1. Overview : Hubungan Katabolisme dan Anabolisme

Slide ini menunjukkan hubungan proses katabolisme dan anabolisme pada proses

metabolisme. Pada tahap pertama katabolisme, molekul-molekul besar seperti polimer,

protein, asam nukleat, polisakarida, dan lemak dipecah menjadi senyawa-senyawa yang lebih

sederhana yaitu monomer, asam amino, nukleotida, gula, asam lemak, dan gliserol. Produk

tahap kedua ini kemudian diproses lagi menjadi molekul piruvat, asetil-CoA, dan melalui

suatu siklus asam sitrat. Pada akhir reaksi akan dihasilkan molekul-molekul sederhana

seperti air, karbondioksida, dan amin disertai dihasilkannya sejumlah energi. Sebaliknya,

pada proses anabolisme, molekul yang lebih kecil diproses menjadi molekul yang lebih besar.

Proses anabolisme membutuhkan energi agar dapat berlangsung. Sehingga kesimpulannya

proses katabolisme dan anabolisme adalah proses dengan arah yang berlawanan.

Pada gambar ini diperlihatkanjalur katabolisme dengan arah menurun dan jalur anabolisme

dengan arah naik. Diketahui pula bahwa jalur metabolisme terdiri dari tiga tahapan penting.

Hubungan Metabolisme Karbohidrat, Lipid, Protein, dan Asam Nukleat

Ditunjukkan jalur metabolisme pusat dan beberapa senyawa intermediet penting pada proses

metabolisme. Metabolisme dapat dibagi menjadi tiga tahap kompleks dengan terlibatnya

sejumlah senyawa-senyawa metabolit. Pada gambar dapat diketahui bahwa sumber –

sumber energi yang dapat diolah melalui proses metabolisme (tahap 1) adalah protein, asam

nukleat, karbohidrat dan asam nukleat. Sumber energi utama adalah karbohidrat.

Kekurangan jumlah karbohidrat akan menyebabkan metabolisme berlangsung dengan

mendegradasi molekul lemak. Sumber terakhir adalah protein dan asam nukleat, yang berarti

mendegradasi diri sendiri agar tetap hidup dan memperoleh energi.

Jalur pertama adalah glikolisis, yaitu tahap penguraian molekul glukosa yang berlangsung

pada sel-sel aerob maupun anaerob. Input utama tahap glikolisis (tahap 2) adalah molekul

glukosa. Jalur ini akan mengahsilkan senyawa piruvat, asam keto dengan tiga atom karbon.

Metabolisme oksidatif (respirasi) senyawa piruvat akan menghasilkan senyawa dengan

fragmen dua atom karbon, asetil-koenzim A atau asetil-CoA. Senyawa ini kemudian diproses

secara oksidatif dalam siklus asam sitrat. Jalur melingkar ini menerima masukan senyawa

karbon sederhana, yang dihasilkan bukan hanya dari karbohidrat melainkan juga berasal dari

lemak atau protein. Produk samping hasil metabolisme protein dan lemak adalah senyawa

amin (NH3). Hasil oksidasi karbon tersebut akan menghasilkan karbondioksida (CO2).

Reaksi oksidatif siklus asam sitrat menghasilkan senyawa pembawa elektron tereduksi

(NADH dan FADH2) yang hasil reoksidasinya menjalankan biosintesis ATP.

Karbondioksida dan air yang dihasilkan dari jalur metabolisme dapat disintesis kembali

menjadi glukosa melalui jalur fotosintesis pada klorofil tanaman ditambah bantuan energi dari

cahaya matahari.

2. Karbohidrat

Glukosa merupakan senyawa monosakarida penting pada tahap metabolisme. Glukosa yang

tidak digunakan untuk mensintesis ATP akan disimpan sebagai molekul glikogen, pati, dan

sukrosa. Mekanisme metabolisme glukosa melalui jalur glikolisis akan menghasilkan

senyawa piruvat dan dihasilkannya sejumlah energi. Teraksir, senyawa glukosa dapat

dioksidasi melalui jalur pentosa posfat menghasilkan senyawa ribosa-5-posfat. Ribosa-5-

posfat adalah senyawa yang sangat penting karena merupakan prekursor bagi pembentukan

nukleotida.

2.1 Metabolisme Karbohidrat

Beberapa istilah penting dalam metabolisme karbohidrat yaitu :

Glikolisis : Degradasi glukosa menjadi piruvat

Glukoneogenesis : Pembentukan glukosa dari piruvat

Glikogenolisis : Degradasi glikogen menjadi glukosa

Glikogenesis : Sintesis glukosa menjadi glikogen

Jalur anaplerotik : Jalur darurat pada proses metabolisme

Jalur Katabolisme Karbohidrat

Glukosa melalui 10 tahapan glikolisis dirubah menjadi dua molekul piruvat. Dua molekul

piruvat kemudian melalui kondisi aerob diproses menjadi dua senyawa asetil-CoA dengan

produk sampingnya adalah dua molekul karbondioksida. Dua molekul asetil-CoA kemudian

melalui siklus asam sitrat menghasilkan masing-masing empat karbondioksida dan air.

Tahapan tersebut berlangsung pada binatang, tanaman, dan banyak sel-sel miroba pada

kondisi aerob.

Sedangkan pada kondisi anaerob, piruvat diubah menjadi etanol dan karbondioksida. Proses

ini berlangsung pada beberapa mikroorganisme seperti ragi (Saccharomyces cerrevicae)

yang disebut proses fermentasi. Tahapan oksidasi selanjutnya akan merubah alkohol menjadi

aldehid, kemudian dioksidasi lebih lanjut menjadi asam karboksilat.

Glukosa dapat pula difermentasi menjadi senyawa laktat pada kontraksi jaringan otot, sel dan

beberapa jenis mikroorganisme (contohnya adalah Lactobacillus bulgaricus yang berperan

dalam pembuatan yoghurt).

Glikolisis

Glikolisis merupakan tahap awal pada jalur katabolisme karbohidrat. Gula enam karbon

dipecah menghasilkan senyawa dengan tiga karbon, yaitu piruvat. Selama glikolisis beberapa

energi potensial yang tersimpan pada struktur heksosa dilepaskan kemudian digunakan

untuk mensintesis ATP dari ADP. Sel aerob maupun anaerob menggunakan jalur glikolisis.

Secara garis besar sepuluh tahapn glikolisis dibagi menjadi dua tahapan penting, yaitu tahap

yang membutuhkan energi dan tahap yang menghasilkan energi. Walaupun demilikan, energi

bebas Gibbs untuk total keseluruhan reaksi glikolisis adalah negatif. Hal ini menunjukkan

bahwa keseluruhan proses glikolisis menghasilkan sejumlah energi.

Total

Glukosa 2 Piruvat

2ADP 2ATP

2NAD+ 2NADH

Tahap Diperlukan Energi pada Glikolisis

Pada awal glikolisis, diinvestasikan sejumlah energi yaitu 2 molekul ATP dirubah menjadi

ADP untuk melepaskan sejumlah energi. Energi yang dilepaskan ini digunakan untuk

memulai proses glikolisis. Pelepasan energi pertama yaitu adalah ketika tahap posforilasi

glukosa menjadi glukosa-6-posfat dengan katalis enzim. Pelepasan energi kedua adalah

tahap posforilasi fruktosa-6-posfat menjadi fruktosa-1,6-biposfat. Pada fasa investasi energi

ini (lima tahap pertama), metabolisme gula diaktifkan oleh proses posforilasi.

Tahap Dihasilkan Energi pada Glikolisis

Fasa pembentukna energi dimulai dari tahap enam sampai tahap sepuluh. Senyawa posfat

triosa diaktivasi lebih lanjut menghasilkan dua senyawa mengandung iaktan posfat berenergi

tinggi (1,3-biposfogliserat dan posfoenolpiruvat). Senyawa-senyawa tersebut memiliki energi

bebas Gibbs hidrolisis yang lebih besar dibandingkan ATP, sehingga dapat dikategorikan

sebagai senyawa berenergi tinggi. Setiap senyawa tersebut memindahkan posfat berenergi

tingginya pada molekul ADP untuk mensintesis ATP. Proses ini disebut posforilasi tingkat

substrat.

Posforilasi I

Tahap ini adalah reaksi pertama proses glikolisis yaitu tahap investasi ATP yang pertama.

Terajdi peristiwa posforilasi glukosa yang bergantung pada ATP, dan dikatalisis oleh enzim

heksokinase. Pada proses ini diperlukan ion magnesium karen abentuk reaktif dari ATP di-

khelat membentuk kompleks dengan Mg2+. Enzim heksokinase berperan penting pada tahap

ini karena spesifisitas yang luas terhadap glukosa dan harga Km yang rendah terhadap

substrat glukosa (afinitas enzim heksokinase dan substrat glukosa kuat, yaitu 0,01 – 0,1 mM).

Aktivitas heksokinase diinhibisi oleh produk reaksi glukosa-6-posfat (inhibisi produk), yaitu

sebuah mekanisme kontrol pemrosesan substrat pada jalur glikolisis. Struktur enzim

heksokinase menyediakan bukti penting model katalis enzim induced-fit. Energi bebas Gibbs

pada tahap ini adalah sebesar – 16,7 kJ/mol, berarti reaksi pada tahap ini berlangsung

secara spontan.

Isomerasi

Tahap ini adalah isomerisasiglukosa-6-posfat menjadi fruktosa-6-posfat. Reaksi ini dikatalisis

oleh enzim posfoglukoisomerase menyebabkan proses isomerisasi reversibel dari senyawa

aldosa, glukosa-6-posfat (G6P), menjadi senyawa ketosa, fruktosa-6-posfat (F6P). Reaksi ini

berjalan melalui tahap pembentukan senyawa intermediet enediol yang melibatkan residu-

residu asam amino. Efek dari pemindahan oksigen karbonil dari karbon 1 menuju karbon 2

pada proses isomerisasi, yaitu gugus hidroksil pada karbon 1 dapat diposforilasi pada tahap

reaksi selanjutnya. Reaksi ini tidak berjalan secara spontan apabila tidak dikapling dengan

reaksi –reaksi selanjutnya, ditunjukkan oleh nilai energi bebas Gibbs sebesar + 1,7 kJ/mol.

Posforilasi III

Tahap ini adalah investasi ATP kedua dari rangkaian proses glikolisis. Posforfruktokinase

ATP mendororng posforilasi bergantung ATP yang kedua, menghasilkan heksosa awal

terposforilasi yaitu pada atom karbon 1 dan 6. Produknya fruktosa-1,6-biposfat (FBP),

sebelumnya disebut fruktosa-1,6-diposfat untuk menunjukkan bahwa kedua gugus posfatnya

terpisah (berbeda dengan gugus posfat pada ATP).

Seperti halnya reaksi posforilasi pada glukosa, tahap ini berlangsung eksorgonik (melibatkan

pelepasan energi oleh ATP) ireversibel secara in vivo. Mekanisme ireversibel sangat penting

karena posfofruktokinase (PFK) adalah enzim alosterik yang aktivitasnya secara langsung

spesifik terhadap kondisi energi dalam sel, begitu pula terhadap terhadap jumlah senyawa

intermediet seperti sitrat dan asam lemak. Interaksi dengan efektor alosterik akan

mengaktifkan PFK. Aktivasinya meningkatkan pemasukan karbon menuju proses glikolisis

ketika dibutuhkan pembentukan ATP yang lebih banyak dan menghambat pemasukan karbon

ketika jumlah ATP dan substrat yang dapat dioksida dalam sel mencukupi.

Pemecahan Fruktosa-1,6-Bisfosfat

Reaksi tahap keempat glikolisis ini adalah pemecahan molekul fruktosa-1,6-bisfosfat menjadi

dua molekul fosfat triosa. Reaksi ini dikatalisis oleh frktosa-1,6-bisfosfat aldolase, biasa

disebut aldolase (reaksinya adalah kondensasi aldol). Pada reaksi ini berlangsung tahap

pmisahan molekul glukosa (glikolisis) karen asenyawa enam karbon fruktosa-1,6-bisfosfat

dipotong menjadi dua molekul intermediet tiga karbon, gliseraldehid-3-fosfat dan

dihidroksiaseton fosfat.

Reaksi ini berlangsung sangat endorgonik, yaitu pembentuk fruktosa-1,6-bisfosfat sangat

disukai. Akan tetapi reaksi secara in vivo ternyata berlangsung ke arah kanan. Tahap ini

menunjukkan sangat pentingnya memperhatikan kondisi yang berlangsung di dalam sel

(bukan kondisi keadaan standar) yang menentukan arah reaksi yang disukai. Tahap ini

mengilustrasikan prinsip metabolisme yang sangat penting.

Aldolase pada kebanyakan vertebrata adalah protein tetramer. Enzim ini mengaktifkan

substrat untuk dipotong dengan cara mengkondensasi karbon keto pada posisi 2 dengan

gugus amino lisin pada sisi aktif enzim untuk menghasilkan senyawa intermediet basa Schiff.

Basa Schiff adalah produk kondensasi sebuah gugus amino dengan sebuah gugus karbonil.

Substrat yang teraktifasi akan menyebabkan lepasnya atom hidrogen pada gugus hidroksil

karbon 4, diikuti eliminasi ion enolat yang menghasilkan pemutusan ikatan di antara karbon 3

dan 4.

Isomerasi

Tahap ini adalah isomerisasi dihidroksiaseton fosfat. Hasil reaksi aldolase adalah dua

senyawa gula fosfat tiga karbon. Reaksi ini dikatalis oleh enzim triosa fosfat isomerase, yaitu

menkonversi dihidroksiaseton fosfat (DHAP) menjadi gliseraldehid-3-fosfat (G3P). Karena

G3P adalah substrat untuk rekasi glikolisis selanjutnya, maka keenam atom karbon dari

glukosa harus dikonversi melalui tahap isomerisasi ini.

Reaksi ini berlangsung endorgonik pada kondisi standar. Akan tetapi konsentrasi G3P di

dalam sel rendah, sehingga reaksi berlangsung ke arah kanan. Isomerisasi DHAP

berlangsung melalui pembentukan senyawa intermediet enediol. Sampai tahap ini, glikolisis

telah menggunakan dua molekul ATP dan menkonversi dua molekul G3P yang pada tahap

selanjutnya akan dimetabolisme menjadi senyawa bernergi tinggi yang mendorong

pembentukan ATP. Fasa membutuhkan energi pada jalur glikolisis telah selesai, dan fasa

pembentukan energi dimulai.

C6 2C3

Pada slid eini ditunjukkan proses pemutusan fruktosa-1,6-bisfsfat dengan katalis enzim

aldolase, mengahsilkan dua senyawa intermediet. Molekul pertama adalah dihidroksiaseton

fosfat (DHAP) yang merupakan potongan karbon 1, 2, dan 3 dari molekul fruktosa-1,6-

bisfosfat. Molekul kedua adalah gliseraldehid-3-fosfat (G3P) yang merupakan potongan dari

karbon 4,5, dan 6 dari molekul awal fruktosa-1,6-bisfosfat. Selnjutnya DHAP dapat dikonversi

melalui proses isomerisasi menjadi G3P dengan enzim triosa fosfat isomerase. Proses

isomerisasi sangat diperlukan karena substrat untuk reaksi tahap selanjutnya proses glikolisis

adalah molekul G3P.

Fosforelasi

Tahap ini adalah pembentukan senyawa berenergi tinggi yang pertama pad ajalur glikolisis.

Reaksi ini dikaltalis oleh enzim gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase. Reaksi ini mengahsilkan

senyawa berenergi tinggi, yaitu 1,3-bisfosfogliserat (BPG). Senyawa ini memiliki gugus asil-

fosfat pada posisi atom karbon 1 yang memiliki energi standar hasil hidrolisis yang besar,

yaitu -49,4 kJ/mol. Proses ini membutuhkan sebuah koenzim yaitu NAD+ yang berfungsi

untuk menerima elektron dari substrat yang dioksidasi.

Karena gugus asil-fosfat mengandung energi yang lebih tinggi dibandingkan anhidrida fosfat

pada ATP, 1,3-bisfosfogliserat dapat mndorong pembentukan ATP dari ADP.

Pada slide berikutnya ditunjukkan jalur reaksi gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase. Karena

gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase ternyata diinhibisi oleh iodoasetat dan logam berat

seperti merkuri. Kedua senyawa tersebut bereaksi dengan gugus sulfidril bebas

menyebabkan enzim menjadi tidak aktif. Hal ini menunjukkan bahwa enzim mengandung satu

atau lebih gugus tiol esensial. Dari gambar kedua dapat diketahui mekanisme reaksi bahwa

gugus tiol dari residu sistein diikat oleh iodoasetat. Sisi aktif enzim dihalangi keberadaan

senyawa iodoasetat sehingga tidak dapat berinteraksi dengan substrat yang seharusnya,

yaitu gliseraldehid-3-fosfat.

Oleh karena itu, dapat ditentukan mekanisme proses reaksi enzim gliseraldehid-3-fosfat

dehidrogenase. Tahap pertama adalah pembentukan senyawa intermediet tiohemiasetal

yang emrupakan interaksi antara gugus tiol sistein enzim gliseraldehid-3-fosfat

dehidrogenase dengan gugus karbonil substratnya, gliseraldehid-3-fosfat. Tahap selanjutnya

adalah oksidasi tioester oleh koenzim NAD+ menghasilkan senyawa intermediet asil-enzim,

tioester. Tioester adalah senyawa berenergi tinggi. Tahap terakhir adalah fosforilasi tioester

diserati pemotongan ikatan tioester pada senyawa intermediet asil-enzim menghasilkan

senyawa 1,3-bisfosfogliserat dan enzim bebas gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase. Enzim

bebas ini kemudian mengikat lagi substrat gliseraldehid-3-fosfat dan siklus terus berulang.

Tahap selanjutnya adalah tahap ke tujuh jalur glikolisis, yaitu fosforilasi tingkat substrat yang

pertama. Karena 1,3-bisfosfogliserat merupakan senyawa berenergi tinggi, maka senyawa ini

mempunyai kemmapuan mentransfer gugus asil-fosfatnya kepada ADP yang pada akhirnya

menghasilkan ATP. Reaksi ini dikatalis oleh enzim fosfogliserat kinase dan ion magnesium

berfungsi untuk mengkhelat gugus fosfat pada molekul ATP yang dihasilkan. Sampai dengan

tahap ini, total ATP dari jalur glikolisis adalah nol. Karena sebelumnya dua molekul ATP

digunakan untuk menghasilkan dua mol triosa fosfat, dan pada proses ini dihasilkan satu

molekul ATP oleh tiap mol triosa fosfat.

Pemindahan Gugus Fisfat

Tahap ini adalah penyiapan untuk sintesis senyawa berenergi tinggi berikutnya. Aktivasi 3-

fosfogliserat dimulai dengan isomerisasi yang dikatalis oleh fosfogliserat mutase. Enzim ini

memindahkan gugus fosfat dari atom karbon di posisi 3 ke posisi 2 molekul substrat,

sehingga menghasilkan 2-fosfogliserat. Pad areaksi ini dibutuhkan ion magnesium, Mg2+.

Reaksi ini pada kondisi standar sedikit endorgonik. Akan tetapi, kadar senyawa 3-

fosfogliserat dalam sel lebih tinggi dibandingkan 2-fosfogliserat sehingga reaksi secara in vivo

dapat berlangsung tanpa kesulitan ke arah kanan. Enzimnya mengandung residu fosfohistidin

di daerah sisi aktif. Fosforilasi pada enzim berlangsung setelah enzim menerima gugus fosfat

dari molekul 2,3-bisfosfogliserat yang lebih dulu disintesis dari fosforilasi 3-fosfogliserat

dengan katalis kinase. Pada tahap awal reaksi, gugus fosfat ditransfer dari enzim

(fosfoenzim) menuju substrat untuk menghasilkan senyawa intermediet 2,3-bisfosfogliserat.

Pemutusan ikatan enzim menghasilkan enzim terfosforilasi dan produk reaksi.

Tahap ke sembilan adalah sintesis senyawa berenrgi tinggi kedua. Reaksi ini dikatalis oleh

enolase menghasilkan fosfoenolpiruvat (PEP), suatu senyawa berenergi tinggi. PEP

berpartisipasi pada fosforilasi tingkat substrat kedua jalur glikolisis. Reaksi ini melibatkan

dehidrasi sederhana (eliminasi alfa-beta) dan keseluruhan energi beas yang terlibat adalah

kecil. Akan tetapi, efeknya adalah meningkatkan energi bebas hidrolisis ikatan fosfat dari -

15,6 kJ/mol (2-fosfogliserat) menjadi -61,9 kJ/mol (fosfoenolpiruvat). Karbon 2 pada

fosfoenolpiruvat terkunci pada konfigurasi enol yang tidak disukai. Ketidakstabilan

termodinamika struktur enolpiruvat menyebabkan hasil hidrolisis fosfoenolpiruvat

menghasilkan energi bebas yang sangat eksorgenik.

Pelepasan ATP

Tahap ini adalah fosforilasi tingkat substrat yang kedua, sekaligus merupakan tahap terakhir

proses glikolisis. Reaksinya dikatalis oleh piruvat kinase. Fosfoenolpiruvat melepaskan gugus

fosfatnya kepada ADP pada fosforilasi tingkat substrat lainnya, menghasilkan satu molekul

ATP. Enzim piruvat kinase membutuhkan ion magnesium dan kalium (Mg2+ dan K+).

Tautomerisasi

Dua molekul piruvat yang dihasilkan dari jalur glikolisis memiliki dua struktur. Struktur piruvat

tersebut adalah bentuk enol dan bentuk keto. Karena piruvat yang bentuk keto saja yang

merupakan substrat bagi pembentukan asetil-CoA pada reaksi selanjutnya, maka diperlukan

proses tautomerisasi. Walaupun reaksi tautomerisasi berlangsung reversibel, namun reaksi

ke arah kanan berlangsung lebih dominan dibandingkan yang ke arah kiri. Hal ini disebabkan

struktur piruvat bentuk keto lebih stabil dan lebih disukai secara energetika dibandingkan

bentuk enolnya.

Perubahan Piruvat Menjadi Asam Laktat

Molekul piruvat merupakan titik cabang pusat metabolisme. Pada sel aerob dengan laju

reaksi glikolisis yang tinggi, NADH yang terbentuk tidak semuanya dapat direoksidasi dengan

laju yang sama di mitokondria. Pada kasus seperti itu atau pada sel anaerob, yang

kekurangan mitokondria, NADH harus digunakan menjalankan reaksi reduksi substrat organik

untuk menjaga homeostatis sel. Substratnya adalah piruvat, baik pada sel eukariot maupun

bakteri asam laktat, produk yang terbentuk adalah laktat. Reaksi ini dikatalis oleh enzim laktat

dehidrogenase. Arah reaksi lebih dominan berlangsung ke arah kanan. Pada glikolisis

anaerob, NADH yang dihasilkan dari oksidasi gliseraldehid-3-fosfat digunakan untuk

mereduksi piruvat menjadi laktat.

Pada beberapa jaringan vertebrata, seperti sel darah merah dan otot, energi dihasilkan dari

metabolisme anaerob. Dalam keadaan normal, laktat yang terbentuk kemudian berdifusi dan

ditranspor ke melalui peredaran darah menuju jaringan aerob tinggi, seperti jantung dan hati.

Laktat kemudian dapat dirubah kembali menjadi glukosa melalui jalur glukoneogenesis.

Enzim laktat dehidrogenase termasuk golongan isoenzim karena memiliki beberpa jenis

bentuk molekular dengan fungsi katalisis yang sama. Laktat dehidrogenase (LDH) adalah

protein tetramer terdiri dari subunit M dan H.

Fermentasi Alkohol

Piruvat dapat melalui bebarpa jalur berbeda pada mikroorganisme anaerob. Pada bakteri

asam laktat, piruvat direduksi menjadi laktat melalui satu tahap reaksi. Sedangkan ragi

menkonversi piruvat menjadi etanol melalui dua tahap reaksi. Fermentasi alkoholik ini dimulai

dekarboksilasi nonoksidatif piruvat menjadi asetaldehid. Reaksi ini dikatalis oleh piruvat

dekarboksilase. Reaksi ini diikuti dengan reduksi asetaldehid menjadi etanol yang bergantung

pada NADH yang dikatalis oleh alkohol dehidrogenase.

Reaksi pertama memperlukan tiamin pirofosfat (TPP) sebagai koenzim. Koenzim ini dibentuk

dari vitamin B1,. Selain TPP, diperlukan juga kehadiran ion magnesium. Jaringan binatang

juga mengandung alkohol dehidrogenase walaupun etanol bukanlah produk metabolisme

utama pada sel binatang. Enzim ini berperan penting sebagai penetral racun etanol (melalui

oksidasi etanol) di dalam hati.

Tiamin Pirofosfat

Gambar (c) menunjukkan siklus pembentukan tiamin pirofosfat dalam reaksi piruvat

dehidrogenase. Tiamin pirofosfat (TPP) adalah koenzim untuk reaksi piruvat dehidrogenase

dan reaksi dekarboksilasi non oksidatif asam alfa keto lainnya. Reaksi kunci (tahap 1) adalah

penyerangan karbanion TPP oleh karbon karbonil piruvat. Kemudian diikuti dekarboksilasi

non oksidatif ikatan koenzim piruvat (tahap 2). Pasangan elektron tetap berada pada cincin

nitrogen tiazol dan distabilkan oleh resonansi. Selanjutnya fragmen dua karbon terikat pada

TPP memberikan proton (protonasi) sehingga menghasilkan sebuah senyawa bernama

hidroksietil tiamin pirofosfat (gambar b). Fragmen ini tetap pada tingkat oksidasi aldehid.

Pada proses fermentasi glukosa menjadi etanol, hidroksietil-TPP dikonversi menjadi

asetaldehid dan TPP oleh piruvat dekarboksilase ragi (tahap 4).

Pada slide berikutnya ditunjukkan beberapa jenis reaksi yang memerlukan atau bergantung

pada keberadaan tiamin pirofosfat sebagai koenzim.

Pada jalu glikoisis terdapat beberapa enzim kunci. Pertama adalah heksokinase yang

aktivitasnya dikendalikan melalui regulasi tingkat substrat oleh glukosa-6-fosfat (G6P). Kedua

adalah fosfofruktokinase, dikendalikan secara alosterik oleh beberapa efektor, yaitu fruktosa-

2,6-bisfosfat, AMP, ADP, ATP, dan sitrat. Terakhir adalah piruvat kinase dikendalikan secara

alosterik oleh efektor ATP, asetil-CoA, D-fruktosa-1,6-bisfosfat, dan modifikasi kovalen

(fosforilasi).

Siklus Asam Sitrat

Siklus asam sitrat adalah jalur untuk mengoksidasi seluruh bahan bakar metabolisme

(karbohidrat, lemak, dan protein) diproses katabolisme dalam jaringan organisme aerob.

Terdiri dari reaksi-reaksi aerob dimana karbohidrat dioksidasi menjadi karbondioksida dan air.

Siklus asam sitrat merupakan pusat jalur oksidatif pada sistem pernafasan.

Siklus asam sitrat dimulai dengan masuknya senyawa dua karbon (asetil-CoA) ditransfer

menuju asam organik empat karbon, oksaloasetat, menghasilkan asam trikarboksilik enam

karbon, sitrat (tahap 1). Asetil-CoA dihasilkan dari proses aerob piruvat produk dari reaksi

glikolisis. Sitrat selanjutnya melalui tujuh reaksi berurutan dengan dua karbon dilepas sebagai

karbondioksida, dan sisa empat karbon diproses menjadi oksaloasetat, yang siap untuk

diproses kembali. Oksaloasetat tersedia di awal siklus untuk nereaksi dengan fragmen dua

karbon teraktivasi dan oksaloasetat kembali hadir di akhir reaksi setelah fragmen dua karbon

tersebut dioksidasi menjadi karbondioksida. Kedelapan reaksi siklus asam sitrat bersama-

sama menghasilkan kofaktor-kofaktor tereduksi, yaitu NADH dan koenzim flavin tereduksi.

Siklus asam sitrat dapat dikelompokkan menjadi dua bagian besar. Fasa pertama adalah

tahap oksidasi fragmen dua karbon menjadi karbondioksida (reaksi 1 sampai 4). Sedangkan

fasa kedua adalah proses pembentukan kembali oksaloasetat (reaksi 5 sampai 8). Siklus

asam sitrat dikenal juga dengan sebutan siklus Krebs (penemunya) atau siklus asam

trikarboksilik (TCA), karena TCA diketahui terlibat sebagai senyawa intermediet reaksi. Pada

akhirnya diketahui bahwa sitrat adalah salah satu dari senyawa intermediet tersebut.

Tahap pertama adalah masuknya fragmen dua karbon (asetil-CoA) yang bereaksi dengan

oksaloasetat melalui serangan nukleofilik menghasilkan sitrosil-CoA yang sangat tidak stabil

dan segera membentuk sitrat. Tahap kedua adalah isomerisasi sitrat. Reaksi ini dikatalis oleh

asonitase menghasilkan senyawa alkoholik, isositrat, yang dapat dioksidasi. Pada reaksi ini

terbentuk senyawa intermediet yaitu cis-asonitat. Tahap ketiga adalah pebentukan

karbondioksida oleh NAD+ yang terikat pada dehidrogenase. Pda tahap ini isositrat dibentuk

menjadi alfa-ketoglutarat. Tahap ke empat adalah pembentukan karbondioksida kedua oleh

kompleks multienzim. Alfa-ketoglutarat dikonversi menjadi suksinil-CoA dengan katalis

kompleks alfa-ketoglutarat dehidrogenase. Tahap lima yaitu fosforilasi tingkat substrat.

Reaksi dikatalis enzim suksinil CoA sintetase. Senyawa berenergi tinggi, suksinil CoA,

melepaskan energi untuk membentuk ATP dari ADP. Tahap enam yaitu pembentukan

fumarat dari suksinat, produk tahap lima. Enzim yang berperan adalah suksinat

dehidrogenase, FAD terikat kovalen pada enzim melalui residu spesifik histidin menghasilkan

bentuk tereduksi di akhir reaksi. Tahap tujuh yaitu hidrasi ikatan ganda karbon-karbon.

Reaksi dikatalis enzim fumarat hidratase, lebih dieknal dengan sebutan fumarase. Reaksi ini

menkonversi fumarat menjadi L-malat. Tahap terakhir yaitu dehidrogenasi yang

menghasilkan oksaloasetat kembali. Reaksi dikatalis oleh enzim malat dehidrogenase.

Reaksi ini sangat endorgonik. Satu putaran siklus asam sitrat menghasilkan satu fosfat

berenergi tinggi melalui fosforilasi tingkat substrat, ditambah tiga NADH dan satu FADH2.

Slide berikutnya menunjukkan energi bebas yang dihasilkan dari siklus asam sitrat.

Ditunjukkan pada masing-masing tahap reaksi energi bebas Gibbs, substrat, dan enzim yang

terlibat. Keseluruhan siklus asam sitrat memberikan total energi bebas Gibbs sebesar -57,3

kJ/mol.

Siklus Glioksilat

Reaksi-reaksi yang terjadi dikatalis oleh enzim isositrat liase dan malat sintase, yaitu sebuah

jalur bypass tiga tahap siklus asam sitrat di anatara isositrat dan suksinat. Proses ini

berlangsung pada glioksisom, suatu organel spesial tempat oksidasi asam lemak menjadi

asetil CoA.

Asetil-CoA disediakan dari oksidasi asam lemak. Alternatifnya adalah asetat dikonversi

menjadi asetil-CoA oleh enzim asetat tiokinase. Selanjutnya asetil CoA berkondensasi

dengan oksaloasetat menghasilkan sitrat sebagaimana halnya siklus asam sitrat. Sitrat

berekasi dengan asonitase menghasilkan isositrat. Pada reaksi selanjutnya, isositrat dipotong

menjadi glioksilat dan suksinat oleh enzim isositrat liase. Suksinat selanjutnya dibentuk

menjadi fumarat dan kemudian adalah malat. Glioksilat kemudian menerima asetat dari asetil

CoA lainnya menghasilkan malat, pada reaksi yang dikatalis malat sintase. Kedua produk

malat tersebut kemudian didehidrogenasi menghasilkan oksaloasetat. Enzim yang terlibat,

malat dehidrogenase tersedia di glioksisom. Siklus glioksilat pada akhirnya menkonversi

fragmen dua karbon, asetil CoA menjadi senyawa empat karbon, suksinat. Suksinat

kemudian masuk ke jalur glukoneogenesis melaluikonversi menjadi oksaloasetat.

Transfer Elektron

Elektron ditransfer melalui molekul-molekul pembawa pada jalur pernafasan (respirasi).

Elektron bergerak dari potensial tinggi menuju potensial rendah dengan perantara molekul-

molekul tersebut. Elektron dibawa menuju mitokondria melalui jalur metabolisme berdasarkan

reaksi redoks.

NADH dan NADH Dehidrogenase

Sejumlah besar dehidrogenase dalam sel menghasilkan NADH. NADH mengalami oksidasi

pada tahap pertama transfer elektron di kompleks I mitokondria atau NADH dehidrigenase.

Kompleks inimengandung flavin monomukleotida (FMN) sebagai gugus prostetik yang terikat

kuat dan mengkatalis reaksi FMN menjadi FMNH2. Kompleks ini juga mengandung sejumlah

pusat besi-sulfur yang mentransfer elektron dari flavin tereduksi menuju pembawa respiraori

yang lain (Koenzim Q).

Koenzim Q

Disebut juga ubikuinon. Koenzim Q membawa elektron menuju rantai pernafasan, bukan

hanya dari NADH melainkan juga dari suksinat dan membentuk senyawa intermediet pada

oksidasi asam lemak.

Sitokrom

Heme protein yang memberikan serapan pada spektrum cahaya tampak. Sitokrom adalah

protein kecil yang berasosiasi dengan membran dalam, tetapi mudah terekstrak dalam bentuk

terlarut. Sitokrom a dan a3 adalah bagian dari kompleks IV mitokondria, sebuah kompleks

multiprotein yang disebut juga sitokrom oksidase. Kompleks ini menkatalis tahap menentukan

pada transfer elektron yaitu mereduksi oksigen menjadi air.

Fosforilasi Oksidatif

Mekanisme fosforilasi oksidatif adalah proses penyediaan energi untuk mensintesis ATP.

Reaksinya lebih kompleks dibandingkan fosforilasi tingkat substrat pada glikolisisi dan siklus

asam sitrat. Mekanisme fosforilasi oksidatif berlangsung dengan metode kupling

kemiosmotik. Energi dari transfer elektron menjalankan sistem transpor yang memompa

proton keluar matriks mitokondria ke dalam rongga antar membran. Proses ini menghasilkan

gradien elektrokimia menbran dibandingkan yang di dalam. Proton yang berada di luar

membran mempunyai kekuatan secara termodinamika untuk masuk ke dalam lagi. Ketika

proton kembali masuk kedalam membran, sejumlah energi diperoleh untuk mensintesis ATP.

Reaksi yang terjadi melibatkan dehidrogenasi NADH, FMNH2, FADH2, dan koenzim Q

tereduksi. Pemompaan proton oleh protein-protein membran menghasilkan konversi energi

osmotik dalam bentuk gradien elektrokimia atau gradien konsentrasi kimia yang menstabilkan

potensial listrik. Energi yang dilepaskan dari gradien bermuatan ini dapat dikupling dengan

fosforilasi ADP menjadi ATP tanpa pembentukan senyawa intermediet. Proses ini melibatkan

kompleks V.