187

METABOLISME

1.8.39. Menjelaskan perbedaan antara anabolisme dan katabolisme disertai aplikasinya yang benar

Metabolisme merupakan reaksi kimia yang memungkinkan adanya kehidupan. Terdapat ribuan reaksi berkesinambungan yang terjadi di dalam sel. Sejumlah reaksi membentuk makromolekul (anabolisme), sedangkan sejumlah makromolekul dirombak (katabolisme) dengan melepaskan energi.

Katabolisme adalah fase pemecahan/degradatif dimana nutrien organik (karbohidrat, lipid, protein) yang berasal dari lingkungan ataupun dari timbunan nutrien sel dipecah menjadi senyawa yang lebih kecil dan lebih sederhana (asam laktat, asam asetat, ammonia dll). Katabolisme disertai dengan pelepasan energi kimia yang disimpan dalam bentuk molekul pembawa/pemindah energi yaitu Adenosin Triphosphat (ATP) dan Nicotinamide adenine dinucleotida phosphate (NADP). Adapun anabolisme adalah biosintesis yaitu tahap pembentukan/biosintesis komponen-komponen sel seperti asam nukleat, protein, polisakarida dari prekusornya. Oleh karena biosintesa membentuk molekul yang lebih besar maka membutuhkan energi dan energi ini dipenuhi dari pemecahan ATP. Biosintesa dari beberapa sel sering memerlukan atom Hidrogen yang diberikan oleh NADPH. Katabolisme dan Anabolisme berjalan bersama-sama di dalam sel tetapi diatur sendiri-sendiri.

Anabolisme maupun katabolisme terdiri dari lintasan metabolik. Agar sel berfungsi dan berkembang sebagaimana mestinya, lintasan metabolik harus diatur secara seksama. Pengaturan pertama berhubungan dengan energi/tenaga, sedangkan untuk pengaturan kedua merupakan laju. Untuk dapat mengatur lintasan metabolik dan kecepatannya (dalam hubungan dengan laju), sel memproduksi katalis yang disebut Enzim, yaitu suatu protein yang memiliki kemampuan menurunkan tenaga aktivasi perubahan senyawa sehingga reaksi dapat berlangsung.

Pengendalian metabolisme melibatkan sistem enzim dan sistem organel. Berdasarkan macam enzim dan organel yang dimiliki oleh sel, kecepatan dan arah reaksi akan menentukan pola rangkaian reaksi yaitu proses katabolik yang menghasilkan tenaga dan proses anabolik yang membutuhkan tenaga. Dalam sistem hayati proses katabolik selalu diikuti dengan proses anabolik, dengan demikian energy dapat digunakan secara efisien.

Sebagai contoh dalam pembahasan ini adalah Metabolisme Karbohidrat. Karbohidrat merupakan senyawa organik yang mengandung karbon, hydrogen dan oksigen dengan formula empiris Cn(H2O)n. Karbohidrat berfungsi sebagi sumber energi, komponen pemyusun dinding sel, komponen membran sel, berkonjugasi dengan senyawa organik yang lain seperti protein (glikoprotein dan proteoglikan) dan lipid (glikolopid).

Pengelompokan karbohidrat didasarkan atas strukturnya. Karbohidrat dikelompokkan menjadi

: monosakarida, disakarida, oligosakarida, dan polisakarida. Monosakarida meliputi gula sederhana

dengan gugus aldehid dan keton bebas yang tidak dapat dipecah menjadi unit-unit yang lebih kecil

lagi dengan reaksi hidrolisis. Disakarida adalah karbohidrat yang berisi dua sampai sepuluh unit gula

sedangkan polisakarida tersusun atas lebih dari sepuluh unit gula yang dikaitkan dengan ikatan

glikosidik.

188

A. Katabolisme karbohidrat : Respirasi Respirasi atau oksidasi glukosa secara lengkap merupakan proses pembentukan energi

yang utama untuk kebanyakan sel. Pada waktu glukosa dipecah dalam suatu rangkaian reaksi

enzimatis, beberapa energi dibebaskan dan diubah menjadi bentuk ikatan phosphate

bertenaga tinggi (ATP) dan sebagian lagi hilang sebagai panas. Proses keseluruhan dari respirasi

merupakan reaksi oksidasi reduksi, yaitu senyawa dioksidasi menjadi CO2 sedangkan O2 yang

diserap direduksi membentuk H2O. Pati, fruktan, sukrosa, atau gula lainnya, lemak, asam

organik, protein dapat bertindak sebagai substrat respirasi.

Glukosa didegradasi/dipecah melalui katabolisme secara anaerobic (glikolisis) maupun aerobic (siklus krebs). Glikolisis terjadi di sitoplasma dan siklus kreb terjadi di mitokondria. pada respirasi anaerob setelah asam piruvat maka akan dihasilkan alkohol atau asam-asam organik yang lain. Sedangkan pada respirasi aerob terjadi pengubahan asam piruvat menjadi asetil KoA yang selanjutnya akan memasuki siklus krebs. Dengan demikian jumlah ATP yang dihasilkan pada respirasi anaerob jauh lebih sedikit (karena hanya dari jalur glikolisis) dibandingkan jumlah ATP yang dihasilkan pada respirasi aerob.

Glikolisis terjadi di sitoplasma tanpa konsumsi oksigen. Produk dari pemecahan amilum

atau sukrosa harus diubah menjadi 6-carbon gula phosphorilasi. 6-karbon gula adalah fruktosa

1,6 bisphosphat yang dihasilkan oleh enzim aldolase, dari penambahan suatu kelompok

phospat (ATP) ke fruktosa 6-phosphat. Produksi fruktosa 1,6 bisphosphat membutuhkan dua

molekul ATP. Fruktosa 1,6 bisphosphat dipecah menjadi dua 3-carbon gula, yang masing-

masing memiliki satu phosphate yaitu dihidroksiaseton-P dan gliseraldehid 3-P, mereka secara

cepat dirubah dan gliseraldehid 3-P difosforilasi kembali menjadi 1,3 biphospogliserat. Pada

tahap ini NAD direduksi menjadi NADH dan ditambahkan phospat an organic (Pi). 1,3

biphospogliserat kemudian dalam tahap selanjutnya diubah menjadi piruvat dan tahap ini

menghasilkan dua molekul ATP.Hasil bersih ATP pada glikolisis adalah 2 ATP (4 dihasilkan, 2

digunakan) permolekul glukosa. Bila ada oksigen maka piruvat akan masuk dalam tahap

respirasi selanjutnya di mitokondria, sedangkan bila tanpa oksigen piruvat mengalami proses

fermentasi menghasilkan karbondioksida dan etanol. Tahap selanjutnya dari respirasi adalah

siklus Krebs. Piruvat yang diperoleh pada glikolisis diubah menjadi asetil dan dikombinasikan

dengan coenzyme A menjadi asetil CoA, proses ini melepaskan CO2. Selanjutnya senyawa 2C

berikatan dengan 4C oksaloasetat menjadi Sitrat(6C), CoA dilepaskan untuk dipakai

kembali.Sitrat kemudian diubah kembali menjadi oksaloasetat dalam tujuh tahap. Dengan

menghasilkan satu ATP, tiga NADH dan satu FADH (flavin adenine dinukleotida),siklus juga

menghasilkan dua CO2.

Rantai transport electron di mitokondria menghasilkan ATP dari produk yang dihasilkan

pada siklus Krebs. Hidrogen yang dihasilkan oleh substrat pada tahap glikolisis sampai siklus

Krebs akhirnya berkombinasi dengan oksigen membentuk H2O. Agar hal ini dapat berlangsung

terjadi suatu angkutan hidrogen sepanjang suatu rantai sistem redoks. Pada saat elektron

189

melewati rantai transport elektron, proton dipompa menuju ruang antar membran hal ini

menyebabkan terjadinya perbedaan konsentrasi H+ .Di ruang antar membran konsentrasi H+

lebih tinggi daripada di dalam matriks. Adanya perbedaan pH ini membentuk energi potensial

kimia yang kuat untuk mendorong berlangsungnya fosforilasi oksidatif, sehingga ion H+ ini

dikembalikan ke dalam matriks melalui mol Fo F1 ATP sintase. Arus proton ini akan digunakan

untuk menggabungkan ADP + Pi menjadi ATP. Apabila satu molekul didegradasi secara

sempurna melalui jalur glikolisis dan siklus kreb akan menghasilkan 36-38 ATP. Bentuk-bentuk

gula yang lain seperti fruktosa, sukrosa, laktosa, dan galaktosa dapat juga didegradasi menjadi

senyawa antara jalur dengan siklus tersebut.

B. Anabolisme Karbohidrat Karbohidrat yang diperlukan oleh manusia dan hewan berasal dari tumbuhan. Tumbuhan

mensintesis karbohidrat dari H2O dan CO2 dengan bantuan cahaya dan klorofil melalui

peristiwa fotosintesis. Reaksi Utama Fotosintesis meliputi Reaksi terang dan reaksi gelap.

1. Reaksi terang ; Dalam Fotosistem II, energy pada elektron yang tereksitasi di berbagai pigmen sampai pusat reaksi dipindahkan ke rantai transport elektron.Selain itu elektron yang lain diperoleh melalui proses fotolisis, yang mana air dioksidasi menjadi molekul oksigen.Persamaan reaksinya adalah: 2H2O O2 + 4H+ + 4 e. Proton yang diperoleh akan dilepaskan ke lumen tilakoid, sementara elektron yang berenergi tinggi dipindahkan ke P 680 di pusat reaksi. Elektron kemudian bergerak pada rantai transport electron yang berlokasi di membrane tilkoid. Dimulai dari plastoquinon yang menerima dua electron dan dua proton untuk membentuk PQH2. Elektron kemudian dipindahkan ke sitokrom b/f kompleks.Disini terdapat pompa proton dan pompa H+ menuju lumen tilakoid. Elektron kemudian dipindahkan ke plastocyanin, protein berisi Cu yang menangkap electron melalui siklus diantara Cu2+dan Cu+ dan kemudian memberikannya ke PS-1. Di sini diperoleh lagi energy dari cahaya dan electron ditransport oleh aseptor electron yang lain yaitu feredoksin, suatu protein. Elektron kemudian digunakan oleh enzim NADP reduktase untuk mereduksi NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) menjadi NADPH. Jadi pada akhirnya di reaksi terang : dua foton diserap melalui PS II hasilnya: oksidasi molekul air untuk memberikan O2 dan dilepaskannya H+ menuju lumen dalam tilakoid; pembentukan NADPH melalui reduksi NADP dan transport H+ memasuki lumen pada tilakoid melalui sitokrom b/f kompleks.Proses tersebut dinamakan aliran electron non siklik, dihasilkannya NADPH dan gradient proton di membrane tilakoid.NADPH digunakan untuk Siklus Calvin, sementara gradien proton digunakan oleh ATP synthase,enzim yang membuat ATP. Fotosistem I dapat bekerja sendiri tanpa PS II, hal ini dapat terjadi ketika aliran electron kembali lagi ke P700 melalui plastosianin. Prosesnya disebut aliran electron siklik Elektron tidak mereduksi NADP, hanya diperoleh gradient proton.

2. Reaksi gelap. Tahap berikutnya dari fotosintesis adalah reaksi yang tidak bergantung cahaya. Energi dalam bentuk ATP dan NADPH yang dihasilkan pada reaksi cahaya digunakan untuk mereduksi CO2 menjadi karbohidrat. Reaksi fiksasi CO2 berlangsung di dalam stroma kloroplas melalui siklus Calvin. Siklus Calvin terdiri dari tiga tahap,yaitu karboksilasi, penambatan CO2 ; reduksi, penggunaan ATP dan NADPH untuk pembentukan Glyceraldehyde-3 phosphat yaitu 3 carbon gula yang digunakan untuk tahap

190

siklus selanjutnya dan beberapa diteruskan sebagai produk dari siklus (karbohidrat) ; regenerasi, dimana aseptor CO2 dibentuk kembali.

Sintesis dari bahan non karbohidrat disebut glukoneogenesis. Glukoneogenesis lazim terjadi di hati dan ginjal. Bahan-bahan non karbohidrat yang dapat dijadikan glukosa antara lain adalah laktat, malat, gliserol, dan beberapa jenis asam amino.

Sintesis glukosa dari asam laktat. Adanya aktivitas otot akan menghasilkan banyak asam laktat (sebagai hasil dari fermentasi glukosa). Laktat terdapat di otot akan dikirim ke hati dan ginjal untuk sintesis glukosa..

Sintesis glukosa dari asam malat. Sebagian besar oksaloasetat akan diubah menjadi asam malat oleh enzim malat dehidrogenase di mitokondria. Asam malat akan berdifusi ke sitosol dan diubah kembali menjadi oksaloasetat oleh enzim malat dehidrogenase di yang terdapat di sitosol. Selanjutnya dilakukan pengubahan menjadi glukosa. Sintesis glukosa dari gliserol. Sebagai hasil pemecahana triasilgliserol (salah satu jenis lipida) akan dihasilkan 3 molekul asam lemak dan 1 molekul gliserol. Gliserol tersebut dapat dimanfaatkan oleh tubuh untuk mensintesis glukosa.

Sintesis glukosa dari asam amino. Asam amino-asam amino glukogenik seperti arginin, histidin, glutamate, glutamine, prolin, isoleusin, metionin, valin, tirosin, dan fenilalanin dapat memasuki senyawa antara siklus kreb untuk selanjutnya membentuk oksaloasetat. Oksaloasetat akan diubah menjadi PEP dan selanjutnya menjadi glukosa dengan cara membalik jalur glikolisis. Selain disintesis dari bahan non karbohidrat, glukosa juga dapat dibentuk dari jenis heksosa yang lain seperti fruktosa, galaktosa, manosa, dan jenis karbohidrat lainnya.