Glukoneogenesis merupakan proses biosintesis gula heksosa yang mengagumkan yang terjadi pada mikroorganisme, seperti bakteri. Dalam medium yang miskin sumber karbon – seperti medium yang hanya berisi suksinat, malat, asetat, dan gliserol – mikroorganisme ini dapat tumbuh dengan baik. Rahasianya terletak pada proses glukoneogenesis.
Glukoneogenesis pada mikroorganisme berfungsi mensintesis gula heksosa dari bahan organik non-karbohidrat, terutama asam piruvat. Meski demikian, proses ini bukanlah kebalikan dari glikolisis. Mengapa demikian? Sebab beberapa enzim pada jalur metabolisme Embden-Meyerhoff-Parnas atau Glikolisis, atau jalur lain seperti Entnerr-Doudoroff tidak dapat dijalankan secara reversibel karena kondisi kinetika yang tidak memungkinkan. Dengan kata lain, energi yang dibutuhkan untuk membalikkan reaksi dengan enzim yang sama terlalu besar.
Maka, inilah beberapa enzim yang tidak reversibel dalam proses ini, dan bagaimana cara sel mikrob “menggantikan” peran enzim tersebut.
Perbandingan Antara Glikolisis dan Glukoneogenesis
Piruvat Kinase Digantikan oleh PEP Carboxykinase, atau PEP Synthase
Piruvat Kinase adalah enzim yang berfungsi mengkatalis defosforilasi PEP menjadi piruvat dan menghasilkan ATP dari proses tersebut. Enzim ini tidak reversibel berdasarkan hukum kinetika.
Untuk mengatasi masalah ini, sel mikrob memiliki dua pilihan enzim. Pertama adalah PEP Carboxykinase yang mengkatalis biosintesis PEP dengan menggunakan intermediet siklus krebs yaitu oksaloasetat (OAA) dan Guanosin trifosfat (GTP) sebagai sumber energi. Hasil dari proses dekarboksilasi dan fosforilasi OAA adalah satu molekul PEP, CO2, dan GDP.
Enzim kedua adalah PEP Synthase yang dimiliki oleh banyak bakteri. Enzim ini mengkatalis pembentukan PEP dengan bahan baku asam piruvat dan ATP sebagai sumber energi. Hasil reaksi ini adalah satu molekul ADP dan PEP.
Fosfofruktokinase Digantikan oleh Fruktosa-1,6-Bifosfatase
Fosfofruktokinase adalah enzim yang mengkatalis reaksi fosforilasi kedua fruktosa-6-fosfat menjadi fruktosa-1,6-bifosfat. Enzim ini tidak reversibel berdasarkan hukum kinetika.
Untuk menghasilkan Fruktosa-6-fosfat kembali, yang akan diubah menjadi glukosa-6-fosfat, sel menggunakan fruktosa-1,6-bifosfatase yang mengkatalis reaksi defosforilasi molekul fruktosa-1,6-bifosfat.
Enzim ini sangat penting bagi mikroorganisme, sebagaimana terlihat dari kemampuannya untuk tumbuh dalam media minimal. Sebagai contoh, E.coli yang kehilangan kemampuan untuk mengekspresikan gen fbp, penyandi fruktosa bifosfatase ini, tidak mampu tumbuh dalam media minimal.
Langkah-langkah dalam Proses Glukoneogenesis
Glukoneogenesis melibatkan tiga tahapan utama. Tahap pertama, bypass 1, meliputi reaksi konversi piruvat menjadi PEP. Tahap kedua, bypass 2, meliputi reaksi defosforilasi fruktosa-1,6-bifosfat menjadi fruktosa-6-fosfat. Tahap terakhir adalah reaksi defosforilasi Glu-6-fosfat menjadi glukosa, atau dapat juga dilanjutkan menuju jalur biosintesis lain seperti proses pembentukan kitin, selulosa, atau molekul lain.
Regulasi Glukoneogenesis
Regulasi glukoneogenesis pada mikroorganisme sangat penting untuk memastikan proses ini berjalan dengan efisien dan efektif.
Regulasi Glukoneogenesis Pada Berbagai Organisme
Mekanisme regulasi glukoneogenesis sangat penting dalam menentukan jalur mana – baik glukoneogenesis atau glikolisis – yang harus diaktifkan oleh sel. Regulasi ini sangat bergantung pada kebutuhan energi dan bahan bakar metabolik sel. Regulasi ini terjadi baik pada tingkat transkripsi dan translasi maupun pada tingkat post-translasi, dan melibatkan berbagai enzim kunci.
Regulasi Hormonal
Regulasi hormonal glukoneogenesis sangat penting, terutama dalam hewan dan manusia. Hormon seperti insulin, glucagon, dan hormon adrenalin memiliki peran penting dalam regulasi proses ini.
- Insulin, hormon yang dilepaskan ketika tingkat glukosa darah tinggi, menghambat glukoneogenesis. Insulin merangsang sintesis glikogen dan penyerapan glukosa oleh jaringan perifer, dan sekaligus menghambat glukoneogenesis di hati.
- Glukagon dan adrenalin, dilepaskan saat tingkat glukosa darah rendah, merangsang proses glukoneogenesis. Hormon ini merangsang penguraian glikogen menjadi glukosa dan merangsang konversi asam amino dan laktat menjadi glukosa melalui glukoneogenesis.
Regulasi Enzimatik
Enzim yang berperan dalam glukoneogenesis biasanya dirangsang atau dihambat oleh molekul tertentu. Beberapa contohnya adalah:
- PEP Carboxykinase adalah enzim yang merangsang glukoneogenesis dan dihambat oleh insulin.
- Fruktosa-1,6-bifosfatase adalah enzim yang merangsang glukoneogenesis dan dihambat oleh fruktosa 2,6-bifosfat.
- Glukosa-6-fosfatase, yang hanya ada di hati dan ginjal, mengkonversi glukosa-6-fosfat menjadi glukosa bebas, langkah terakhir dalam glukoneogenesis. Enzim ini dihambat oleh insulin dan dirangsang oleh glukagon.
Regulasi Genetik
Regulasi genetik glukoneogenesis juga penting dan melibatkan peningkatan atau penurunan ekspresi gen yang mengkode enzim yang berperan dalam proses ini. Misalnya, pada hewan, tingkat transkripsi PEP Carboxykinase meningkat ketika glukoneogenesis harus dirangsang.
Sementara itu, pada mikroorganisme seperti E.coli, aktivasi glukoneogenesis dikendalikan oleh protein aktivator catabolit (CAP) dan cAMP. Ketika glukosa tinggi, cAMP rendah, dan CAP tidak aktif, sehingga transkripsi gen untuk enzim glukoneogenesis berkurang.
Memahami regulasi proses ini penting karena dapat membantu dalam penelitian dan pengembangan terapi untuk berbagai kondisi, seperti diabetes dan hipoglikemia.
Regulasi Glukoneogenesis pada Mikroorganisme
Pada mikroorganisme seperti bakteri, regulasi glukoneogenesis melibatkan mekanisme yang berbeda dari hewan atau manusia. Regulasi ini dapat melibatkan sejumlah protein pengaturan dan juga dikendalikan oleh kondisi lingkungan mikroba.
Regulasi oleh Protein Catabolite Repressor (Cra)
Protein Cra (FruR) adalah pengatur glukoneogenesis pada Escherichia coli dan organisme lainnya. Cra bertindak sebagai repressor dari gen-gen yang mengkode enzim glukolisis dan sebagai aktivator dari gen-gen yang mengkode enzim glukoneogenesis. Ketika fruktosa-1-fosfat ada, Cra mengikatnya dan ini mengubah konformasi protein sehingga tidak dapat mengikat DNA dan mengontrol transkripsi gen.
Regulasi oleh Protein Aktivator Catabolit (CAP) dan cAMP
Dalam E.coli, aktivasi glukoneogenesis dikendalikan oleh Protein Aktivator Catabolit (CAP) dan cAMP. Dalam kondisi ketika glukosa tinggi, cAMP rendah, dan CAP tidak aktif, menghasilkan penurunan transkripsi gen untuk enzim glukoneogenesis.
Sebaliknya, ketika glukosa rendah, tingkat cAMP meningkat. cAMP kemudian berikatan dengan CAP dan kompleks ini dapat berikatan dengan DNA dan meningkatkan transkripsi gen yang terlibat dalam glukoneogenesis. Oleh karena itu, dalam kondisi rendah glukosa, glukoneogenesis dirangsang.
Regulasi oleh kondisi lingkungan dan energi sel
Pada mikroorganisme, glukoneogenesis juga dikontrol oleh kondisi lingkungan dan status energi sel. Misalnya, jika ada kekurangan glukosa atau sumber karbon lainnya dalam lingkungan, glukoneogenesis dapat dirangsang. Selain itu, jika sel dalam keadaan kekurangan energi, glukoneogenesis juga dapat dirangsang untuk menghasilkan glukosa dari senyawa non-karbohidrat lainnya.
Memahami mekanisme ini penting karena dapat membantu dalam penelitian mikroba dan mungkin dalam pengembangan strategi untuk mengontrol pertumbuhan mikroba dalam berbagai pengaturan, seperti industri atau kesehatan.
Sumber Pustaka dan Ilustrasi
Kim, BH dan Gadd, GM. 2008. Bacterial Physiology and Metabolism. https://books.google.co.id/books/about/Bacterial_Physiology_and_Metabolism.html?id=bUfQTpN3vkYC&redir_esc=y