KARBOHIDRATProf. Sukarti Moeljopawiro, Ph.D.Laboratorium Biokimia, Fakultas Biologi UGM2013

FUNGSI UMUM Sumber tenagaPenyimpan glukosa (pati & glikogen)Komponen penyusun dinding sel ( tumbuhan & bakteri)Pelumas dan jaringan pengikat (hewan)

FUNGSI : pada tumbuhanMenyediakan tenaga untuk tumbuh dan perkembanganBahan pembentuk struktur tumbuhanBahan pembentuk biomolekul yang lain : lipid, asam nukleat, asam organik dan protein bertindak sebagai kerangka karbonPada glikoprotein ambil bagian pada fungsi selular

Note :Sebagai sumber tenaga dalam bentuk sukrosa, pati, dan fruktan

STRUKTURK- hidrat : polyhydroxy aldehyde atau keton (CH2O)n

Monosakarida : terdiri atas unit polihidroksi aldehid dan keton tunggalOligosakarida : terdiri atas beberapa unit monosakaridaPolisakarida : berantai panjang, terdiri atas ratusan atau ribuan unit polisakarida

MONOSAKARIDASemua bentuk yang biasa didapat Fischer adalah bentuk DGula sederhana terdiri atas 5 C atau lebih terdapat dalam bentuk cincin furanosa atau pyranosaBentuk cincin dapat dalam bentuk atau MutarotasiGula dapat mereduksi (Cu+2)

DISAKARIDATerdiri atas monosakarida berikatan secara kovalen membebaskan airMaltosa 2 D-glukosa dengan ikatan glikosidik (1 4)Sukrosa berikatan pada ke-2 C-anomerik jadi tidak mereduksiLaktosa D-glukosa dan D-galaktosa

POLISAKARIDA (1)Terdiri atas banyak unit monosakaridaPati timbunan K-hidrat tumbuhan : amilosa dan amilopektinAmylosa : t.a D-glukosa tidak bercabang ikatan (1 4)Amilopektin : bercabang, t.a D-glukosa rantai lurus ikatan (16)Glikogen timbunan K-hidrat pada hewan/manusia D-glukosa, rantai bercabang, cabang lebih banyak dari amilopektinPati dan glikogen dihidrolisin -amilase dan -amilasePercabangan (16) oleh enzim (16) glukosidaseSelulosa t.a D-glukosa ikatan (1 4)Tidak dapat dihidrolisis oleh amilaseHidrolisis oleh enzim selulosae

POLISAKARIDA (2)AmilosaGlikogenSelulosa

POLISAKARIDA lainnyaHemicellulosePectinGlycoproteinPeptidoglycanInulinChitin

Sukrosa (1)Memiliki peran sentral dalam metabolisme karbohidrat pada tanamanMerupakan bentuk senyawa pengangkut karbohidrat ke seluruh bagian tumbuhan pada beberapa tanaman merupakan timbunan karbohidrat

Sukrosa (2) Sukrosa merupakan senyawa pengangkut karbohidrat yang baik, sebab :Kelarutan pada media berair (aqueous solutions) yang tinggiTidak mempunyai efek penghambat terhadap hampir semua proses biokimia pada tumbuhanTidak seperti glukosa dan fruktosa, sukrosa bersifat tidak mereduksi sehingga tidak berinteraksi dengan gugus berfungsi molekul lain misalnya protein

Sukrosa (3)Pada sebagian besar tumbuhan, hasil fotosintesa ditransport dalam bentuk sukrosa, tetapi beberapa spesies tidak, misalnya :Apel dalam bentuk sorbitol yang terbentuk dari reduksi glukosaSledri (celery) dalam bentuk manitol alkoholnya manosaCucurbita derivat sukrosa adalah rafinosa trisakarida dengan penambahan galaktosa pada sukrosa (dalam hal ini sukrosa tetap ada dalam aliran pengangkutan)

FruktanMeskipun sebagian besar tanaman menyimpan karbohidrat dalam bentuk pati dan sukrosa, dalam beberapa tanaman disimpan dalam bentuk fruktan : Asterales, Liliales, GramineaeStruktur fruktan :Polisakarida liniear atau bercabangTidak sama, tergantung sumbernyaSukrosa merupakan donor residu fruktosa untuk sintesis fruktan

KATABOLISME KARBOHIDRAT

GLIKOLISIS AnaerobikTerjadi di sitosolMenghasilkan 2 ATP10 reaksi enzimatik ( 3 irreversible)Glukosa piruvat etanol, asam laktat, asetil-CoA

Reaksi Enzimatis pada Glikolisis (1)1

2

Reaksi Enzimatis pada Glikolisis (2)3

4

Reaksi Enzimatis pada Glikolisis (3)5

6

Reaksi Enzimatis pada Glikolisis (4)7

8

Reaksi Enzimatis pada Glikolisis (5)9

10

Ringkasan Glikolisis

SIKLUSKREBS

SINTESIS KARBOHIDRAT DAN PENGATURANNYASukarti MoeljopawiroFakultas BiologiUniversitas Gadjah Mada

SINTESIS KARBOHIDRAT PADA TUMBUHANBahan: CO2 dan AirMenggunakan ATP dan NADPHPerubahan CO2 dan Air KarbohidratDitemukan Melvin Calvin tahun 1950Terdiri dari 3 tahap:Tahap I: Fiksasi CO2 3-phosphoglyceratTahap II: Perubahan 3-phosphoglycerat glyceraldehyd-3PTahap III: Pembuatan kembali ribulosa-1,5-bifosfat dari triose phosphat

SIKLUS CALVIN

SINTESIS KARBOHIDRATTahap I :Fiksasi CO2 dikatalisis oleh enzim:Ribulose-1,5-bifphosphat carboxylaseRuBP carboxylase / oxygenaseRubisco

RUBISCO:Merupakan struktur kompleksBM 550.000Terdiri atas 8 unit besar masing-masing BM 56.000 semuanya berisi / mempunyai sisi aktif dan 8 unit kecil masing-masing BM 14.000

RUBISCORUBISCO:Terletak pada stroma kloroplas (50% dari total protein stroma)ENZIM KUNCI untuk produksi biomassa dari CO2Mempunyai aktivitas carboxylase dan oxygenaseAfinitas terhadap CO2 turun dengan naiknya suhuDapat diaktifkan dengan penambahan mol CO2 pada residu lisin membentuk carbamat carbamat mengikat Mg2+

Perlu diingat mol CO2 tidak sama dengan CO2 yang mengikatkan diri pada ribulosa-1,5-bifosfat

RUBISCO (lanjt.)Derivat lysil carbamate dengan ion Mg2+ Bentuk kurang aktifBentuk aktifUNIT BESAR Lys NH3+CO2, Mg2+ADP + PiATPH2Rubisco activase Lys NH COO ------ Mg2+

RUBISCO (lanjt.)AKTIF :carbamylation dari residu lysine[CO2] meningkat terjadi nonenzimatikSubstrat (ribulose-1,5-bifosfat menghambat carbamilasi)Diatasi adanya enzim rubisco activase

DIHAMBAT :2-carboxyarabinitol-1-phosphatDiproduksi pada beberapa tumbuhan untuk menghambat aktivitas rubisco pada keadaan gelap (nocturnal inhibitor)Senyawa tersebut rusak kalau ada sinar, rubisco kembali bekerja

SINTESIS KARBOHIDRAT (lanjt.)Tahap II :Perubahan yang terjadi seperti pada glikolisis Perbedaan menggunakan NADPH bukan NADHDi stroma penuh dengan enzim yang dibutuhkan seperti pada glikolisis isozymes (mengkatalisis rekasi sama tetapi merupakan produk gen yang berbeda)

Tahap III :Pada tahap I digunakan ribulosa-1,5-bifosfatBahan ini dipenuhi dengan serangkaian reaksi

SIKLUS CALVIN

KESELURUHAN REAKSI SINTESIS KARBOHIDRAT3 mol ribulosa-1,5-bifosfat (15 carbon) + 3CO2 (3 carbon) 6 mol fosfoglycerat (18 carbon)

6 mol fosfoglycerat 6 mol glyceraldehyd-3PMenggunakan: 6 ATP dan 6 NADPH

5 mol kembali ke siklus. Hasil: 1 mol glyceraldehyde-3P

Dari yang 5 mol untuk kembali menjadi 3 ribulosa-1,5-bifosfat membutuhkan 3 ATP lagi

Jadi : SETIAP 1 mol triosa fosfat yang dihasilkan dalam fotosintesis membutuhkan 6 NADPH dan 9 ATP

ENZIM PADA SIKLUS CALVINEnzim tertentu pada Siklus Calvin secara tidak langsung diaktifkan oleh sinarFiksasi CO2 butuh ATP and NADPH, konsentrasi naik jika kloroplas terkena sinarAdanya transport proton melalui membran thylakoid membuat ruang stroma menjadi alkali diikuti dengan keluarnya Mg2+ dari thylakoid ke stromaAktifasi rubisco (dengan pembentukan lysyl carbamate) lebih cepat pada suasana alkali. Konsentrasi Mg2+ dalam stroma tinggi memacu pembentukan kompleks Mg2+ Enzim fruktosa-1,6-bifosfat memerlukan Mg2+ dan sangat tergantung pH

ENZIM PADA SIKLUS CALVIN (lanjt.)Tiga enzim Siklus Calvin yang diaktifkan sinar:Ribulosa-5-fosfat kinaseFruktosa-1,6-bifosfataseSedoheptulosa-1,7-bifosfatase

Diperantarai oleh THIOREDOXIN : protein kecil berisi disulfidaSinar thioredoxin tereduksi oleh elektron dari ferredoxin mereduksi disulfida pada enzim tersebut mengaktifkan enzim tersebut

THIOREDOXIN Sinar thioredoxin tereduksi oleh elektron dari ferredoxin mereduksi disulfida (cys) enzim ENZIM AKTIFFdoxFdredThioredoxinThioredoxinENZIM (INACTIVE)ENZIM (ACTIVE)Thioreduxin reductase

GLUKONEOGENESISGlukoneogenesis : biosintesis karbohidrat dari nonkarbohidrat sederhana (misal. oxaloasetat, asam piruvat)

PENGATURAN GLUKONEOGENESIS DAN GLIKOLISISSel tumbuhan :Stroma dan sitosol penuh enzim untuk glikolisisGelap pemecahan karbohidrat sumber energiPenyinaran produksi triosafosfat sintesis heksosa, sukrosa dan pati

PENGATURAN GLUKONEOGENESIS DAN GLIKOLISIS (lanjt.)Fruktosa-2,6-bifosfatTerbentuk karena fosforilasi fruktosa-6P oleh enzim: fosfofruktokinase-2 Allosterik regulatorEnzim fosfofruktokinase-2Dihambat oleh dihydroksiaceton-P dan 3-fosfoglyceratDipacu oleh PiFotosintesis aktif dihydroksiaceton-P diproduksi Pi digunakanEnzim fosfofruktokinase-2 dihambat konsentrasi fruktosa-2,6-bifosfat turunFruktosa-2,6-bifosfatMenghambat glukoneogenesis dengan menghambat fruktosa-1,6-bifosfataseMemacu glikolisis dengan mengaktifkan fosfofruktokinase-1

SINTESIS PATITerjadi di kloroplasUnit gula yang ditambahkan ADPglukosaEnzim: starch synthaseAmilosa tidak bercabang, ikatan 14Amilopektin bercabang, percabangan 14Memerlukan enzim percabangan glycosyl (4 6) transferaseEnzim ini juga terdapat pada kloroplas

Keseluruhan Reaksi:Pati + glukosa-1P + ATP Patin+1 + ADP + Pi

SINTESIS PATI (lanjt.)Enzim kunci dalam sintesis pati adalah ADP-glucose pyrophosphorilase yang diaktifkan secara tidak langsung pada saat sukrosa sitosol naik

SINTESIS SUKROSASukrosa merupakan senyawa pengangkut atom karbon (karena tidak dapat dihidrolisis amilase atau enzim untuk karbohidrat yang lain)Disintesis di dalam sitosol Dihydroxyaceton phosphate + glyceraldehyd-3P

Kemudian dihidrolisis oleh fructose-1,6-biphosphatase fructose-6P

Fructose-6P + UDP Glukosa sukrosa-6P

Sukrosa-6P sukrosaaldolasefructose 1,6-biphosphatSukrosa-6P sintaseSukrosa-6P fosfatase

Sukrosa menghambat enzim sucrose-6-phosphat phosphatase

Sucrose-6-phosphat menghambat sucrose-6-phosphate synthase

SINTESIS SUKROSA (lanjt.)Sintesis sukrosa diatur terutama pada 3 tempat yang dikatalisis oleh enzim :Fructose-1,6-bifosfataseSucrose-6-fosfat synthaseSucrose fosfat fosfatase

PENGATURAN SINTESIS SUKROSAJika sintesis sukrosa sangat cepat transport excess Pi ke kloroplas menyebabkan pemindahan triosa fosfat terlalu banyak. Hal ini menyebabkan fiksasi CO2 tergangguIngat: 5 dari 6 triosa fosfat yang terbentuk ribulosa-1,5-bifosfat

PENGATURAN SINTESIS SUKROSA (lanjt.)Ada sinar triosa fosfat (sitosol) naik menghambat enzim fosfofruktokinase 2 konsentrasi fruktosa-2,6-bifosfat turun penghambatan enzim fruktosa-2,6-bifosfat hilang terjadi sintesis fruktosa-6P dan hexosa yang lain juga glukosa-6P

Glukosa-6P adalah allosteric activator enzim sucrose-6-phosphat synthase

Sukrose fosfat fosfatase kemudian mengkatalisis langkah terakhir sintesis sukrosa

PENGATURAN SINTESIS PATI DAN SUKROSAEnzim: Sucrose-6-phosphat synthase dan sukrosa fosfat fosfatase dihambat oleh sukrosaSukrosa naik 2 enzim tersebut terhambat heksosa fosfat sitosol naikIni tidak dapat dikembalikan ke kloroplas karena Pi bebas di sitosol rendah aktivitas transport antiport turunHasilnya: di kloroplas Pi turun, senyawa 3 karbon naik

PENGATURAN SINTESIS PATI DAN SUKROSA (lanjt.)Enzim: ADP-glucose pyrophosphorylase dihambat oleh Pi dan dipacu oleh 3-fosfoglyceratEnzim tersebut aktif sintesis pati naik

Jadi, naiknya sukrosa di sitosol menaikkan sintesis pati di kloroplasPada keadaan steady state aktivitas keduanya seimbang, masing masing menggunakan 50% triosa fosfat yang dihasilkan pada fiksasi CO2

Terima Kasih