Dehidrogenase

Dehidrogenase adalah enzim yang termasuk dalam kelompok oksidoreduktase yang mengoksidasi substrat dengan mereduksi akseptor elektron, biasanya NAD⁺/NADP^+[1] atau koenzim flavin seperti FAD atau FMN. Seperti halnya semua katalis, enzim ini mengkatalisis reaksi baik ke arah maju maupun balik, dan dalam beberapa kasus hal ini memiliki signifikansi fisiologis: misalnya, dehidrogenase alkohol mengkatalisis oksidasi etanol menjadi asetaldehida pada manusia dan hewan, namun pada khamir, enzim ini mengkatalisis pembentukan etanol dari asetaldehida.

Klasifikasi IUBMB

Oksidoreduktase, yaitu enzim yang mengkatalisis reaksi oksidasi-reduksi, merupakan Kelas EC 1 dalam klasifikasi reaksi yang dikatalisis enzim menurut IUBMB.^[2] Enzim-enzim ini dapat disebut sebagai "dehidrogenase", terutama yang menggunakan NAD⁺ sebagai akseptor elektron (oksidan); namun, istilah reduktase juga digunakan jika penekanan fisiologisnya terletak pada reduksi substrat, sedangkan istilah oksidase "hanya" digunakan jika O₂ bertindak sebagai akseptor elektron.^[3] Nama sistematis untuk oksidoreduktase adalah "donor:akseptor oksidoreduktase", namun jika memungkinkan, penamaan yang lebih praktis adalah "donor dehidrogenase".

Reaksi yang dikatalisis

Dehidrogenase mengoksidasi substrat dengan mentransfer hidrogen ke akseptor elektron, akseptor elektron yang umum digunakan adalah NAD⁺ atau FAD. Proses ini dianggap sebagai oksidasi substrat, di mana substrat kehilangan atom hidrogen atau memperoleh atom oksigen (dari air).^[4] Nama "dehidrogenase" didasarkan pada gagasan bahwa enzim ini memfasilitasi pelepasan ("de-") hidrogen ("-hidrogen-") dan merupakan suatu enzim ("-ase"). Reaksi dehidrogenase umumnya terjadi dalam dua bentuk: transfer hidrida dan pelepasan proton (sering kali dengan air sebagai reaktan kedua), serta transfer dua atom hidrogen.

Transfer hidrida dan pelepasan proton

Terkadang, reaksi yang dikatalisis oleh dehidrogenase tampak seperti ini: AH + B⁺ ↔ A⁺ + BH saat hidrida ditransfer.

A mewakili substrat yang akan dioksidasi, sedangkan B adalah akseptor hidrida. Perhatikan bahwa ketika hidrida ditransfer dari A ke B, A memperoleh muatan positif; hal ini terjadi karena enzim mengambil dua elektron dari substrat untuk mereduksi akseptor menjadi BH.

Hasil dari reaksi yang dikatalisis oleh dehidrogenase tidak selalu berupa perolehan muatan positif. Terkadang, substrat kehilangan proton. Hal ini dapat menyisakan elektron bebas pada substrat yang kemudian berpindah membentuk ikatan ganda. Kejadian ini sering terjadi ketika alkohol menjadi substratnya; saat proton pada oksigen lepas, elektron bebas pada oksigen akan digunakan untuk membentuk ikatan ganda, sebagaimana terlihat pada oksidasi etanol menjadi asetaldehida oleh dehidrogenase alkohol pada gambar di sebelah kanan.^[2]

Kemungkinan lainnya adalah masuknya molekul air ke dalam reaksi, yang menyumbangkan ion hidroksida ke substrat dan proton ke lingkungan sekitar. Hasil akhirnya pada substrat adalah penambahan satu atom oksigen. Hal ini terlihat, misalnya, pada oksidasi asetaldehida menjadi asam asetat oleh dehidrogenase asetaldehida, sebuah tahapan dalam metabolisme etanol dan produksi cuka.

Transfer dua atom hidrogen

Pada kasus di atas, dehidrogenase mentransfer ion hidrida sembari melepaskan proton (H⁺), namun dehidrogenase juga dapat mentransfer dua atom hidrogen dengan menggunakan FAD sebagai akseptor elektron. Proses ini dapat digambarkan sebagai AH₂ + B ↔ A + BH₂. Ikatan ganda biasanya terbentuk di antara dua atom tempat hidrogen tersebut diambil, seperti pada kasus dehidrogenase suksinat. Kedua atom hidrogen tersebut telah ditransfer beserta elektronnya ke molekul pembawa atau produk lainnya.

Mengidentifikasi reaksi dehidrogenase

Perbedaan antara subkelas oksidoreduktase yang mengkatalisis reaksi oksidasi terletak pada akseptor elektronnya.^[5]

Dehidrogenase dan oksidase dapat dibedakan dengan mudah jika kita memperhatikan akseptor elektronnya. Oksidase juga mengambil elektron dari substrat, namun hanya menggunakan oksigen sebagai akseptor elektronnya. Salah satu contoh reaksinya adalah: AH₂ + O₂ ↔ A + H₂O₂.

Terkadang, reaksi oksidase tampak seperti ini: 4A + 4H⁺ + O₂ ↔ 4A⁺ + 2H₂O. Dalam hal ini, enzim mengambil elektron dari substrat dan menggunakan proton bebas untuk mereduksi oksigen, sehingga substrat menjadi bermuatan positif. Produk yang dihasilkan adalah air, bukan hidrogen peroksida seperti pada contoh sebelumnya. Contoh oksidase yang bekerja dengan cara ini adalah kompleks IV dalam rantai transpor elektron (ETC).^[6]

Perlu dicatat bahwa oksidase umumnya mentransfer ekuivalen dihidrogen (H₂), dan akseptornya adalah dioksigen. Demikian pula, peroksidase (subkelas oksidoreduktase lainnya) menggunakan peroksida (H₂O₂) sebagai akseptor elektron, bukan oksigen.^[2]

Akseptor elektron

Enzim dehidrogenase mentransfer elektron dari substrat ke pembawa elektron; pembawa yang digunakan bergantung pada reaksi yang sedang berlangsung. Akseptor elektron umum yang digunakan oleh subkelas ini adalah NAD⁺, FAD, dan NADP⁺. Pembawa elektron mengalami reduksi dalam proses ini dan dianggap sebagai oksidator bagi substrat tersebut. Pembawa elektron merupakan koenzim yang sering disebut sebagai "kofaktor redoks."^[5]

NAD⁺

NAD⁺ (nikotinamida adenina dinukleotida) adalah suatu dinukleotida yang terdiri dari dua nukleotida. Salah satu nukleotida yang dikandungnya adalah gugus adenina, sedangkan yang lainnya adalah nikotinamida. Untuk mereduksi molekul ini, satu atom hidrogen dan dua elektron harus ditambahkan ke cincin karbon beranggota enam pada nikotinamida; satu elektron ditambahkan ke atom karbon yang berseberangan dengan nitrogen bermuatan positif, yang menyebabkan penataan ulang ikatan di dalam cincin sehingga nitrogen menerima lebih banyak elektron, akibatnya nitrogen kehilangan muatan positifnya. Elektron lainnya "diambil" dari atom hidrogen tambahan, sehingga menyisakan ion hidrogen di dalam larutan.^[5][7]

Reduksi NAD⁺: NAD⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ ↔ NADH + H⁺

NAD⁺ sebagian besar digunakan dalam jalur katabolik seperti glikolisis, yang menguraikan molekul penghasil energi untuk memproduksi ATP. Rasio NAD⁺ terhadap NADH dijaga agar tetap sangat tinggi di dalam sel, sehingga NAD+ selalu tersedia untuk bertindak sebagai oksidator.^[7][8]

NADP+

NADP⁺ berbeda dari NAD⁺ hanya pada penambahan gugus fosfat ke cincin karbon beranggota lima pada bagian adenosina. Penambahan fosfat tersebut tidak mengubah kemampuan pembawa dalam mentransfer elektron. Gugus fosfat menciptakan perbedaan yang cukup signifikan di antara kedua molekul tersebut sehingga keduanya berikatan dengan sisi aktif enzim yang berbeda, yang umumnya mengkatalisis jenis reaksi yang berbeda pula.^[8][9]

Kedua pembawa elektron ini dapat dibedakan dengan mudah oleh enzim dan terlibat dalam reaksi yang sangat berbeda. NADP⁺ terutama berfungsi bersama enzim yang mengkatalisis jalur anabolik, atau biosintetik.^[9] Secara khusus, NADPH akan bertindak sebagai agen pereduksi dalam reaksi-reaksi ini, yang menghasilkan NADP⁺. Ini adalah jalur-jalur yang mengubah substrat menjadi produk yang lebih kompleks dengan menggunakan ATP. Alasan di balik penggunaan dua pembawa elektron yang terpisah untuk jalur anabolik dan katabolik berkaitan dengan pengaturan metabolisme.^[7] Rasio NADP⁺ terhadap NADPH di dalam sel dijaga agar tetap rendah, sehingga NADPH senantiasa tersedia sebagai agen pereduksi; senyawa ini lebih sering digunakan sebagai agen pereduksi dibandingkan penggunaan NADP⁺ sebagai agen pengoksidasi.^[8]

FAD

FAD, atau flavin adenina dinukleotida, adalah gugus prostetik (unit non-polipeptida yang terikat pada protein dan diperlukan agar protein tersebut dapat berfungsi) yang terdiri dari nukleotida adenina dan flavin mononukleotida.^[10] FAD merupakan akseptor elektron yang unik. Bentuk tereduksi sepenuhnya adalah FADH₂ (dikenal sebagai "bentuk hidrokuinon"), namun FAD juga dapat teroksidasi sebagian menjadi FADH, baik melalui reduksi FAD maupun oksidasi FADH₂.^[11] Enzim dehidrogenase biasanya mereduksi FAD sepenuhnya menjadi FADH₂. Pembentukan FADH jarang terjadi.

Atom nitrogen yang berikatan rangkap dalam FAD menjadikannya akseptor yang baik dalam mengambil dua atom hidrogen dari substrat. Karena mengambil dua atom dan bukan satu, FAD sering terlibat dalam proses pembentukan ikatan ganda pada substrat yang baru saja teroksidasi.^[12] FAD bersifat unik karena direduksi oleh dua elektron dan dua proton, berbeda dengan NAD⁺ dan NADP yang hanya mengambil satu proton.

Contoh

Implikasi biologis

Aldehida merupakan produk sampingan alami dari berbagai proses fisiologis sekaligus hasil dari banyak proses industri yang dilepaskan ke lingkungan dalam bentuk kabut asap dan gas buang kendaraan bermotor. Penumpukan aldehida di otak dan perikardium dapat membahayakan kesehatan seseorang karena senyawa ini dapat membentuk aduk (ikatan kimia) dengan molekul-molekul penting dan menyebabkan inaktivasi molekul-molekul tersebut.^[13]

Mengingat betapa umumnya keberadaan aldehida, tentu terdapat enzim yang memfasilitasi oksidasinya menjadi senyawa yang kurang volatil (mudah menguap). Dehidrogenase aldehida (ALDH) adalah enzim yang bergantung pada NAD⁺ dan berfungsi menyingkirkan aldehida beracun dari tubuh, terutama bekerja di dalam mitokondria sel. Enzim-enzim ini berperan besar dalam detoksifikasi asetaldehida, yaitu senyawa antara dalam metabolisme etanol. Telah terbukti bahwa mutasi pada gen ALDH2 (salah satu dari 19 gen dehidrogenase aldehida) merupakan penyebab fenomena umum pada populasi Asia Timur, yakni wajah memerah setelah mengonsumsi alkohol akibat penumpukan asetaldehida.^[14] Penumpukan asetaldehida ini juga menyebabkan sakit kepala dan muntah (gejala pengar) jika tidak segera diurai, hal ini menjadi alasan lain mengapa individu dengan defisiensi enzim dehidrogenase aldehida mengalami reaksi buruk terhadap alkohol.^[15] Yang tak kalah penting, kekurangan enzim ini dikaitkan dengan peningkatan risiko infark miokard, sementara aktivasi enzim ini terbukti mampu mengurangi kerusakan akibat iskemia.^[13]

Inaktivasi aldehida dehidrogenase terbukti berperan penting dalam mekanisme berbagai jenis kanker. ALDH berfungsi dalam diferensiasi sel, proliferasi, oksidasi, dan resistensi obat.^[16] Enzim-enzim ini hanyalah satu contoh dari beragam jenis dehidrogenase dalam tubuh manusia; berbagai fungsi yang dimilikinya, serta dampak inaktivasi atau mutasinya terhadap proses seluler yang krusial, menegaskan betapa pentingnya peran seluruh enzim dehidrogenase dalam menjaga homeostasis tubuh.

Contoh lainnya

• dehidrogenase asetaldehida
• dehidrogenase alkohol
• dehidrogenase delta12-asam lemak
• dehidrogenase glutamat (enzim yang dapat mengubah glutamat menjadi α-ketoglutarat dan sebaliknya).
• dehidrogenase laktat (digunakan untuk mengubah NADH kembali menjadi NAD⁺ dalam glikolisis anaerobik, dan dalam reaksi balik untuk menghasilkan NADH)
• dehidrogenase piruvat (enzim umum yang memasok siklus asam sitrat dengan mengubah piruvat menjadi asetil-KoA, menggunakan NAD⁺. Dalam reaksi ini, substrat tidak hanya dioksidasi tetapi juga melepaskan molekul karbon dioksida, serta terikat pada koenzim KoA.)
• dehidrogenase glukosa-6-fosfat (terlibat dalam lintasan pentosa fosfat, menghasilkan NADPH)
• dehidrogenase gliseraldehida-3-fosfat (terlibat dalam glikolisis, menggunakan NAD⁺)
• dehidrogenase sorbitol

Contoh siklus asam sitrat:

• dehidrogenase isositrat (menggunakan NAD⁺, juga memiliki isoenzim yang menggunakan NADP)
• dehidrogenase ketoglutarat alfa (menggunakan NAD⁺)
• dehidrogenase suksinat (menggunakan FAD)
• dehidrogenase malat (menggunakan NAD⁺)

Referensi

Templat:Enzymes