METABOLISME KARBOHIDRAT 14 NOVEMBER 2011

PengantarKarbohidrat merupakan biomolekul terpenting dalam kaitannya dengan penyediaan energi di dalam tubuh. Hal ini disebabkan karena semua jenis karbohidrat baik monosakarida, disakarida maupun polisakarida yang dikonsumsi oleh manusia akan terkonversi menjadi glukosa di dalam hati. Glukosa ini kemudian akan berperan sebagai salah satu molekul utama bagi pembentukan energi di dalam tubuh.

keteranganDi dalam tubuh manusia glukosa yang telah diserap oleh usus halus kemudian akan terdistribusi ke dalam semua sel tubuh melalui aliran darah. Di dalam tubuh, glukosa tidak hanya dapat tersimpan dalam bentuk glikogen di dalam otot & hati namun juga dapat tersimpan pada plasma darah dalam bentuk glukosa darah (blood glucose). Dalam konsumsi keseharian, glukosa akan menyediakan hampir 5075% dari total kebutuhan energi

Proses2 pada metabolisme karbohidrat :1. Glikolisis 2. Glikogenesis 3. Glikogenolisis 4. HMP Shunt 5. Glukoneogenesis

GLIKOLISIS Disebut juga EMBDEN MEYER HOFF PATHWAY Terjadi di dalam sitosol (sitoplasma) Pada keadaan aerob :

Hasil akhirnya asam piruvat mitokondria Asetil KoA Siklus Krebs

Masuk ke dalam

ATP + CO2+ H2O

Tahapan glikolisis

Tahapan glikolisisReaksi glikolisis mempunyai sembilan tahapan reaksi yang tiap-tiap tahapnya dikatalisis oleh enzim tertentu. Dari sembilan tahapan reaksi tersebut dapat dikelompokkan menjadi dua fase, yaitu: 1. fase investasi energi, yaitu dari tahap 1 sampai tahap 4 2. fase pembelanjaan energi, yaitu dari tahap 5 sampai tahap 9.

Tahap 1. pengubahan glukosa menjadi glukosa-6fosfat (fosforilasi)Glukosa mendapat tambahan satu gugus fosfat dari satu molekul ATP, yang kemudian berubah menjadi ADP, membentuk glukosa 6fosfat. Enzim yang berperan dalam tahapan ini adalah heksokinase. Reaksinya :

The reaction involves nucleophilic attack of the C6 hydroxyl O of glucose on P of the terminal phosphate of ATP.Enzim heksokinase ditemukan oleh Meyerhof pd thn 1927, telah dapat dikristalkan dari ragi, BMnya 111000, dan memerlukan ion Mg2+ sebagai kofaktornya. Enzim ini dapat ditemukan dalam semua sel organisme. Enzim ini memiliki spesifitas katalitik yang rendah. Hampir semua monosakarida dapat difosforilasi. Aktivitasnya dapat dihambat oleh produknya, yaitu glukosa6-fosfat. Heksokinase yang diitemukan di lever, memiliki spesifitas katalitik yang tinggi dan tidak dapat dihambat oleh glukosa6-fosfat.

Tahap 2. Isomerisasi glukosa-6-fosfatPada tahapan ini terjadi reaksi isomerisasi, yaitu pengubahan glukosa 6-fosfat menjadi isomernya, yaitu fruktosa 6-fosfat. Enzim yang berperan adalah fosfoglukoisomerase. Reaksinya :

The open-chain form of glucose has an aldehyde group at carbon no1, the openchain group of fructose has a keto group at carbon no 2. So, the isomerization of glucose 6-phosphate to fructose 6-phosphate is a conversion an aldose into a ketose. The enzyme must first open the six-membered ring of glucose 6-phosphate, catalyze the isomerization and then promote the formation of the five-membered ring of fructose 6-phosphate

Enzim fosfoglukoisomerase terdapat pd jaringan otot, BMnya 130000, dan tidak memerlukan ion logam sebagai kofaktor.

Tahap 3. Pembentukan fruktosa-1,6-bifosfat (fosforilasi)Fruktosa-6-fosfat diubah menjadi fruktosa-1,6-bifosfat oleh enzim fosfofruktokinase, dengan ion Mg2+ sebagai kofaktornya. Reaksinya :

Reaksi ini berjalan spontan dan merupakan rate limiting step pada proses glikolisis. Pada reaksi ini dibutuhkan 1 mol ATP dan diregulasi secara ketat. Fosfofruktokinase dapat dihambat oleh ATP.

Tahap 4. Penguraian fruktosa-1,6-bifosfatPada tahapan ini fruktosa-1,6-bifosfat dipecah menjadi dua senyawa triosa fosfat, yang saling isomer satu sama lain, yaitu dihidroksi aseton fosfat dan PGAL (fosfogliseraldehid atau gliseraldehid 3-fosfat).

Enzim yang berperan aldolase.Reaksi :

The reaction is an aldol cleavage, the reverse of an aldol condensation. Note that C atoms are renumbered in products of Aldolase. Enzim aldolase ditemukan oleh Warburg, dapat bekerja sebagai katalis dalam reaksi penguraian beberapa ketosa dan monofosfat, dan hasil reaksi penguraian yang sama adalah dihidroksi aseton fosfat

Reaksi isomerisasi dikatalisis oleh enzim triosefosfat isomerase

Triosephosphate IsomeraseH H C C OH O H H+ +

H C C

OH OH

H H

+

+

H C H C

O OH

CH 2OPO32

CH 2OPO32

CH 2OPO32

dihydroxyacetone phosphate

enediol intermediate

glyceraldehyde3-phosphate

The ketose/aldose conversion involves acid/base catalysis, and is thought to proceed via an enediol intermediate, as with Phosphoglucose Isomerase. Active site Glu and His residues are thought to extract and donate protons during catalysis.

Pada akhir tahap I glikolisis ini menghasilkan 2 molekul gliseraldehid-3-fosfat dan menggunakan 2 molekul ATP untuk setiap 1 molekul glukosa.

Tahap 5. Oksidasi PGALYang mengalami reaksi lebih lanjut dalam glikolisis adalah PGAL. PGAL mengalami oksidasi dan mereduksi NAD+, sehingga terbentuk NADH, dan mengalami penambahan molekul fosfat anorganik (Pi) sehingga terbentuk 1,3-bifosfogliserat. Reaksi oksidasi ini mengubah aldehida menjadi asam karboksilat. Enzim yang berperan gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase ReaksiH1C

Glyceraldehyde-3-phosphate DehydrogenaseO C OH NAD+ + Pi OPO32 + H+ O NADH 1C H2

H

2

C

OH

CH 2OPO32 3

CH 2OPO32 3

glyceraldehyde3-phosphate

1,3-bisphosphoglycerate

This is the only step in Glycolysis in which NAD+ is reduced to NADH. Enzim gliseraldehida-3-fosfat dehidrogenase mempunyai BM 145000, merupakan suatu tetramer yg terdiri atas 4 subunit yg masing-masing mengikat 1 molekul NAD+ Pada reaksi oksidasi ini terjadi adisi gugus fosfat dan menghasilkan NADH. Pada tahap ini terbentuk pertama kali senyawa yang mengandung energi tinggi.

H H3N+ C CH2 SH COO

H1C

O

H 2 C OH 2 3 CH2OPO3

cysteine

glyceraldehyde-3phosphate

A cysteine thiol at the active site of Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase has a role in catalysis. The aldehyde of glyceraldehyde-3-phosphate reacts with the cysteine thiol to form a thiohemiacetal intermediate.

Enz-Cys

SH

O HC OH

OH CH OH CH CH2OPO32

glyceraldehyde-3phosphateCH2OPO32

Oxidation to a carboxylic acid (in a ~ thioester) occurs, as NAD+ is reduced to NADH.

Enz-Cys

S NAD+ NADH

CH

thiohemiacetal intermediateO OH CH CH2OPO32

Enz-Cys

S Pi

C

acyl-thioester intermediateO OH CH CH2OPO322

Enz-Cys

SH

O3PO

C

1,3-bisphosphoglycerate

The high energy acyl thioester is attacked by Pi to yield the acyl phosphate (~P) product.

Tahap 6. Pengubahan asam 1,3-bifosfogliserat menjadi asam 3-fosfogliseratAsam 1,3-bifosfogliserat melepaskan satu gugus fosfatnya dan berubah menjadi asam 3-fosfogliserat, dimana gugus fosfat yang dilepas dipindahkan ke molekul ADP dan membentuk molekul ATP. Enzim yang berperan adalah fosfogliserat kinase. Reaksi :

Enzim fosfogliserat kinase memerlukan kofaktor Mg2+. Enzim ini mirip dengan heksokinase yang mengalami perubahan konformasi yang diinduksi oleh substrat. Reaksi ini bersifat reversibel.

Tahap 7. Pengubahan asam 3-fosfogliserat menjadi asam 2-fosfogliserat.Asam 3-fosfogliserat mengalami isomerisasi menjadi asam 2fosfogliserat. Enzim yang berperan fosfogliserat mutase. Reaksi :

Phosphoglycerate MutaseO1

O C

O1

O C

H 2C OH CH 2OPO32 3

H 2C OPO32 3 CH 2OH

3-phosphoglycerate

2-phosphoglycerate

Phosphoglycerate MutaseO1

O C

O1

O C

histidineH H3N+ C CH2 C HN HC

H 2C OH 2 3 CH 2OPO3

H 2C OPO32 3 CH 2OH

COO

3-phosphoglycerate

2-phosphoglycerate

CH NH

An active site histidine sidechain participates in Pi transfer, by donating & accepting phosphate.The process involves a 2,3-bisphosphate intermediate.

O1

O C

H 2C OPO32 CH2OPO32 3

2,3-bisphosphoglycerate

Tahap 8. Pembentukan asam fosfoenol piruvatPada tahapan ini asam 2-fosfogliserat diubah menjadi asam fosfoenol piruvat. Enzim yang berperan enolase.

EnolaseO1

O C

H

O C C

O

OH

O1

O C OPO32

H 2 C OPO32 3 CH2OH

OPO32

2C

CH2OH

3 CH2

2-phosphoglycerate enolate intermediate phosphoenolpyruvateReaksi pembentukan asam fosfoenol piruvat adalah reaksi dehidrasi. Enzim enolase memerlukan ion Mg2+ sebagai kofaktor.

Tahap 9. Pembentukan asam piruvatPada tahapan ini, asam fosfoenolpiruvat melepaskan gugus fosfat terakhirnya, yang kemudian diterima oleh molekul ADP untuk membentuk ATP, dan berubah menjadi asam piruvat. Enzim yg berperan piruvat kinase. Reaksi :

Pyruvate KinaseO C 1 C 23 CH 2

O ADP ATP OPO32

O1 2

O C C OH

O1 2

O C C O

3 CH 2

3 CH 3

phosphoenolpyruvate

enolpyruvate

pyruvate

This phosphate transfer from PEP to ADP is spontaneous. PEP has a larger DG of phosphate hydrolysis than ATP. Removal of Pi from PEP yields an unstable enol, which spontaneously converts to the keto form of pyruvate. Required inorganic cations K+ and Mg++ bind to anionic residues at the active site of Pyruvate Kinase.

RESUME GLIKOLISIS TAHAP I

RESUME GLIKOLISIS TAHAP II

TUGAS 1. TULISKAN JUMLAH TOTAL ATP YANG DIHASILKAN PADA PROSES GLIKOLISIS DAN PERSAMAAN TOTAL REAKSI GLIKOLISIS (DG MENGABAIKAN ION H+)

Pyruvate is a branching pointPyruvate

O2

O2

fermentation anaerobic respiration mitochondria Krebs cycle aerobic respiration

Pada organisme aerobik:

Piruvat yang dihasilkan oleh glikolisis ini akan dioksidasi menghasilkan CO2 pada siklus Kreb. NADH yang dihasilkan oleh glikolisis dan siklus Kreb akan di-reoksidasi melalui rantai oksidasi dan menghasilkan lebih banyak lagi ATP.Pada organisme an-aerobik: NADH akan di-reoksidasi melalui serangkaian reaksi, karena NAD+ diperlukan untuk reaksi gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase. Piruvat akan dikonversi menjadi beberapa jenis senyawa yang selanjutnya akan diekskresikan.

Lactate DehydrogenaseO C C O O NADH + H+ NAD+ O C HC OH O

CH3

CH3

pyruvate

lactate

Lactate Dehydrogenase catalyzes reduction of the keto in pyruvate to a hydroxyl, yielding lactate, as NADH is oxidized to NAD+.Lactate, in addition to being an end-product of fermentation, serves as a mobile form of nutrient energy, & possibly as a signal molecule in mammalian organisms. Cell membranes contain carrier proteins that facilitate transport of lactate.

O C C

O O

Pyruvate DecarboxylaseCO 2 H C CH 3 O

Alcohol DehydrogenaseNADH + H+ NAD+ H H C OH

CH 3

CH 3

pyruvate

acetaldehyde

ethanol

Some anaerobic organisms metabolize pyruvate to ethanol, which is excreted as a waste product.

NADH is converted to NAD+ in the reaction catalyzed by Alcohol Dehydrogenase.

Tugas no 2 Jalur glikolisis diregulasi oleh 3 enzim yang mengkatalisis reaksi-reaksi yang yg berjalan spontan, yaitu : heksokinase, fosfofruktokinase, dan piruvat kinase. Jelaskan masing-masing regulasinya !

glikolisis

membrane luar

membran dalam

Daur Krebs H+

Rangkaian transpor elektron

eO2

kompartemen luar

H2 O

kompartemen dalam

glikolisis

mitokondrion

Asam piruvat

cytosol

NAD+ koenzim A

NADH

Menuju ke rangkaian transpor elektron koA

CO2

asetll koenzim A

Kompartemen dalam

Daur Krebs

Perubahan piruvat menjadi asetil KoA

sitosolProtein transpor

Mitokondria

Piruvat

Koenzim A

Asetil Ko A

/

14

Conversion of pyruvate to Acetyl CoAPyruvate DehydrogenaseO H3 C C O C O HSCo A H3C O C S Co A

+ CO2

pyruvate

NAD+ NADH

acetyl-CoA

Pyruvate + CoA + NAD+ acetylCoA + CO2 + NADH + H+

Tugas no 3 Jelaskan fungsi-fungsi utama (peranan) dari siklus krebs! (minimal 2)

TCA cycle pathway

Individual reaction

Reaction 1: Citrate SynthaseCH3 C O SCoA acetyl CoAA thioester: so a high energy compound Hydrolysis helps drive this reaction forward

Allosteric, -ATP,NADH, succinyl-CoACOOH C CH2 COOH O

CoASH

COOH citrate synthase HO CH2 C CH2 COOH citrate COOH

oxaloacetate

Tahap 1.

sitrat sintase Asetil KoA + oksaloasetat + H2O sitrat + KoA-SH Merupakan reaksi kondensasi aldol yg disertai hidroli sis dan berjalan searah

Fluoroacetate blocks the cycle Fluoroacetate is

poisonous because it can convert to fluorocitrate which is an inhibitors of TCA cycle.

COOH

Reaction 2: AconitaseDehydration followed by hydration

CH2 HO C CH2 COOH citrate COOH

aconitase

cis-aconitate aconitase COOH CH2 HC HC COOH OH

COOH isocitrate

Reaction 3: Isocitrate DehydrogenaseFirst Oxidative decarboxylationAllosteric enzyme -ATP,NADHNAD+

COOH CH2 HC HC COOH OH

COOH isocitrate

isocitrate dehydrogenase NADH COOH CH2 CH2 C O CO2

COOH ketoglutarate (oxo-glutarate)

COOH

Reaction 4: -Ketoglutarate DehydrogenaseSecond Oxidative decarboxylationCOOH CH2 CH2 C O

CH2 CH2 C O

COOH ketoglutarate (oxo-glutarate) CoASH NAD+

NADH CO2

SCoA succinyl CoA

ketoglutarate dehydrogenase

Ketoglutarate dehydrogenase complex is very similar to the pyruvate degydrogenase complex. allosteric inhibitor: NADH, succinylCoA, ATP Five coenzymes used -TPP, CoASH, Lipoic acid,NAD+, FAD

Reaction 5: Succinate thiokinase(also called succinyl CoA synthetase)

COOH CH2 CH2 COOH succinate

HydrolysisCoASH

COOH CH2 CH2 C O SCoA

GTP

GDP, Pi succinyl CoA

succinyl CoA synthetase

Reaksi ini memerlukan ADP atau GDP yg dengan Pi akan membentuk ATP atau GTP.Juga memerlukan Mg++ Reaksi ini merupakan satu2nya dalam TCA cycle yg membentuk senyawa fosfat berenergi tinggi pada tingkat substrat Pada jaringan dimana glukoneogenesis terjadi ( hati & ginjal) terdapat 2 jenis isozim suksinat thiokinase, satu jenis spesifik GDP, satu jenis untuk ADP. Pada jaringan nonglukoneogenik hanya ada isozim yg menggunakan ADP

COOH CH CH COOH fumarate COOH2

Reaction 6: Succinate Dehydrogenase

FADH

CH2 CH2 COOH

Oxidatione- carrier is FAD

FAD

succinate dehydrogenase succinate

Succinate Dehydrogenase Part of electron transport chain in the inner membrane of

mitochondria. Removal of H across a C-C bond is not sufficiently

exergonic to reduce NAD+,but it does yield enough energy to reduce FAD. Malonate is a competitive inhibitor

COOH CHOH CH2 COOH malate

Reaction 7: Fumarase HydrationH2O

fumarase COOH CH CH COOH fumarate

trans-addition of the elements of water across the double bond, forms L-malate

Reaction 8: Malate DehydrogenaseCOOH C NAD+ O

NADH

CH2 malate dehydrogenase COOH oxaloacetate

OxidationThis and the previous two reactions form a reaction triad

COOH CHOH CH2 COOH malate+

Citric Acid Cycle Summary

Reaksi total :

Asetil KoA + 3NAD+ + FAD + ADP (atau GDP) + Pi + H2O 2CO2 + KoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP ( atau GTP)

JUMLAH ATP YANG TERBENTUK Oksidasi 1 mol asetil KoA lewat TCA cycle menghasil-

kan : * 3 mol (NADH + H+) yg akan masuk rantai respirasi menghasilkan 3 x 3 mol ATP = 9 mol ATP * 1 mol FADH2 yg akan masuk rantai respirasi menghasilkan 2 mol ATP * Enzim suksinat thiokinase menghasilkan 1 mol ATP ( atau GTP ) * Jadi dari 1 mol asetil KoA dihasilkan 12 mol ATP

Tugas no 4

Jelaskan inhibitor-inhibitor pada siklus krebs ? (minimal 2)