Metabolisme Karbohidrat

1. Overview

2. Karbohidrat

a. Glikolisis

b. Glukoneogenesis

c. Glikogenolisis

d. Glikogenesis

e. Siklus TCA

f. Fosforilasi Oksidatif

1. Overview: Hubungan Katabolisme dan Anabolisme

- Proses pengangkutan energi kimia di dalam sel berlangsung dengan proses pengangkutan

elektron dengan perantaraan enzim, dari reaksi penghasil energi (katabolisme) dan reaksi

pemakai energi (anabolisme) melalui suatau koenzim pembawa elektron.

- Katabolisme merupakan proses yang berhubungan dengan mendegradasi molekul

kompleks, sedangkan anabolisme merupakan proses mensintesis molekul organik kompleks

tersebut.

- Katabolisme dan anabolisme terjadi melalui tiga tahapan, yaitu:

a. Tahap 1, terjadi interkonversi polimer dan kompleks lipid menjadi monomer-

monomernya

b. Tahap 2, terjadi interkonversi monomer gula, asam amino, dan lipid menjadi

senyawa organik yang sederhana

c. Tahap 3, terjadi degradasi atau sintesis senyawa anorganik, seperti CO2, H2O dan

NH3

- Proses biosintetik ini menggunakan dan menghasilkan energi sehingga proses ini dapat

terus berlangsung, dan sumber energi ini didapatkan dari glukosa.

Hubungan Metabolisme Karbohidrat, Lipid, Protein dan Asam Nukleat

- Glikolisis, yaitu degradasi karbohidrat menjadi glikogen yang berlangsung dalam

keadaan aerob dan anaerob pada sel makhluk hidup

- Polisakarida didegradasi menjadi monosakarida dan menghasilkan glukosa. Dimana

glukosa ini digunakan sebagai sumber energi dalam glikolisis untuk menghasilkan

piruvat, yang digunakan untuk reaksi fermentasi atau metabolisme oksidatif

(respirasi) dengan mengubahnya menjadi asetil-koA yang dilakukan oleh organisme

anaerob

- Lalu asetil-koA dioksidasi di dalam siklus asam sitrat yang dilakukan oleh

organisme aerob, siklus asam sitrat ini merupakan motor yang sangat penting dan

harus selalu ada di dalam sel

- Reaksi oksidatif pada siklus asam sitrat ini mereduksi elektron untuk digunakan

dalam transfort elektron dan fosforilasi oksidatif

- Membran mitokondria menggunakan energi oksidatif untuk mempertahankan

transmembran dan menggunakan energi osmotik untuk mensintesis ATP dari ADP

- Glukoneogenesis, yaitu sintesis glukosa dari prekusor selain karbohidrat dan

biosintesis polisakarida, biosintesis glikogen dalam sel hewan

- Fotosintesis adalah proses yang sangat penting dimana daun hijau menggunakan

energi cahaya untuk menghasilkan enegi (ATP) dan mengurangi tenaga (NADPH),

yang digunakan untuk sintesis karbohidrat

2. Karbohidrat

- Glukosa merupakan sumber energi yang paling utama di dalam tubuh. Glukosa di simpan

dalam bentuk glikogen, pati dan sukrosa yang disimpan sebagai cadangan energi di dalam

tubuh

- Glukosa bila dioksidasi melalui glikolisis maka akan menghasilkan piruvat, sedangkan

bila dioksidasi oleh pentosa fosfat maka akan dihasilkan ribosa 5-fosfat

Metabolisme Karbohidrat

- Glikolisis: merupakan proses degradasi karbohidrat menjadi glikogen yang berlangsung

dalam keadaan aerob dan anaerob pada sel makhluk hidup menjadi glikogen

- Glukoneogenesis: merupakan proses sintesis glukosa dari prekusor selain karbohidrat,

biosintesis polisakarida, dan biosintesis glikogen di dalam sel hewan

- Glikogenolisis: merupakan proses degradasi glikogen untuk menggantikan kadar glukosa

dalam darah yang menurun

- Glikogenesis: merupakan degradasi metabolit selain karbohidrat separti laktat, gliserol

dan asam-asam amino menjadi glukosa

- Jalur anaplerotik: merupakan jalur yang digunakan apabila persediaan senyawa

intermediat tidak ada di dalam siklus krebs

Jalur Katabolisme Karbohidrat

- Glukosa didegradasi menghasilkan 2-piruvat, dan glikolisis 2-piruvat berlangsung

dalam keadaan aerob dan anaerob

- Secara aerob maka akan dihasilkan 2-asetil-koA

- Jika dilakukan secara aerob maka akan dihasilkan 2-laktat, yang digunakan untuk

fermentasi laktat pada saat kontraksi otot; dan akan dihasilkan 2-etanol, yang

digunakan pada fermentasi alkohol

Katabolisme Karbohidrat

- Proses glikolisis membutuhkan dan menghasilkan energi

- Hasil glikolisis antara sel yang aerob dan anaerob berbeda. Dimana untuk menghasilkan

energi dalam jumlah tertentu , lebih banyak glukosa yang harus menjalani glikolisis pada

keadaan anaerob dibandingkan pada keadaan aerob

Glikolisis

Tahap diperlukan Energi dalam Glikolisis

- Fosfolirasi I, glukosa diubah menjadi G6P yang dikatalisa oleh hexokinase dengan

menggunakan ATP dan diubah menjadi ADP, ΔG = - 16,7 kJ/ml.

- Isomerisasi G6P dikatalisa oleh enzim fosfoglikoisomerase menjadi F6P, ΔG = + 1,7

kJ/mol.

-Fosforilasi II, F6P diubah menjadi FBP yang dikatalisa oleh fosfofruktokinase dengan

mengubah ATP menjadi ADP, ΔG = -14,2 kJ/mol

- Pemecahan F-1,6-BP menghasilkan 2 produk, yaitu DHAP dan G3P yang dikatalisa oleh

aldolase dimana ΔG = + 23,8 kJ/mol

- Isomerisasi DHAP menjadi G3P dengan bantuan triosa fosfat isomerase, ΔG = + 7,5

kJ/mol

Tahap dihasilkan Energi dalam Glikolisis

- Oksidasi dan fosforilasi G3P menjadi 1,3-BPG yang dikatalisa oleh G3P

dehidrogenase menggunakan energi sebesar + 6,3 kJ/mol

- Fosforilasi substrat BPG menjadi 3PG yang dikatalisa oleh fosfogliserat kinase, ΔG

= -18,5 kJ/mol

- Isomerisasi 3PG menjadi 2PG yang dikatalisa oleh fosfogliserat mutase, ΔG = + 4,4

kJ/mol

- Dehidrasi 2PG menjadi PEP yang dikatalisa oleh enolase, ΔG = + 7,5 kJ/mol

- Fosforilasi substrat PEP menjadi piruvat yang dikatalisa oleh piruvat kinase, ΔG = -

31,4 kJ/mol

- Secara umum energi yang digunakan pada glikolisis sebesar ΔG = - 49,4 kJ/mol dan

terjadi secara spontan

- Pada proses glikolisis G3P menjadi 1,3-BPG terjadi dalam 3 tahap, yaitu adanya

inhibisi gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase dengan membentuk thiohemiacetal dan

dioksidasi oleh NAD+ menjadi NADH + H+ menjadi thioester. Fosforilasi thioester

oleh fosfat menghasilkan produk 1,3BPG

Pemindahan Gugus Fosfat

- Pada proses glikolisis terjadi pemindahan gugus fosfat, yaitu terjadi pada tahap fosforilasi

3PG menjadi 2PG yang dikatalisa dengan fosfogliserat mutase. Proses ini melibatkan enzim

pengenal fosforilasi, yaitu mengubah 2,3-BPG menjadi 3PG dengan bantuan fosfoenzim.

Pelepasan ATP

- Pada tahap fosforilasi PEP menjadi piruvat terjadi pelepasan ATP. Dimana fosfatt energi-

tinggi pada PEP dipindahkan kepada ADP oleh enzim piruvat kinase untuk menghasilkan

dua molekul ATP per `molekul glukosa yang teroksidasi dalam tahap ini.

Tautomerisasi

- Pada tahap ini terjadi tautomerisasi piruvat dalam bentuk enol menjadi keto, yang

merupakan faktor penting dalam menunjang besarnya perubahan energi bebas dari

hidrolisis suatu senyawa berenergi tinggi . Dan hal ini menunjang kemantapan hasil reaksi

sehingga reaksi hidrolisis bertambah besar berlangsung ke kanan.

Perubahan piruvat menjadi asam laktat

- Perubahan piruvat menjadi asam laktat yang dikatalisa oleh laktat dehidrogenase

membutuhkan energi ΔG = - 25,1 kJ/mol, dan terjadi secara spontan. Oksidasi kembali

NADH lewat laktat memungkinkan berlangsungnya glikolisis dalam keadaan tanpa oksigen

dengan menghasilkan kembali NAD+ dalam jumlah memadai untuk siklus lainnya.

Fermentasi Alkohol

- Piruvat juga dapat diubah menjadi asetaldehid yang dikatalisa oleh piruvat dekarboksilase

dan selanjutnya dapat diubah menjadi etanol dengan bantuan enzim alkohol dehidrogenase.

Pada proses ini juga terjadi oksidasi kembali NADH sehingga dihasilkan NAD+.

- Pada reaksi perubahan piruvat menjadi asetaldehid menggunakan tiamin fosfat sebagai

koenzim. Koenzim ini merupakan turunan dari vitamin B1, yang berperan dalam sejumlah

transfer reaksi yang mengaktifkan aldehid.

Reaksi yang memerlukan TPP

Ada beberapa reaksi glikolisis yang memerlukan TPP, antara lain:

1. Fermentasi alkohol yang menggunakan enzim piruvat dekarboksilase.

2. Sintesis asetil-koA dan siklus asam sitrat yang dikatalisa enzim piruvat

dehidrogenase dan α-ketoglutarat dehidrogenase

3. Penambahan atom karbon pada reaksi fotosintesis menggunakan enzim

transketolase

4. Biosintesis valin dan leusin dengan menggunakan enzim asetolaktat sintetase

Beberapa Enzim Kunci pada Glikolisis

1. Hexokinase, yaitu mengendalikan regulasi substrat-level oleh G6P. Enzim ini

terdapat dalam semua sel ekstrahepatik, yang memiliki aktivitas yang tinggi

terhadap sbstratnya, yaitu glukosa. Enzim ini menjamin pasokan glukosa bagi

jaringan, sekali pun dengan konsentrasi glukosa darah yang rendah, melalui

fosforilasi semua glukosa yang masuk ke dalam sel dan dengan demikian, akan

mempertahankan gradien konsentrasi glukosa yang besar antara darah dan

lingkungan intra sel.

2. Fosfofruktokinase, yaitu pengendalian allosterik oleh F2,6BP, AMP, ADP, ATP,

sitrat). Enzim ini dihambat oleh sitrat serta ATP dan diaktifkan oleh AMP. AMP

bertindak sebagai indikator yang menunjukkan status energi sel. Enzim ini berada di

bawah kendali allosterik senyawa F6P, yang kalau konsentrasinya naik sebagai

akibat berlimpahnya glukosa, yaitu dalam keadaan makan kenyang, akan

meramgsang kinase dan menghambat fosfatase. Sebaliknya, dalam kekurangan

glukosa, hormon glukagon akan merangsang produksi cAMP dengan mengaktifkan

protein kinase yang bergantung cAMP, dan enzim ini selanjutnya menghilangkan

aktivitas fosfofruktokinase serta mengaktifkan enzim fruktosa-2,6-bisfosfatase

melalui reaksi fosforilasi.

3. Piruvat kinase, yaitu enzim pengendalian allosterik oleh ATP, asetil koA, D-

fruktose-1,6-bifosfat, dan modifikasi kovalen, yang disebut fosforilasi.

Daur Asam Trikarboksilat

- Piruvat hasil glikolisis, dalam keadaan aerob akan diubah menjadi asetil-koA

- Selanjutnya asetil-koA ini kemudian akan masuk ke dalam daur asam trikarboksilat,

tempat dihasilkannya NADH, FADH2, dan GTP, yang diawali dengan bereaksinya

oksloasetat membentuk sitrat.

- Fungsi utama siklus asam sitrat adalah bekerja sebagai lintasan-akhir bersama untuk

oksidasi karbohidrat, lipid dan protein. Hal ini terjadi karena glukosa, asam lemak dan

banyak asam amino dimetabolisasi menjadi asetil-koA atau senyawa-senyawa antara yang

ada dalam siklus tersebut.

- Siklus asam sitrat juga mempunyai peranan penting dalam proses glukoneogenesis,

transaminasi, deaminasi, dan lipogenesis.

- Siklus asam sitrat merupakan bagian integral dari proses yang menyediakan sejumlah

besar energi bebas yang dilepaskan selama oksidasi karbohidrat, serta lipid, dan melalui

proses ini asam-asam amino akan tersedia.

- Selama peristiwa oksidasi, asetil-koA dalam siklus tersebut akan terbentuk sejumlah unsur

ekuivalen pereduksi dalam bentuk hidrogen/elektron sebagai hasil kegiatan enzim

dehidrogenase yang spesifik.

- Pada siklus asam sitrat, proses kondensasi pendahuluan asetil-koA dengan oksaloasetat

untuk membentuk sitrat dikatalisis oleh enzim sitrat sintase yang menyebabkan sintesis

ikatan antara karbon metil pada asetik-koA dan atom karbon karbonil pada oksaloasetat.

- Siklus asam sitrat menyediakan substrat bagi rantai respirasi

- Reaksi dalam siklus asam sitrat melepaskan unsur ekuivalen pereduksi dan CO2.

- Sitrat dikonversikan menjadi isositrat oleh enzim akonitase (akonitat hidratase) yang

mengandung besi dalam bentuk Fe2+ sebagai protein besi-sulfur (Fe:S). Konversi ini

berlangsung dalam dua tahap, yaitu : dehidrasi menjadi cis-akonitat yang sebagian

diantaranya tetapa terikat pada enzim, dan rehidrasi menjadi isositrat. Reaksi ini dihambat

oleh fluoroasetat yang dalam bentuk fluoroasetat-koA mengadakan kondensasi dengan

oksaloasetat untuk membentuk fluorositrat. Senyawa terakhir ini menghambat akonitase

sehingga menyebabkan penumpukan sitrat.

- Isositrat mengalami dehidrogenasi dengan adanya enzim isositrat dehidrogenase untuk

membentuk oksalosuksinat. Kemudian terjadi dekarboksilasi menjadi α-ketoglutarat yang

juga di katalisis oleh enzim isositrat dehidrogenase. Selanjutnya α-ketoglutarat menjalani

dekarboksilasi oksidatif dengan cara yang analog dengan dekarboksilasi oksidatif piruvat

dimana kedua substratnya berupa asam α-keto. Reaksi ini dikatalisis oleh kompleks α-

ketoglutarat dehidrogenase, juga membutuhkan kofaktor yang identik dengan kompleks

piruvat dehidrogenase dan menghasilkan pembentukan suksinil-koA, yaitu senyawa tioester

ikatan energi-tinggi. Suksinil-koA diubah menjadi suksinat oleh enzim suksinat tiokinase

(suksinil-koA sintetase).

- Reaksi dehidrogenasi yang pertama dikatalisis oleh suksinat dehidrogenase, yang terikat

pada permukaan sebelah dalam membran internal mitokondria sehingga berbeda dengan

enzim-enzim lain pada siklus tersebut yang ditemukan dalam matriks.

- Fumarase mengkatalisis penambahan air kepada fumarat untuk memberikan malat. Enzim

ini juga mengkatalisis penambahan unsur-unsur air kepada ikatan rangkap fumarat dalam

bentuk trans. Malat dikonversikan menjadi oksalo-asetat oleh malat dehidrogenase, suatu

reaksi yang memerlukan NAD+. Dan kemudian malat ini membentuk asam asetat.

- Ada 12 molekul ATP yang terbentuk pada setiap putaran siklus asam sitrat

- Vitamin mempunyai peranan yang penting dalam siklus asam sitrat

- Siklus asam sitrat memainkan peranan sentral dalam metabolisme.

Energi Bebas Hasil Reaksi TCA

- Secara umum energi bebas dari siklus asam sitrat berlangsung secara spontan dan

menghasilkan energi sebesar ΔG = - 57,3 kJ/mol

Siklus Glioksilat

- Tumbuhan mensintesis glukosa dengan menggunakan siklus glioksilat, yang merupakan

hasil anabolik dari siklus asam sitrat.

- Asetil-koA diperoleh dari oksidasi asam lemak. Yang dibentuk dari asetat dengan bantuan

enzim asetat tiokinase. Lalu asetil-koA dikondensasikan dengan oksaloasetat untuk

membentuk sitrat, lalu sitrat direaksikan dengan akonitase membentuk isositrat. Reaksi

selanjutnya dikatalisis oleh isositrat liase, menghasilkan suksinat dan glioksilat. Kemudian

glioksilat menerima asetat yang berasal dari asetil-koA, menghasilkan malat yang dikatalisa

oleh enzim malat sintetase. Lalu malat didehidrogenase menghasilkan oksaloasetat, yang

melibatkan enzim malat dehidrogenase, yang berada dalam glioksisom dan terlibat dalam

siklus asam sitrat.

Sistem Transport Elektron dan Fosforilasi Oksidatif

- Pada hakekatnya semua energi yang dilepas dari oksidasi karbohidrat, lemak dan protein

akan tersedia dalam mitokondria sebagai unsur ekuivalen pereduksi (H atau elektron).

Unsur ini akan disalurkan ke dalam rantai respirasi yang dari sini kemudian akan dialirkan

di bawah gradient redoks kariert ke reaksi terakhir unsur tersebut dengan oksigen untuk

membuat air

- Karier (pembawa) redoks dikelompokkan ke dalam kompleks rantai respirasi di dalam

membran internal mitokondria. Kelompok karier ini akan menggunakan energi yang

dilepas dalam gradient redoks untuk mempompa proton ke sebelah luar membran

mitokondria dengan menciptakan potensial elektrokimia melewati membran tersebut

- Unsur yang merentangkan membran mitokondria adalah kompleks ATP sintetase yang

menggunakan potensial energi gradien proton untuk mensintesis ATP dari ADP dan Pi.

Dengan cara ini, oksidasi akan terangkai erat dengan fosforilasi untuk memenuhi kebutuhan

energi pada sel

- Karena membran internal mitokondria tidak permeabel bagi proton dan ion lainnya, unsur

pengangkut pertukaran yang khusus akan merentangkan membran tersebut sehingga

pelintasan ion seperti OH, Pi, ATP4-, ADP3-, dan metabolit dimungkinkan tanpa gradien

elektrokimia melintasi membran.

- Banyak racun yang sudah dikenal baik seperti sianida akan menghentikan pernafasan

dengan menghambat rantai respirasi

- Rasio p/o merupakan jumlah molekul ATP yang dihasilkan berdasarkan jumlah elektron

karier yang melalui transport elektron