Jarang menimbulkan gangguan klinis. Penyakit ini disebabkan oleh ketidak
mampuan menggunakan karbamoil fosfat. Penyakit ini ditandai oleh terjadi kelebihan
pembentukan asam orotat. Ada dua tipe, yaitu
Tipe 1. defisiensi baik asam orotat fosforibosil transferase maupun oroditilat
dekarboksilase
Tipe 2. defisiensi oroditilat dekarboksilase saja
Orotic acidura keturunan yaitu suatu ganguan biosintesis pirimidin. UMP sintetase
tidak berfungsi atau tidak dibentuk. Gen UMP sintetase ada di kromosom 3.
Gangguan ini ditandai dengan ekskresi asam orotat. Akibatnya terjadi anemia yang
parah dan kemunduran pertumbuhan. Penyakit ini sangat jarang, sekitar 15 kasus di
dunia. Pengobatan dilakukan dengan pemberian UMP (Gambar 3.10).
Gambar 3.10. Skema mekanisme pengobatan orotic acidura dengan UMP
Biodegradasi pirimidin diuraikan oleh sel menjadi komponen basanya. Proses ini
dilakukan melalui defosforilasi, deaminasi dan pemotongan ikatan glikosida. Urasil
dan timin diuraikan melalui reduksi (berbeda pada biodegradasi purin yang melalui
51
oksidasi). Cincin pirimidin dapat diuraikan penuh menjadi produk terlarut (bandingkan
dengan purin yang membentuk asam urat). Pirimidin juga dapat diselamatkan
(salvage) melalui reaksi-reaksi dengan PRPP. Yang dikatalisis oleh pirimidin
fosforibosiltransferase. Biodegradasi purin berbeda dengan pirimidin, tetapi
penyelamatannya serupa.
3.9. Perbandingan metabolisme purin dan pirimidin
Gambar 3.12. Skema singkat metabolisme nukleotida purin dan pirimidin
Tabel 3.2. Perbandingan antara sintesis purin dan pirimidin
PURIN PIRIMIDIN
Disintesis pada PRPP Disintesis dulu kemudian ditambahkan pada
PRPP
Diregulasi oleh GTP/ATP Diregulasi oleh UTP
Menghasilkan IMP Menghasilkan UMP /CMP
Memerlukan energy Memerlukan energy
Gambar 3.13. Skema ringkas metabolisme nukleotida
3.10. Penutup
Basa purin dan pirimidin yang tidak didegradasi didaur ulang menjadi nukleotida.
Daur ulang ini tidak cukup untuk memenuhi semua kebutuhan tubuh sehingga tetap
diperlukan sintesisnya. Sintesis de novo nya berbeda-beda tergantung pada
jaringannya. Sintesis de novo yang paling aktif ada di hati. Jaringan selain hati
umumnya terbatas sintesisnya. Sintesis pirimidin terjadi pada berbagai jaringan.
Untuk purin jaringan selain hati biosintesisnya sangat lambat sehingga diperlukan
proses penyelamatan (salvage) dari basa yang disintesis di hati dan disalurkan ke
jaringan lain melalui darah.
"Salvage" purin terjadi karena adanya enzim xanthin oksidase, enzim kunci yang
mengubah purin menjadi asam urat. Enzim ini sangat aktif di hati dan usus. Basa
yang dihasilkan dalam jaringan selain hati tidak dapat mengubah menjadi asam urat
jadi dapat diselamatkan (salvaged). Di hati tidak terjadi penyelamatan tetapi sangat
aktif mensintesis, cukup untuk kebutuhannya sendiri ditambah untuk mensuplai
jaringan perifer.
BAB 4. METABOLISME
ASAM NUKLEAT
Garis besar
a. Biosintesis nukleotida
b. Biosintesis DNA
c. Regulasi spesifitas dan aktivitas ribonukleotida reduktase
d. Sintesis nukleotida timin
e. Hidrolisis asam nukleat
4.1. Biosintesis nukleotida
Semua organisme dapat membuat nukleotida purin dan pirimidin melalui jalur
biosintesis tertentu, kecuali itu organisme bisa mendapatkan senyawa purin dan
pirimidin dari makanan atau dari proses penyelamatan nukleotida hasil dari proses
biodegradasi. Ribosa dari nukleotida dapat digunakan sebagai sumber energi. Basa
nitrogen tidak dapat digunakan sebagai sumber energi. Katabolismenya tidak
menghasilkan produk-produk yang dapat digunakan oleh jalur bioenergi.
Dibandingkan dengan sel-sel yang tumbuh lambat, sel-sel yang sedang tumbuh
cepat memerlukan lebih banyak DNA dan RNA. Untuk memenuhi peningkatan
kebutuhan untuk biosintesis asam nukleat, nukleotida harus diproduksi dalam jumlah
58
yang lebih banyak. Oleh karena itu, jalur biosintesis asam nukleat dapat menjadi
sasaran atau target untuk pengendalian atau penghambatan pertumbuhan sel-sel
yang sedang cepat membelah seperti sel-sel kanker atau bakteri infeksi. Banyak
antibiotika dan antikanker yang merupakan inhibitor biosintesis nukleotida purin atau
pirimidin.
4.2. Biosintesis Deoksiribonukleotida (DNA)
Sintesis de novo dan sebagian besar jalur penyelamatan melibatkan ribonukleotida
(kecuali dalam jumlah sedikit timin). Deoksiribonukleotida untuk sintesis DNA yang
dibentuk dari ribonukleotida difosfat (pada Mammalia dan E.coli).
Basa difosfat (BDP) direduksi pada 2' posisi ribosa dengan menggunakan enzim,
thioredoxin dan enzim nukleosida difosfat reduktase. Thioredoxin memiliki dua gugus
sulhidril yang dioksidasi menjadi ikatan disulfida selama proses. Untuk menyimpan
thioredoxin ke bentuk reduksinya sehingga dapat digunakan kembali, diperlukan
thioredoxin reductase dan NADPH .
Sistem ini dikontrol dengan ketat oleh berbagai effektor allosterik. dATP umumnya
berfungsi inhibitor untuk semua substrat dan ATP berfungsi sebagai aktivator. Setiap
substrat memiliki efektor positif (BTP atau dBTP). Akibatnya terjadi pemeliharaan
keseimbangan deoksinukleotida untuk sintesis DNA.
59
Gambar 4.1. Skema biosintesis nukleotida
Sintesis dTMP
Sintesis DNA juga memerlukan dTMP (dTTP). Senyawa ini tidak disintesis dalam
jalur de novo. Dan penyelamatan (salvage) tidak cukup untuk menjaga dalam jumlah
yang memadai. dTMP dihasilkan dari dUMP menggunakan sumber satu-karbon folat.
Karena nukleosida difosfat reduktase tidak terlalu aktif buat UDP, CDP direduksi
menjadi dCDP yang dikonversikan menjadi dCMP. Senyawa ini kemudian
dideaminasi menjadi dUMP. Dengan adanya 5,10-Methylene tetrahydrofolate dan
enzim thymidylate synthetase, gugus karbon ditransfer ke cincin pirimidin dan
kemudian direduksi menjadi gugus metil. Produk lainnya yaitu dihidrofolat yang
selanjutnya direduksi menjadi tetrahidrofolat oleh dihidrofolat reduktase.
Obat khemoterapi (Chemotherapeutic Agents)
Thymidilat sintetase sangat peka terhadap ketersediaan folat, sumber satu-karbon.
Beberapa obat kanker mengganggu proses tsb dan juga sintesis purin yang
memerlukan sumber tsb.
60
Bahan obat untuk kanker seperti methotrexate (4-amino, 10-methyl folic acid) dan
aminopterin (4-amino, folic acid) secara struktural serupa atau analog dengan asam
folat dan menghambat dihidrofolat reduktase. Senyawa tsb mengganggu
ketersediaan sumber folat dan sintesis de novo nukleotida purin dan sintesis dTMP.
Oleh karena itu bahan tsb sangat toksik dan penggunaannya harus diawasi dengan
ketat.
Deoksiribonukleotida hanya memiliki satu tujuan metabolik yaitu melayani sebagai
prekursor untuk sintesis DNA. Sebagian besar organisme menggunakan
ribonukleosida difosfat (NDPs) sebagai substrat untuk pembentukan
deoksiribonukleotida. Reduksi pada cincin ribosa posisi 2’ dari NDPs menghasilkan
2'-deoksi dari nukleotida tsb (Gambar 4.2.).
Gambar 4.2. Sintesis Deoksiribonukleotida: reduksi pada posisi 2’ dari cincin ribosa
nukleosida difosfat
Reaksi tsb merupakan reaksi pengantian 2'-OH oleh ion hidrida ion (H:-) yang
dikatalisis oleh enzim ribonukleotida reduktase. Reduksi ribonukleotida secara
enzimatis melibatkan mekanisme radikal bebas, dan tiga kelas ribonukleotida
reduktase, yang mekanisme pembentukan radikal bebasnya berbeda satu sama lain.
Kelas 1: Ribonukleotida Reduktase pada E.coli
Enzim kelas I ini ada pada E.coli dan hampir pada semua eukarion, tergantung
pada Fe dan menghasilkan radikal bebas pada rantai samping tirosil.
61
Gambar 4.3. E. coli ribonukleotida reduktase: situs ikatan dan subunitnya
Dua protein, R1 dan R2 (masing-masing dimer dari subunit yang identik) membentuk
holoenzim. Holoenzim memiliki tiga situs ikatan nukleotida, yaitu S, situs yang
menentukan spesifitas; A, situs yang menentukan aktivitas, dan C, situs katalitik atau
aktif. Berbagai situs tsb berikatan dengan ligand nukleotida yang berbeda. Holoenzim
tsb tampaknya hanya memiliki satu situs aktif yang dibentuk oleh interaksi antara
atom-atom Fe3+ pada tiap subunit R2.
Pada E. coli Ribonukleotida Reduktase, sistem enzim untuk pembentukan dNDP
terdiri dari empat protein. Dua yaitu ribonukleotida reduktase, suatu enzim tipe a2b2.
Dua lainnya yaitu thioredoxin dan thioredoxin reductase, berfungsi dalam
penyediaan reducing equivalents.
Ada dua protein untuk ribonukleotida reduktase yang dinamakan protein R1 (86 kD)
dan R2 (43.5 kD) dan masing-masing yaitu suatu homodimer dalam satu holoenzim
(Gambar 4.3.). homodimer R1 homodimer mmemiliki dua situs regulasi disamping
situs katalitiknya. Substrat (ADP, CDP, GDP, UDP) berikatan dengan situs katalitik.
Satu situs regulasi – situs spesifik substrat- mengikat ATP, dATP, dGTP,
atau dTTP, dan yang diikat di situs tsb untuk menentukan nukleosida difosfat
yang diikat pada situs katalitik.
62
Situs lain untuk regulasi, situs untuk aktivitas keseluruhan, berikatan baik
dengan activator ATP atau efektor negatif dATP. Nukleotida yang diikat
menentukan apakah enzim berada dalam keadaan aktif atau inaktif. Aktivitas
tergantung juga pada residu Cys439, Cys225, dan Cys462 pada R1. Dua atom
Fe pada situs aktif tunggal dibentuk oleh homodimer R2 menghasilkan
radikal bebas yang diperlukan untuk reduksi ribonukleotida pada residu
spesifik Tyr122, yang kemudian menghasilkan suatu radikal bebas thiyl (Cys-
S×) pada Cys439. Cys439-S× mengawali reduksi ribonukleotida oleh
pengambilan 3'-H dari cincin ribosa substrat nukleosida difosfat (Gambar
4.4.) dan pembentukan radikal bebas pada C-3'. Hidrasi selanjutnya
membentuk produk deoksiribonukleotida.
Gambar 4.4. Mekanisme radikal bebas dari reduksi ribonukleotida
Ha menunjukkan hidrogen C-3' dan Hb atom hidrogen C-2'. Pembentukan radikal
thiyl pada Cys439
a. Ribonukleotida reduktase E.coli , R1 homodimer melalui reaksi dengan
radikal bebas Tyr122 yang memicu pelepasan hydrogen Ha dan
pembentukan radikal C-3'×
b. Dehidrasi melalui pelepasan Hb bersama dengan gugus C-2'-OH dan
restorasi Ha menjadi bentuk C-3' membentuk produk dNDP, disertai
oleh oksidasi R1 gugus Cys225 dan Cys462OSH membentuk disulfida
( Diadaptasi dari Reichard, P., 1997. The evolution of ribonucleotide reduction.
Trends in Biochemical Sciences 22:81-85.
63
a. Sumber daya reduksi untuk Ribonukleotida Reduktase
NADPH yaitu sumber reducing equivalents untuk reduksi ribonukleotida, tetapi
sumber antaranya yaitu thioredoxin tereduksi, suatu protein kecil (12 kD) dengan
gugus reaktif Cys-sulfhydryl yang terletak dalam urutan Cys-Gly-Pro-Cys. Residu
Cys mampu mengalami oksidasi-reduksi reversibel antara (-S-S-) dan (-SH HS-) dan,
dalam keadaan reduksi, berperan sebagai donor elektron primer dan menghasilkan
kembali pasangan –SH reaktif dari situs aktif ribonukleotida reduktase (Gambar 4.4.).
Sebaliknya, sulfhydryls dari thioredoxin harus diubah menjadi keadan (-SH HS-)
untuk siklus katalitik selanjutnya.
b. Thioredoxin reduktase
Thioredoxin reduktase, yaitu suatu enzim yang terdiri dari subunit 58-kD
flavoprotein, berperan dalam reduksi yang memerlukan NADPH (NADPH-dependent
reduction) dari thioredoxin (Gambar 4.5.). Fungsi Thioredoxin dalam sejumlah peran
metabolisme disamping sintesis deoksiribonukleotida, yaitu denominator untuk
transisi reversibel sulfide sulfhydryl. Protein sulfhydryl lainnya serupa dengan
thioredoxin, yang dinamakan glutaredoxin, dapat juga berperan dalam reduksi
ribonukleotida. Glutaredoxin teroksidasi direduksi kembali oleh dua equivalents of
glutathione (g-glutamylcysteinylglycine; Gambar 4.6.), yang kemudian direduksi
kembali oleh glutathione reduktase, suatu flovoezim yang memerlukan NADPH
(NADPH-dependent flavoenzyme).
Substrat ribonuleotida reduktase yaitu CDP, UDP, GDP, dan ADP, dan produknya
yaitu dCDP, dUDP, dGDP, dan dADP. Karena CDP tidak merupakan senyawa
antara dalam sintesis nukleotida pirimidin, maka perlu dihasilkan melalui defosforilasi
CTP, misal melalui aktivitas nukleosida diphosphate kinase. Meskipun uridin
nukleotida tidak ada pada NDNA, UDP yaitu substrat. Pembentukan dUDP
dilakukan sebab merupakan prekursor dTTP, suatu substrat yang diperlukan untuk
sintesis DNA.
Gambar 4.6. Struktur glutathion
4.3. Regulasi spesifitas dan aktivitas Ribonukleotida Reduktase
Aktivitas ribonukleotida reduktase harus dimodulasi dalam dua jalur agar dapat
menjaga keseimbangan yang tetapi dari empat deoksinukleotida penting untuk
sintesis DNA, yaitu dATP, dGTP, dCTP, dan dTTP.
Pertama, aktivitas keseluruhan enzim harus dimulai atau dihentikan
tergantung pada respon nya terhadap kebutuhan dNTP.
65
Kedua, jumlah relatif masing-masing substrat NDP ditransformasi
menjadi dNDP harus dikendalikan agar dihasilkan keseimbangan
yang tepat dari dATP: dGTP: dCTP: dTTP.
Dua pasang yang berbeda dari situs pengikatan efektor pada ribonukleotida
reduktase, (discrete from the substrate-binding active site), diperlukan untuk
melayani maksud tsb. Kedua situs regulasi dinamakan overall activity site dan
substrate specificity site.
a. Situs aktivitas (overall activity site)
Hanya ATP dan dATP yang mampu berikatan dengan situs aktivitas (overall activity
site). Jika ATP membentuk ikatan, enzim bersifat aktif sedangkan jika dATP yang
menempati situs ini maka enzim menjadi tidak aktif. Jadi ATP berperan sebagai
efektor positif dan dATP berperan sebagai efektor negatif. Keduanya berkompetisi
untuk situs yang sama.
Gambar 4.7. Regulasi biosintesis deoxynukleotida. Adanya berbagai
affinitas yang dilakukan oleh situs regulasi yang berikatan dengan nukleotida
(two nucleotide-binding regulatory sites) dari ribonukleotida reduktase.
b. Situs spesifitas substrat (substrate specificity site)
Situs efektor kedua, substrate specificity site, dapat mengikat baik dATP, dTTP,
dGTP, atau dATP, dan spesifitas substrat dari enzim ditentukan oleh nukleotida tsb.
Jika ATP melekat pada situs spesifitas substrat, ribonukleotida reduktase lebih
memilih nukleotida pirimidin (UDP atau CDP) pada situs aktifnya dan mereduksinya
menjadi dUDP dan dCDP. Jika dTTP melekat pada situs penentu-spesifitas
66
(specificity-determining site), GDP dipiih sebagai substrat. Jika dGTP berikatan
dengan situs spesifitas ini, ADP menjadi substrat yang cocok untuk reduksi.
Alasan mengapa ada affinitas yang bervariasi yaitu sebagai berikut : [ATP]
yang banyak selaras dengan perumbuhan dan pembelahan sel. Sebagai
konsekuensi dari kebutuhan sintesis DNA. Jadi ATP berikatan dengan situs penentu
aktivitas, memulainya dan memicu produksi dNTPs untuk sintesis DNA. Dalam
keadaan ini, ATP juga menempati situs spesifitas substrat, sehingga UDP dan CDP
direduksi menjadi dUDP dan dCDP. Kedua pirimidin deoksinukleotida merupakan
prekursor untuk dTTP. Jadi peningkatan dUDP dan dCDP memicu
peningkatan [dTTP]. Kadar dTTP yang tinggi meningkatkan peluang untuk tinggal di
situs spesifikasi substrat yang dalam kasus GDP yang menjadi substrat, kadar dGTP
meningkat. Assosiasi dGTP dengan situs spesifikasi substrat, ADP sebagai substrat
memicu reduksi ADP dan juga akkumulasi dATP. Ikatan dATP pada situs
aktivitas (the overall activity site) menghentikan aktivitas enzim. Singkatnya, aktifitas
relative dari ketiga kelas situs pengikat nukleotida pada ribonukleotida reduktase
untuk berbagai substrat, activator dan inhibitor terjadi sedekiman rupa sehingga
pembentukan dNTP dapat berlangsung dengan semestinya dan seimbang.
Mengingat dNTP dibentuk dalam jumlah yang konsiten sesuai dengan kebutuhan
seluler, forforilasinya oleh nukleosid difosfat kinases menghasilkan dNTPs, sebagai
substrat utama untuk sintesis DNA.
4.4. Sintesis nukleotida Timin
Gambar 4.8. Jalur sintesis dTMP
Produksi dTMP tergantung pada pembentukan dUMP yang berasal dari
sintesis dCDP dan dUDP. Jika jalur dCDP dapat diikuti dari prekursor umum
pirimidin, UMP yang akan membentuk UMP, UDP, UTP, CTP, CDP, dCDP,
dCMP, dUMP dan dTMP.
67
Sintesis nukleotida timin dilakukan dari deoksiribonukleotida pirimidin lainnya. Sel-
sel tidak memerlukan ribonukleotida timin bebas dan tidak mensintesisnya. Sedikit
timin ribonucleotide ditemui dalam tRNA tertentu (suatu jenis RNA yang membawa
sejumlah nukleotida yang tak lazim), tetapi Ts dibentuk melalui metilasi residu U
yang telah dimasukkan ke tRNA. Keduanya dUDP dan dCDP dapat memicu
pembentukan dUMP, prekursor yang dapat segera digunakan untuk sintesis dTMP
(Gambar 4.8.). Yang menarik, pembentukan dUMP dari dUDP terjadi melalui dUTP,
yang diuraikan oleh dUTPase, suatu pirofosfatase yang melepaskan PPi dari dUTP.
Aktivitas dUTPase mencegah dUTP dari fungsinya sebagai substrat sintesis DNA.
Rute alternative ke pembentukan dUMP diawali dengan dCDP yang didefosforilasi
menjadi dCMP dan kemudian diaminasi oleh dCMP deaminase (Gambar 4.9),
melepaskan dUMP. dCMP deaminase menyediakan titik kedua untuk regulasi
allosterik dari sintesis dNTP. Ensim tsbsecara allosterik diaktivasi oleh dCTP dan
dihambat secara umpan balik oleh dTTP. Dari keempat dNTPs, hanya dCTP yang
tidak berinteraksi baik dengan situs regulasi dari ribonucleotide reductase, melainkan
dengan dCMP deaminase.
Gambar 4.9. Reaksi dCMP deaminase
68
Gambar 4.10. Reaksi thymidylate synthase
Gugus 5-CH3 berasal dari b-carbon serine. Sintesis dTMP dari UMP dikatalisis oleh
thymidylate synthase (Gambar 4.10). Enzim ini memetilasi dUMP pada posisi-5
membentuk dTMP; donor metil yaitu derivate asam folat satu karbon - N5,N10-
methylene-THF. Reaksinya merupakan metilasi reduktif dimana satu unit karbon
ditransfer pada tingkat metiasi dari reduksi ke tingkat metil. Kofaktor THF dioksidasi
bersama dengan reduksi metilen menghasilkan dihydrofolate, atau DHF.
Dihydrofolate reductase kemudian mereduksi DHF ke THF untuk berperan sebagai
one-carbon vehicle. Thymidylate synthase berperan sebagai penghubung sintesis
dNTP dengan metabolisme folat. Enzim ini menajadi sasaran inhibitor untuk
mengganggu sintesis DNA. Sintesis purin dipengaruhi juga sebab tergantung pada
THF.
Gambar 4.12. Struktur 5-fluorouracil (5-FU), 5-fluorocytosine,dan 5-fluoroorotate.
Tiga senyawa terakhir yang berikatan dengan dihydrofolate reductase dengan
affinitas yang lebih besar dari DHF dan berfungsi sebagai inhibitor irreversible
(Gambar 4.12). 5-Fluorouracil (5-FU) yaitu suatu analog dari timin analog yang
70
dikonversi secara in vivo menjadi 5'-fluorouridylate oleh enzim fosforibosil transferase
(a PRPP-dependent phosphoribosyltransferase), dan berlanjut melalui reaksi dari
sintesis dNTP, dan mengakumilasi sebagai 2'-deoxy-5-fluorouridylic acid, suatu
inhibitor kuat dari dTMP synthase. 5-FU digunakan sebagai obat khemoterapeutik
untuk pengobatan kanker. Hal serupa, 5-fluorocytosine digunakan sebagai obat
antijamur sebab jamur tidak seperti mammalia, dapat mengkonversinya menjadi 2'-
deoxy-5-fluorouridylate. Selanjutnya, parasit malaria dapat menggunakan orotat
eksogen untuk membuat pirimidin untuk sintesis asam nukleat sedangkan mammalia
tidak dapat. Jadi 5-fluoroorotate merupakan obat antiparasit yang efektif sebab
sifatnya yang beracun selektif pada parasit tsb.
4.5. Hidrolisis polinukleotida
Hampir semua asam nukleat berinteraksi atau berikatan dengan protein,
Nukleoprotein yang dimakan didegradasi oleh enzim-enzim yang dibentuk oleh
pankreas dan nukleoprotein jaringan oleh enzim lisosom. Setelah protein dilepas
dari asam nukleat, protein dimetabolisme seperti protein lainnya.
