METABOLISME KARBOHIDRAT
Penyusun:
Heru Santoso Wahito Nugroho, S.Kep., Ns.,
M.M.Kes
Telefon:
0352-752747 (rumah), 081335251726
(mobile), 0351-895216 (kantor)
E-mail:
website:
Referensi:
Anonim, 2000, Petunjuk Praktikum Biokimia Untuk PSIK (B)
Fakultas Kedokteran Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta:
Lab. Biokimia FK UGM
Guyton AC,
Hall JE, 1996, Buku Ajar Fisiologi Kedokteran, Edisi IX, Penerjemah: Setiawan
I, Tengadi LMAKA, Santoso A, Jakarta:
EGC
http://www.biology.arizona.edu\biochemistry, 2003, The Biology Project-Biochemistry
http://www.bioweb.wku.edu\courses\BIOL115\Wyatt, 2008, WKU Bio 113 Biochemistry
http://www.en.wikipedia.org, 2008, Oxidative Phosphorylation
http://www.gwu.edu\_mpb, 1998, The Metabolic Pathways of Biochemistry, Karl J. Miller
http://www.ull.chemistry.uakron.edu\genobc, 2008, General, Organic and Biochemistry
http://www.wiley.com\legacy\college\boyer\0470003790\animations\electron_transport, 2008, Interactive Concepts in Biochemistry:
Oxidative Phosphorylation
Murray RK, Granner DK, Mayes PA,
Rodwell VW, 2003, Biokimia Harper, Edisi
XXV, Penerjemah Hartono Andry, Jakarta: EGC
Stryer L, 1996,
Biokimia,
Edisi IV, Penerjemah: Sadikin dkk (Tim Penerjemah Bagian Biokimia FKUI), Jakarta:
EGC
Supardan, 1989, Metabolisme Karbohidrat, Malang: Lab. Biokimia
Universitas Brawijaya
Pendahuluan
Kata karbohidrat berasal dari kata karbon dan
air. Secara sederhana karbohidrat didefinisikan sebagai polimer gula. Karbohidrat adalah senyawa karbon yang mengandung
sejumlah besar gugus hidroksil. Karbohidrat paling sederhana bisa berupa
aldehid (disebut polihidroksialdehid atau aldosa) atau berupa keton (disebut
polihidroksiketon atau ketosa). Berdasarkan pengertian di atas berarti
diketahui bahwa karbohidrat terdiri atas atom C, H dan O. Adapun rumus umum
dari karbohidrat adalah:
Cn(H2O)n atau CnH2nOn
Fungsi karbohidrat
Fungsi primer dari
karbohidrat adalah sebagai cadangan energi
jangka pendek (gula merupakan sumber energi). Fungsi sekunder
dari karbohidrat adalah sebagai cadangan energi jangka menengah (pati untuk
tumbuhan dan glikogen untuk hewan dan manusia). Fungsi lainnya
adalah sebagai komponen struktural sel.
Klasifikasi karbohidrat
Karbohidrat
dapat dikelompokkan menurut jumlah unit gula, ukuran dari rantai karbon, lokasi
gugus karbonil (-C=O), serta stereokimia.
Berdasarkan jumlah unit gula dalam rantai, karbohidrat digolongkan
menjadi 4 golongan utama yaitu:
1.
Monosakarida (terdiri atas 1 unit gula)
2. Disakarida
(terdiri atas 2 unit gula)
3.
Oligosakarida (terdiri atas 3-10 unit gula)
4.
Polisakarida (terdiri atas lebih dari 10 unit gula)
Pembentukan rantai
karbohidrat menggunakan ikatan glikosida.
Berdasarkan lokasi gugus –C=O, monosakarida digolongkan menjadi 2
yaitu:
1.
Aldosa (berupa aldehid)
2.
Ketosa (berupa keton)
Klasifikasi
karbohidrat menurut lokasi gugus karbonil
Berdasarkan jumlah atom C pada rantai, monosakarida
digolongkan menjadi:
1. Triosa
(tersusun atas 3 atom C)
2. Tetrosa (tersusun
atas 4 atom C)
3. Pentosa
(tersusun atas 5 atom C)
4.
Heksosa (tersusun atas 6 atom C)
5. Heptosa
(tersusun atas 7 atom C)
6.
Oktosa (tersusun atas 3 atom C)
Klasifikasi karbohidrat menurut jumlah
atom C
Contoh monosakarida
Contoh pertama di atas (sebelah kiri)
menunjukkan sebuah monosakarida triosa (memiliki 3 atom C), aldosa (berstruktur
aldehid/-COH) sehingga dinamakan gula aldotriosa. Sedangkan contoh kedua
(sebelah kanan) menunjukkan sebuah monosakarida heksosa (memiliki 6 atom C),
ketosa (berstruktur keton/R-CO-R) sehingga dinamakan gula ketoheksosa.
Berdasarkan stereokimia, monosakarida terbagi menjadi beberapa golongan. Stereokimia
adalah studi mengenai susunan spasial dari molekul. Salah satu bagian dari
stereokimia adalah stereoisomer. Stereoisomer mengandung pengertian:
1.
memiliki kesamaan order dan jenis ikatan
2.
memiliki perbedaan susunan spasial
3.
memiliki perbedaan properti (sifat).
Enantiomer merupakan pasangan dari stereoisomer. Dalam hal
ini terdapat aturan yaitu:
1.
Diberi awalan D dan L
2.
Keduanya merupakan gambar cermin yang tak mungkin saling tumpang
tindih
Gambar-gambar berikut memberikan
penjelasan mengenai perbedaan susunan
spasial dalam enatiomer.
Ilustrasi untuk enantiomer (perhatikan perbedaan susunan
spasial yang ada)
Contoh enantiomer dari gula triosa (perhatikan perbedaan
susunan spasial yang ada)
Monosakarida-monosakarida penting
Beberapa monosakarida penting bagi tubuh
kita di antaranya adalah D-gliseraldehid, D-glukosa, D-fruktosa, D-galaktosa
serta D-ribosa.
1. D-gliseraldehid (karbohidrat paling sederhana)
Karbohidrat ini hanya memiliki 3 atom C
(triosa), berupa aldehid (aldosa) sehingga dinamakan aldotriosa.
D-gliseraldehid (perhatikan bahwa gula ini hanya memiliki 3
atom C sehingga disebut paling sederhana)
2.
D-glukosa (karbohidrat terpenting dalam
diet)
Glukosa merupakan aldoheksosa, yang sering kita sebut
sebagai dekstrosa, gula anggur ataupun gula darah. Gula ini terbanyak ditemukan
di alam.
D-glukosa (perhatikan bahwa glukosa mengalami siklisasi
membentuk struktur cincin)
3.
D-fruktosa (termanis dari semua gula)
Gula ini berbeda dengan gula yang lain
karena merupakan ketoheksosa.
D-fruktosa (perhatikan bahwa fruktosa mengalami siklisasi
membentuk struktur cincin)
4. D-galaktosa (bagian dari susu)
Gula ini tidak ditemukan tersendiri
pada sistem biologis, namun merupakan bagian dari disakarida laktosa.
D-galaktosa (perhatikan bahwa galaktosa mengalami siklisasi
membentuk struktur cincin)
Perbedaan pokok antara D-glukosa dan D-galaktosa (perhatikan
daerah berarsis lingkaran)
5.
D-ribosa (digunakan dalam pembentukan
RNA)
Karena merupakan penyusun kerangka RNA maka ribosa penting
artinya bagi genetika bukan merupakan sumber energi. Jika atom C nomor 2 dari
ribosa kehilangan atom O, maka akan menjadi deoksiribosa yang merupakan
penyusuna kerangka DNA.
D-ribosa (perhatikan gula ini memiliki 5 atom C)
Disakarida-disakarida penting
Beberapa disakarida penting bagi tubuh kita di antaranya adalah β-maltosa, β-laktosa serta sukrosa.
1. β-maltosa
Disakarida ini tak ditemukan di alam
kecuali pada kecambah padi-padian. Maltosa merupakan gabungan dari 2 molekul
glukosa.
β-maltosa (ikatan
antara kedua monosakarida merupakan ikatan C1-4. Atom C nomor 1 yang tak
berikatan dengan glukosa lain dalam posisi beta)
2. β-laktosa
Laktosa sering disebut sebagai gula
susu. Disakarida ini tersusun atas glukosa dan galaktosa. Kita tidak dapat
menggunakan galaktosa secara langsung, tetapi harus diubah menjadi glukosa.
β-laktosa (ikatan
antara kedua monosakarida merupakan ikatan C1-4)
3. Sukrosa
Sukrosa merupakan gula terbanyak yang
bisa didapatkan dari tumbuhan. Tumbuhan yang banyak dimanfaatkan karena
kandungan sukrosa adalah tebu dan bit.
Sukrosa (berbeda dengan maltosa dan laktosa, ikatan yang
menghubungkan kedua monosakarida adalah ikatan C1-2)
Polisakarida-polisakarida penting
Beberapa polisakarida penting bagi tubuh
kita di antaranya adalah amilum (pati), glikogen dan selulosa.
1. Amilum
Pati merupakan
polisakarida yang berfungsi sebagai cadangan energi bagi tumbuhan. Pati
merupakan polimer α-D-glukosa dengan ikatan α (1-4). Kandungan glukosa pada
pati bisa mencapai 4000 unit. Ada
2 macam amilum yaitu amilosa (pati berpolimer lurus) dan amilopektin (pati
berpolimer bercabang-cabang). Sebagian besar pati merupakan amilopektin.
Struktur amilosa (perhatikan bahwa amilosa tidak
bercabang)
Struktur amilopektin (bandingkan dengan amilosa)
2. Glikogen
Glikogen merupakan polimer glukosa dengan
ikatan α (1-6). Polisakarida ini merupakan cadangan
energi pada hewan dan manusia yang disimpan di hati dan otot sebagai granula. Glikogen serupa
dengan amilopektin.
Struktur glikogen (bandingkan dengan amilum)
3. Selulosa
Selulosa tersusun atas rantai glukosa dengan ikatan β (1-4). Selulosa lazim disebut sebagai serat dan
merupakan polisakarida terbanyak.
Struktur selulosa yang merupakan polimer dari glukosa
(bandingkan dengan pati)
Karbohidrat-karbohidrat lain
Beberapa karbohidrat bergabung dengan komponen lain. Sebagai contoh
adalah mukopolisakarida, suatu materi tipis, kental, menyerupai jelly dan melapisi sel.
Stuktur dari mukopolisakarida
Contoh yang lain adalah glikoprotein, suatu protein yang mengikat unit karbohidrat dengan ikatan
kovalen. Struktur ini memainkan beberapa peran penting di antaranya dalam
proses proteksi imunologis, pembekuan darah, pengenalan sel-sel, serta
interaksi dengan bahan kimia lain.
Glikoprotein
Metabolisme karbohidrat
Karbohidrat
siap dikatabolisir
menjadi energi jika berbentuk monosakarida. Energi yang dihasilkan berupa Adenosin trifosfat
(ATP).
Glukosa merupakan karbohidrat
terpenting. Dalam bentuk glukosalah massa
karbohidrat makanan diserap ke dalam aliran darah, atau ke dalam bentuk
glukosalah karbohidrat dikonversi di dalam hati, serta dari glukosalah semua
bentuk karbohidrat lain dalam tubuh dapat dibentuk. Glukosa merupakan bahan
bakar metabolik utama bagi jaringan mamalia (kecuali hewan pemamah biak) dan
bahan bakar universal bagi janin. Unsur ini diubah menjadi karbohidrat lain dengan
fungsi sangat spesifik, misalnya glikogen untuk simpanan, ribose dalam bentuk asam nukleat,
galaktosa dalam laktosa susu, dalam senyawa lipid kompleks tertentu dan dalam
bentuk gabungan dengan protein, yaitu glikoprotein serta proteoglikan.
Sekilas tentang
metabolisme
Peristiwa yang
dialami unsur-unsur makanan setelah dicerna dan diserap adalah METABOLISME INTERMEDIAT. Jadi metabolisme
intermediat mencakup suatu bidang luas yang berupaya memahami bukan saja
lintasan metabolik yang dialami oleh masing-masing molekul, tetapi juga
interelasi dan mekanisme yang mengatur arus metabolit melewati lintasan
tersebut.
Lintasan
metabolisme dapat digolongkan menjadi 3 kategori:
1. Lintasan anabolik
(penyatuan/pembentukan)
Ini merupakan lintasan yang digunakan pada sintesis senyawa pembentuk struktur
dan mesin tubuh. Salah satu contoh dari kategori ini adalah sintesis protein.
2. Lintasan katabolik (pemecahan)
Lintasan ini
meliputi berbagai proses oksidasi yang melepaskan
energi bebas, biasanya dalam bentuk fosfat energi tinggi atau unsur ekuivalen
pereduksi, seperti rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif.
3. Lintasan amfibolik (persimpangan)
Lintasan ini
memiliki lebih dari satu fungsi dan terdapat pada persimpangan metabolisme
sehingga bekerja sebagai penghubung antara lintasan anabolik dan lintasan
katabolik. Contoh dari lintasan ini adalah siklus asam sitrat.
Siklus asam sitrat sebagai lintasan amfibolik dalam
metabolisme (perhatikan jalur persimpangan jalur katabolisme dan anabolisme)
(dipetik dari: Murray
dkk. Biokimia Harper)
Sifat diet atau makanan menentukan pola dasar metabolisme di dalam
tubuh. Mamalia, termasuk manusia harus memproses hasil penyerapan produk-produk
pencernaan karbohidrat, lipid dan protein dari makanan. Secara berurutan,
produk-produk ini terutama adalah glukosa, asam lemak serta gliserol dan asam
amino. Semua produk hasil pencernaan diproses melalui lintasan metaboliknya
masing-masing menjadi suatu produk umum yaitu Asetil KoA, yang kemudian akan
dioksidasi secara sempurna melalui siklus asam sitrat.
Karbohidrat
|
Protein
|
Lipid
|
Gula sederhana (terutama glukosa)
|
Asam amino
|
Asam lemak + gliserol
+
gliserol
|
Asetil
KoA
|
Siklus
asam sitrat
|
2H
|
ATP
|
2CO2
|
Pencernaan dan absorpsi
|
Katabolisme
|
Ilustrasi skematis dari lintasan metabolik dasar
Terdapat beberapa jalur metabolisme
karbohidrat baik yang tergolong sebagai katabolisme maupun anabolisme, yaitu glikolisis, oksidasi piruvat, siklus asam sitrat, glikogenesis,
glikogenolisis serta glukoneogenesis.
Secara ringkas, jalur-jalur metabolisme
karbohidrat dijelaskan sebagai berikut:
1.
Glukosa sebagai bahan bakar utama akan mengalami glikolisis
(dipecah) menjadi 2 piruvat jika tersedia oksigen. Dalam tahap ini dihasilkan energi berupa ATP.
2.
Selanjutnya masing-masing piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA. Dalam tahap ini dihasilkan energi berupa ATP.
3.
Asetil KoA akan masuk ke jalur persimpangan yaitu siklus asam
sitrat. Dalam tahap ini dihasilkan energi berupa ATP.
4.
Jika sumber glukosa berlebihan, melebihi kebutuhan energi kita maka
glukosa tidak dipecah, melainkan akan dirangkai menjadi polimer glukosa (disebut glikogen). Glikogen ini disimpan di hati dan otot sebagai cadangan energi
jangka pendek. Jika kapasitas penyimpanan glikogen sudah penuh, maka
karbohidrat harus dikonversi menjadi jaringan lipid sebagai cadangan energi
jangka panjang.
5.
Jika terjadi kekurangan glukosa dari diet sebagai sumber energi, maka
glikogen dipecah menjadi glukosa. Selanjutnya glukosa mengalami glikolisis,
diikuti dengan oksidasi piruvat sampai dengan siklus asam sitrat.
6.
Jika glukosa dari diet tak tersedia dan
cadangan glikogenpun juga habis, maka sumber energi non karbohidrat yaitu lipid dan protein harus digunakan. Jalur ini dinamakan glukoneogenesis (pembentukan glukosa baru) karena
dianggap lipid dan protein harus diubah menjadi glukosa baru yang selanjutnya
mengalami katabolisme untuk memperoleh energi.
Beberapa jalur
metabolisme karbohidrat
Glikolisis
Glikolisis berlangsung di
dalam sitosol
semua sel. Lintasan katabolisme ini adalah proses pemecahan
glukosa menjadi:
1. asam piruvat, pada suasana aerob
(tersedia oksigen)
2. asam laktat, pada suasana anaerob
(tidak tersedia oksigen)
Glikolisis
merupakan jalur utama metabolisme glukosa agar terbentuk asam piruvat, dan
selanjutnya asetil-KoA untuk dioksidasi dalam siklus asam sitrat (Siklus
Kreb’s). Selain itu glikolisis juga menjadi lintasan utama metabolisme fruktosa
dan galaktosa.
Keseluruhan
persamaan reaksi untuk glikolisis yang menghasilkan laktat adalah:
Glukosa + 2ADP +2Pi
à 2L(+)-Laktat
+2ATP +2H2O
Lintasan detail
glikolisis (dipetik dari: Murray
dkk. Biokimia Harper)
|
1.
Glukosa masuk
lintasan glikolisis melalui fosforilasi menjadi glukosa-6 fosfat dengan dikatalisir oleh enzim heksokinase atau glukokinase
pada sel parenkim hati dan sel Pulau Langerhans pancreas. Proses ini memerlukan
ATP sebagai donor fosfat. ATP
bereaksi sebagai kompleks Mg-ATP. Terminal fosfat berenergi tinggi pada ATP
digunakan, sehingga hasilnya adalah ADP.
(-1P)
Reaksi
ini disertai kehilangan energi bebas dalam jumlah besar berupa kalor, sehingga
dalam kondisi fisiologis dianggap irrevesibel. Heksokinase dihambat secara
alosterik oleh produk reaksi glukosa 6-fosfat.
Mg2+
Glukosa + ATP à glukosa 6-fosfat + ADP
2.
Glukosa
6-fosfat diubah menjadi Fruktosa
6-fosfat dengan bantuan enzim fosfoheksosa
isomerase dalam suatu reaksi isomerasi aldosa-ketosa. Enzim ini hanya
bekerja pada anomer µ-glukosa
6-fosfat.
µ-D-glukosa 6-fosfat « µ-D-fruktosa 6-fosfat
3.
Fruktosa 6-fosfat diubah menjadi Fruktosa 1,6-bifosfat dengan bantuan
enzim fosfofruktokinase.
Fosfofruktokinase merupakan enzim yang bersifat alosterik sekaligus bisa
diinduksi, sehingga berperan penting dalam laju glikolisis. Dalam kondisi
fisiologis tahap ini bisa dianggap irreversible. Reaksi ini memerlukan ATP sebagai donor fosfat, sehingga
hasilnya adalah ADP.(-1P)
µ-D-fruktosa 6-fosfat
+ ATP « D-fruktosa 1,6-bifosfat
4.
Fruktosa 1,6-bifosfat dipecah menjadi 2 senyawa
triosa fosfat yaitu gliserahdehid
3-fosfat dan dihidroksi aseton
fosfat. Reaksi ini dikatalisir oleh enzim aldolase
(fruktosa 1,6-bifosfat aldolase).
D-fruktosa
1,6-bifosfat«
D-gliseraldehid 3-fosfat + dihidroksiaseton fosfat
5.
Gliseraldehid
3-fosfat dapat berubah menjadi dihidroksi
aseton fosfat dan sebaliknya (reaksi interkonversi). Reaksi bolak-balik ini
mendapatkan katalisator enzim fosfotriosa
isomerase.
D-gliseraldehid
3-fosfat «
dihidroksiaseton fosfat
6.
Glikolisis berlangsung melalui oksidasi Gliseraldehid 3-fosfat menjadi 1,3-bifosfogliserat, dan karena
aktivitas enzim fosfotriosa isomerase, senyawa dihidroksi aseton fosfat juga
dioksidasi menjadi 1,3-bifosfogliserat melewati gliseraldehid 3-fosfat.
D-gliseraldehid
3-fosfat + NAD+ + Pi« 1,3-bifosfogliserat + NADH + H+
Enzim yang
bertanggung jawab terhadap oksidasi di atas adalah gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase, suatu enzim yang bergantung
kepada NAD.
Atom-atom
hydrogen yang dikeluarkan dari proses oksidasi ini dipindahkan kepada NAD+
yang terikat pada enzim. Pada rantai respirasi mitokondria akan dihasilkan tiga
fosfat berenergi tinggi. (+3P)
Catatan:
Karena
fruktosa 1,6-bifosfat yang memiliki 6
atom C dipecah menjadi Gliseraldehid
3-fosfat dan dihidroksi aseton fosfat yang masing-masing memiliki 3 atom C, dengan demikian terbentuk 2
molekul gula yang masing-masing beratom C tiga (triosa). Jika
molekul dihidroksiaseton fosfat juga berubah menjadi 1,3-bifosfogliserat, maka
dari 1 molekul glukosa pada bagian awal, sampai dengan tahap ini akan
menghasilkan 2
x 3P = 6P. (+6P)
7.
Energi yang dihasilkan dalam proses oksidasi
disimpan melalui pembentukan ikatan sulfur berenergi tinggi, setelah fosforolisis,
sebuah gugus fosfat berenergi tinggi dalam posisi 1 senyawa 1,3 bifosfogliserat. Fosfat berenergi
tinggi ini ditangkap menjadi ATP dalam
reaksi lebih lanjut dengan ADP, yang dikatalisir oleh enzim fosfogliserat kinase. Senyawa sisa yang
dihasilkan adalah 3-fosfogliserat.
1,3-bifosfogliserat
+ ADP «
3-fosfogliserat + ATP
Catatan:
Karena ada dua
molekul 1,3-bifosfogliserat, maka energi yang dihasilkan adalah 2 x 1P = 2P. (+2P)
8.
3-fosfogliserat diubah
menjadi 2-fosfogliserat dengan
dikatalisir oleh enzim fosfogliserat
mutase. Senyawa 2,3-bifosfogliserat (difosfogliserat, DPG) merupakan
intermediate dalam reaksi ini.
3-fosfogliserat
« 2-fosfogliserat
9.
2-fosfogliserat
diubah
menjadi fosfoenol piruvat (PEP) dengan bantuan enzim enolase. Reaksi ini melibatkan dehidrasi serta pendistribusian
kembali energi di dalam molekul, menaikkan valensi fosfat dari posisi 2 ke
status berenergi tinggi.
Enolase dihambat oleh fluoride, suatu unsure
yang dapat digunakan jika glikolisis di dalam darah perlu dicegah sebelum kadar
glukosa darah diperiksa. Enzim ini bergantung pada
keberadaan Mg2+ atau Mn2+.
2-fosfogliserat « fosfoenol piruvat + H2O
10.
Fosfat berenergi tinggi PEP dipindahkan pada ADP oleh enzim piruvat
kinase sehingga menghasilkan ATP.
Enol piruvat yang terbentuk dalam reaksi ini mengalami konversi spontan menjadi
keto piruvat. Reaksi ini disertai kehilangan energi bebas dalam jumlah besar
sebagai panas dan secara fisiologis adalah irreversible.
Fosfoenol piruvat + ADP à piruvat + ATP
Catatan:
Karena ada 2 molekul PEP
maka terbentuk 2 molekul enol piruvat sehingga total hasil energi pada tahap
ini adalah 2 x 1P = 2P. (+2P)
11.
Jika keadaan bersifat anaerob (tak tersedia
oksigen), reoksidasi NADH melalui pemindahan sejumlah unsure ekuivalen
pereduksi akan dicegah. Piruvat akan
direduksi oleh NADH menjadi laktat. Reaksi ini dikatalisir oleh
enzim laktat dehidrogenase.
Piruvat + NADH
+ H+ à L(+)-Laktat +
NAD+
Dalam
keadaan aerob, piruvat diambil oleh mitokondria, dan setelah konversi menjadi asetil-KoA, akan dioksidasi menjadi CO2 melalui siklus asam sitrat (Siklus Kreb’s). Ekuivalen pereduksi dari reaksi NADH + H+
yang terbentuk dalam glikolisis akan diambil oleh mitokondria untuk oksidasi
melalui salah satu dari reaksi ulang alik (shuttle).
Kesimpulan:
Pada glikolisis aerob, energi yang dihasilkan terinci
sebagai berikut:
-
hasil
tingkat substrat :+ 4P (2 X 2)
- hasil oksidasi
respirasi :+ 6P (3 X 2)
- jumlah :+10P
- dikurangi untuk
aktifasi glukosa dan fruktosa 6P : - 2P
+ 8P
Pada glikolisis anaerob, energi yang
dihasilkan terinci sebagai berikut:
- hasil tingkat substrat
:+ 4P (2 X 2)
-
hasil
oksidasi respirasi :+ 0P
-
jumlah :+ 4P
- dikurangi untuk
aktifasi glukosa dan fruktosa 6P : - 2P
+ 2P
Oksidasi piruvat
Dalam
jalur ini, piruvat dioksidasi (dekarboksilasi oksidatif) menjadi Asetil-KoA,
yang terjadi di
dalam mitokondria sel. Reaksi ini dikatalisir oleh berbagai enzim
yang berbeda yang bekerja secara berurutan di dalam suatu kompleks multienzim
yang berkaitan dengan membran interna mitokondria. Secara kolektif, enzim
tersebut diberi nama kompleks piruvat dehidrogenase dan analog dengan kompleks µ-keto glutarat
dehidrogenase pada siklus asam sitrat.
Jalur
ini merupakan penghubung antara
glikolisis dengan siklus Kreb’s. Jalur ini juga merupakan konversi glukosa
menjadi asam lemak dan lemak dan sebaliknya dari senyawa non karbohidrat
menjadi karbohidrat.
Rangkaian
reaksi kimia yang terjadi dalam lintasan oksidasi piruvat adalah sebagai
berikut:
1.
Dengan adanya TDP
(thiamine diphosphate), piruvat didekarboksilasi
menjadi derivate hidroksietil tiamin
difosfat terikat enzim oleh komponen kompleks enzim piruvat dehidrogenase. Produk sisa
yang dihasilkan adalah CO2.
2.
Hidroksietil
tiamin difosfat akan bertemu dengan lipoamid
teroksidasi, suatu kelompok prostetik dihidroksilipoil transasetilase untuk
membentuk asetil lipoamid, selanjutnya
TDP lepas.
3.
Selanjutnya dengan adanya KoA-SH, asetil lipoamid akan
diubah menjadi asetil KoA, dengan
hasil sampingan berupa lipoamid
tereduksi.
4.
Siklus ini selesai jika lipoamid tereduksi direoksidasi oleh flavoprotein, yang mengandung
FAD, pada kehadiran dihidrolipoil
dehidrogenase. Akhirnya flavoprotein tereduksi ini dioksidasi oleh NAD+,
yang akhirnya memindahkan ekuivalen pereduksi kepada rantai respirasi.
Piruvat + NAD+ + KoA à Asetil KoA + NADH + H+ + CO2
Lintasan
oksidasi piruvat (dipetik dari: Murray dkk. Biokimia
Harper)
|
Siklus asam sitrat
Siklus ini
juga sering disebut sebagai siklus Kreb’s dan siklus asam trikarboksilat dan berlangsung
di dalam
mitokondria. Siklus asam sitrat merupakan
jalur bersama oksidasi karbohidrat,
lipid dan protein.
Siklus
asam sitrat merupakan rangkaian reaksi yang menyebabkan katabolisme asetil KoA, dengan
membebaskan sejumlah
ekuivalen hidrogen yang pada oksidasi menyebabkan pelepasan dan penangkapan
sebagaian besar energi yang tersedia dari bahan baker jaringan,
dalam bentuk
ATP. Residu asetil ini berada dalam bentuk asetil-KoA (CH3-CO~KoA, asetat aktif),
suatu ester koenzim A. Ko-A mengandung vitamin asam pantotenat.
Fungsi
utama siklus asam sitrat adalah sebagai lintasan akhir bersama untuk oksidasi
karbohidrat, lipid dan protein. Hal ini terjadi karena glukosa, asam lemak dan
banyak asam amino dimetabolisir menjadi asetil KoA atau intermediat yang ada
dalam siklus tersebut.
Siklus asam
sitrat sebagai jalur bersama metabolisme karbohidrat, lipid dan protein
(dipetik dari: Murray dkk. Biokimia Harper)
Selama proses
oksidasi asetil KoA di dalam siklus, akan terbentuk ekuivalen pereduksi dalam
bentuk hidrogen atau elektron sebagai hasil kegiatan enzim dehidrogenase
spesifik. Unsur ekuivalen pereduksi ini kemudian memasuki rantai respirasi
tempat sejumlah besar ATP dihasilkan dalam proses fosforilasi oksidatif. Pada keadaan
tanpa oksigen (anoksia) atau kekurangan oksigen (hipoksia) terjadi hambatan total pada siklus tersebut.
Enzim-enzim
siklus asam sitrat terletak di dalam
matriks mitokondria, baik dalam bentuk bebas ataupun melekat pada permukaan
dalam membran interna mitokondria sehingga memfasilitasi pemindahan unsur
ekuivalen pereduksi ke enzim terdekat pada rantai respirasi, yang bertempat di
dalam membran interna mitokondria.
Lintasan detail Siklus Kreb’s (dipetik dari: Murray dkk. Biokimia
Harper)
Reaksi-reaksi
pada siklus asam sitrat diuraikan sebagai berikut:
1.
Kondensasi awal asetil KoA dengan oksaloasetat
membentuk sitrat, dikatalisir
oleh enzim sitrat sintase
menyebabkan sintesis ikatan karbon ke karbon di antara atom karbon metil pada
asetil KoA dengan atom karbon karbonil pada oksaloasetat. Reaksi kondensasi,
yang membentuk sitril
KoA, diikuti oleh hidrolisis ikatan tioester KoA yang disertai
dengan hilangnya energi bebas dalam bentuk panas dalam jumlah besar, memastikan
reaksi tersebut selesai dengan sempurna.
Asetil KoA + Oksaloasetat + H2O à Sitrat + KoA
2. Sitrat dikonversi menjadi isositrat oleh
enzim akonitase (akonitat hidratase)
yang mengandung besi Fe2+ dalam bentuk protein besi-sulfur (Fe:S).
Konversi ini berlangsung dalam 2 tahap, yaitu: dehidrasi menjadi sis-akonitat, yang sebagian di antaranya terikat
pada enzim dan rehidrasi menjadi
isositrat.
Sitrat
|
Sis-akonitat
(terikat enzim)
|
Isositrat
|
H2O
|
H2O
|
Reaksi tersebut
dihambat oleh fluoroasetat yang dalam bentuk fluoroasetil KoA mengadakan
kondensasi dengan oksaloasetat untuk membentuk fluorositrat. Senyawa
terakhir ini menghambat akonitase sehingga menimbulkan penumpukan sitrat.
3.
Isositrat mengalami
dehidrogenasi membentuk oksalosuksinat dengan
adanya enzim isositrat dehidrogenase.
Di antara enzim ini ada yang spesifik NAD+, hanya ditemukan di dalam
mitokondria. Dua enzim lainnya bersifat spesifik NADP+ dan
masing-masing secara berurutan dijumpai di dalam mitokondria serta sitosol.
Oksidasi terkait rantai respirasi
terhadap isositrat berlangsung hampir sempurna melalui enzim yang bergantung
NAD+.
Isositrat + NAD+ « Oksalosuksinat « µ–ketoglutarat + CO2
+ NADH + H+
(terikat enzim)
Kemudian terjadi dekarboksilasi menjadi µ–ketoglutarat yang juga dikatalisir oleh enzim isositrat
dehidrogenase. Mn2+ atau Mg2+ merupakan komponen
penting reaksi dekarboksilasi. Oksalosuksinat tampaknya akan tetap terikat pada
enzim sebagai intermediate dalam keseluruhan reaksi.
4.
Selanjutnya µ–ketoglutarat mengalami dekarboksilasi oksidatif melalui cara yang sama dengan
dekarboksilasi oksidatif piruvat, dengan kedua substrat berupa asam µ–keto.
µ–ketoglutarat + NAD+
+ KoA à Suksinil KoA + CO2 + NADH + H+
Reaksi tersebut yang dikatalisir oleh kompleks µ–ketoglutarat dehidrogenase,
juga memerlukan kofaktor yang idenstik dengan kompleks piruvat dehidrogenase,
contohnya TDP, lipoat, NAD+,
FAD serta KoA, dan menghasilkan pembentukan suksinil KoA (tioester berenergi tinggi). Arsenit menghambat reaksi
di atas sehingga menyebabkan penumpukan µ–ketoglutarat.
5.
Tahap selanjutnya terjadi perubahan suksinil KoA menjadi suksinat dengan adanya peran enzim suksinat tiokinase (suksinil KoA
sintetase).
Suksinil KoA + Pi + ADP « Suksinat + ATP + KoA
Dalam siklus asam sitrat, reaksi ini adalah satu-satunya
contoh pembentukan fosfat berenergi tinggi pada tingkatan substrat dan terjadi
karena pelepasan energi bebas dari dekarboksilasi oksidatif µ–ketoglutarat cukup
memadai untuk menghasilkan ikatan berenergi tinggi disamping pembentukan NADH
(setara dengan 3~P.
6.
Suksinat dimetabolisir lebih lanjut melalui reaksi
dehidrogenasi yang diikuti oleh penambahan air dan kemudian oleh dehidrogenasi
lebih lanjut yang menghasilkan kembali oksaloasetat.
Suksinat + FAD « Fumarat + FADH2
Reaksi
dehidrogenasi pertama dikatalisir oleh enzim suksinat dehidrogenase yang terikat pada permukaan dalam membrane
interna mitokondria, berbeda dengan enzim-enzim lain yang ditemukan pada
matriks. Reaksi ini adalah satu-satunya reaksi dehidrogenasi dalam siklus asam
sitrat yang melibatkan pemindahan langsung atom hydrogen dari substrat kepada
flavoprotein tanpa peran NAD+. Enzim ini mengandung FAD dan protein
besi-sulfur (Fe:S). Fumarat terbentuk
sebagai hasil dehidrogenasi. Fumarase (fumarat
hidratase) mengkatalisir penambahan air pada fumarat untuk menghasilkan malat.
Fumarat + H2O « L-malat
Enzim
fumarase juga mengkatalisir penambahan unsure-unsur air kepada ikatan rangkap
fumarat dalam konfigurasi trans.
Malat dikonversikan menjadi oksaloasetat dengan
katalisator berupa enzim malat
dehidrogenase, suatu reaksi yang memerlukan NAD+.
L-Malat + NAD+ « oksaloasetat + NADH + H+
Enzim-enzim
dalam siklus asam sitrat, kecuali alfa ketoglutarat dan suksinat dehidrogenase
juga ditemukan di luar mitokondria. Meskipun dapat mengkatalisir reaksi serupa,
sebagian enzim tersebut, misalnya malat dehidrogenase pada kenyataannya mungkin
bukan merupakan protein yang sama seperti enzim mitokondria yang mempunyai nama sama (dengan kata lain
enzim tersebut merupakan isoenzim).
Energi yang dihasilkan dalam siklus asam sitrat
Pada
proses oksidasi yang dikatalisir enzim dehidrogenase, 3 molekul NADH dan 1 FADH2 akan
dihasilkan untuk setiap molekul asetil-KoA yang dikatabolisir dalam siklus asam
sitrat. Dalam hal ini sejumlah ekuivalen pereduksi akan dipindahkan ke rantai
respirasi dalam membrane interna mitokondria (lihat kembali gambar tentang
siklus ini).
Selama
melintasi rantai respirasi tersebut, ekuivalen pereduksi NADH menghasilkan 3 ikatan fosfat berenergi tinggi
melalui esterifikasi ADP menjadi ATP dalam proses fosforilasi oksidatif. Namun demikian FADH2 hanya
menghasilkan 2 ikatan fosfat berenergi tinggi. Fosfat berenergi
tinggi selanjutnya akan dihasilkan pada tingkat siklus itu sendiri (pada
tingkat substrat) pada saat suksinil KoA diubah menjadi suksinat.
Dengan demikian
rincian energi yang dihasilkan dalam siklus asam sitrat adalah:
1. Tiga molekul NADH, menghasilkan : 3 X 3P = 9P
2. Satu molekul FADH2, menghasilkan : 1 x 2P = 2P
3. Pada tingkat substrat =
1P
Jumlah = 12P
Satu siklus Kreb’s
akan menghasilkan energi 3P + 3P + 1P + 2P + 3P = 12P.
Kalau kita
hubungkan jalur glikolisis, oksidasi piruvat dan siklus Kreb’s, akan dapat kita
hitung bahwa 1 mol glukosa jika dibakar sempurna (aerob) akan menghasilkan
energi dengan rincian sebagai berikut:
1.
Glikolisis
:
8P
2.
Oksidasi
piruvat (2 x 3P) :
6P
3.
Siklus
Kreb’s (2 x 12P) :
24P
Jumlah : 38P
Glikogenesis
Tahap
pertama metabolisme karbohidrat adalah pemecahan glukosa (glikolisis) menjadi piruvat.
Selanjutnya piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA. Akhirnya asetil KoA masuk ke
dalam rangkaian siklus asam sitrat untuk dikatabolisir menjadi energi.
Proses
di atas terjadi jika kita membutuhkan energi untuk aktifitas, misalnya
berpikir, mencerna makanan, bekerja dan sebagainya. Jika kita memiliki glukosa melampaui kebutuhan
energi, maka kelebihan glukosa yang ada akan disimpan dalam bentuk
glikogen. Proses anabolisme ini dinamakan glikogenesis.
Glikogen
merupakan bentuk simpanan karbohidrat yang utama di dalam tubuh dan analog
dengan amilum pada tumbuhan. Unsur ini terutama terdapat didalam hati (sampai 6%),
otot jarang melampaui jumlah 1%. Akan tetapi karena massa otot jauh lebih besar daripada hati,
maka besarnya simpanan glikogen di otot
bisa mencapai tiga sampai empat kali lebih banyak. Seperti
amilum, glikogen merupakan polimer µ-D-Glukosa yang bercabang.
Glikogen otot berfungsi sebagai sumber
heksosa yang tersedia dengan mudah untuk proses glikolisis di dalam otot itu sendiri.
Sedangkan glikogen
hati sangat berhubungan dengan simpanan dan pengiriman heksosa keluar untuk
mempertahankan kadar glukosa darah, khususnya pada saat di antara
waktu makan. Setelah 12-18 jam puasa, hampir semua simpanan glikogen hati
terkuras habis. Tetapi glikogen otot hanya terkuras secara bermakna
setelah seseorang melakukan olahraga yang berat dan lama.
Rangkaian
proses terjadinya glikogenesis digambarkan sebagai berikut:
1.
Glukosa mengalami
fosforilasi menjadi glukosa 6-fosfat (reaksi
yang lazim terjadi juga pada lintasan glikolisis). Di otot reaksi ini dikatalisir oleh
heksokinase sedangkan di hati
oleh glukokinase.
2.
Glukosa
6-fosfat diubah menjadi glukosa
1-fosfat dalam reaksi dengan bantuan katalisator enzim fosfoglukomutase. Enzim itu sendiri akan mengalami
fosforilasi dan gugus fosfo akan mengambil bagian di dalam reaksi reversible
yang intermediatnya adalah glukosa 1,6-bifosfat.
Enz-P +
Glukosa 6-fosfat «Enz + Glukosa
1,6-bifosfat « Enz-P +
Glukosa 1-fosfat
3.
Selanjutnya glukosa
1-fosfat bereaksi dengan uridin
trifosfat (UTP) untuk membentuk uridin
difosfat glukosa (UDPGlc). Reaksi ini dikatalisir oleh enzim UDPGlc pirofosforilase.
UTP
+ Glukosa 1-fosfat «
UDPGlc + PPi
Uridin difosfat glukosa (UDPGlc) (dipetik
dari: Murray
dkk. Biokimia Harper)
Lintasan
glikogenesis dan glikogenolisis (dipetik dari: Murray dkk. Biokimia Harper)
|
4.
Hidrolisis pirofosfat inorganic berikutnya oleh
enzim pirofosfatase inorganik akan menarik reaksi kearah kanan persamaan reaksi
5.
Atom C1
pada glukosa yang diaktifkan oleh UDPGlc
membentuk ikatan glikosidik dengan
atom C4 pada residu glukosa terminal glikogen, sehingga membebaskan uridin difosfat. Reaksi ini
dikatalisir oleh enzim glikogen sintase.
Molekul glikogen yang sudah ada sebelumnya (disebut glikogen primer) harus ada untuk memulai reaksi ini. Glikogen
primer selanjutnya dapat terbentuk pada primer protein yang dikenal sebagai
glikogenin.
UDPGlc + (C6)n à UDP + (C6)n+1
Glikogen Glikogen
Residu glukosa yang lebih lanjut melekat pada posisi 1à4 untuk membentuk rantai pendek yang diaktifkan oleh
glikogen sintase. Pada otot rangka glikogenin tetap melekat pada pusat molekul
glikogen, sedangkan di hati terdapat jumlah molekul glikogen yang melebihi
jumlah molekul glikogenin.
6.
Setelah rantai dari
glikogen primer diperpanjang dengan penambahan glukosa tersebut hingga mencapai
minimal 11 residu glukosa, maka enzim
pembentuk cabang memindahkan bagian dari rantai 1à4 (panjang minimal 6 residu glukosa) pada
rantai yang berdekatan untuk membentuk rangkaian
1à6 sehingga membuat titik cabang pada molekul tersebut. Cabang-cabang ini akan tumbuh
dengan penambahan lebih lanjut 1àglukosil dan pembentukan cabang selanjutnya. Setelah jumlah residu
terminal yang non reduktif bertambah, jumlah total tapak reaktif dalam molekul
akan meningkat sehingga akan mempercepat glikogenesis maupun glikogenolisis.
Tahap-tahap perangkaian glukosa demi glukosa
digambarkan pada bagan berikut.
Biosintesis glikogen (dipetik dari: Murray
dkk. Biokimia Harper)
Tampak
bahwa setiap penambahan 1 glukosa
pada glikogen dikatalisir oleh enzim glikogen
sintase. Sekelompok glukosa dalam rangkaian linier dapat putus dari
glikogen induknya dan berpindah tempat untuk membentuk cabang. Enzim yang berperan dalam tahap ini adalah enzim pembentuk cabang (branching enzyme).
Glikogenolisis
Jika glukosa dari diet tidak dapat mencukupi kebutuhan,
maka glikogen harus dipecah untuk mendapatkan glukosa sebagai sumber energi.
Proses ini dinamakan glikogenolisis. Glikogenolisis seakan-akan
kebalikan dari glikogenesis, akan tetapi sebenarnya tidak demikian. Untuk memutuskan ikatan glukosa satu demi
satu dari glikogen diperlukan enzim fosforilase.
Enzim ini spesifik untuk proses fosforolisis rangkaian 1à4
glikogen untuk menghasilkan glukosa
1-fosfat. Residu glukosil terminal pada rantai paling luar molekul glikogen
dibuang secara berurutan sampai kurang lebih ada 4 buah residu glukosa yang
tersisa pada tiap sisi cabang 1à6.
(C6)n
+ Pi à (C6)n-1 + Glukosa 1-fosfat
Glikogen Glikogen
Glukan transferase dibutuhkan sebagai katalisator pemindahan unit trisakarida dari satu cabang ke cabang lainnya sehingga membuat titik cabang 1à6 terpajan. Hidrolisis
ikatan 1à6 memerlukan kerja enzim enzim pemutus cabang (debranching enzyme) yang spesifik. Dengan pemutusan
cabang tersebut, maka kerja enzim fosforilase selanjutnya dapat berlangsung.
Tahap-tahap glikogenolisis (dipetik dari: Murray
dkk. Biokimia Harper)
Glukoneogenesis
Glukoneogenesis
terjadi jika sumber energi dari karbohidrat tidak tersedia lagi. Maka tubuh adalah menggunakan lemak sebagai sumber energi. Jika lemak juga tak
tersedia, barulah memecah protein untuk energi yang sesungguhnya protein
berperan pokok sebagai pembangun tubuh.
Jadi bisa disimpulkan bahwa glukoneogenesis
adalah proses pembentukan glukosa dari senyawa-senyawa non karbohidrat, bisa
dari lipid maupun protein.
Secara
ringkas, jalur glukoneogenesis dari bahan lipid maupun protein dijelaskan
sebagai berikut:
1.
Lipid terpecah menjadi
komponen penyusunnya yaitu asam lemak dan gliserol. Asam lemak dapat
dioksidasi menjadi asetil KoA. Selanjutnya asetil KoA masuk dalam
siklus Kreb’s. Sementara itu gliserol masuk dalam jalur glikolisis.
2.
Untuk protein,
asam-asam amino penyusunnya akan masuk ke dalam siklus Kreb’s.
Ringkasan jalur glukoneogenesis (dipetik dari: Murray dkk. Biokimia Harper)
Lintasan metabolisme karbohidrat, lipid dan protein. Perhatikan jalur
glukoneogenesis yaitu masuknya lipid dan asam amino ke dalam lintasan (dipetik
dari: Murray dkk. Biokimia
Harper)
Glukoneogenesis dari bahan protein. Dalam hal ini protein
telah dipecah menjadi berbagai macam asam amino (dipetik dari: Murray dkk. Biokimia Harper)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar