1

BABI. SURVEY METABOLISME

SUB POKOK BAHASAN:

• Gambaran seluruh metabolisme sel

• Jalur sentral metabolisme energi

• Perbedaan biosintesis & degradasi

• Oksidasi sebagai suatu sumber energimetabolit

• ATP sebagai sumber energi mahluk hdup

• Mekanisme kontrol metabolisme

• Tujuan mempelajari metabolisme

2

METABOLISME

DEFINISIReaksi kimia yang terjadi pada organisme,organisme tsb memperoleh, mengubah, menggunakan senyawa kimia untukkelangsungan hidup.

FUNGSI SPESIFIK:

1.Memperoleh ENERGI KIMIA dari degradasinutrien/ solar energi

2.Mengkonversi molekul nutrien menjadiPREKURSOR UNIT PEMBANGUNmakromolekul sel

3.Menggabungkan unit-unit pembangun menjadiPROTEIN, ASAM NUKLEAT, LIPID, POLISAKARIDA

4. MEMBENTUK DAN MENDEGRADASI BIOMOLEKUL yang diperlukan dalam fungsikhusus sel

3

PRINSIP UTAMA METABOLISME

1. Katabolisme

2. Anabolisme

JALUR KATABOLIK & ANABOLIK MELALUI 3 TAHAP:

a. Interkonversi polimer ataumakromolekul dg monomer unit penyusun

b. Interkonversi monomer dg senyawaorganik sederhana/metabolit intermediet

c.Degradasi akhir menjadi molekul kecil & sederhana: CO2, H2O, NH3

4

Organisme hidup dikelompokkan berdasarkanbentuk energi kimia karbon yang diperlukandari lingkungan:

1.Autotrof :sumber karbon berasal CO2

Sel hijau daun, sianobakteri

2. HeterotrofSumber karbon berasal molekulorganik/nutrien yang dibuat autotrofSel hewan, mikroorganisme

Organisme autotrof/heterotrof:AerobikAnaerobik

5

overview of metabolism and categorizes the pathways into three "stages" based on the size of metabolites in it.

6

JALUR SENTRAL METABOLISME ENERGI (Gbr 2)

1. GLIKOLISIS

Dua tahap degradasi karbohidrat:a. Pada kondisi aerobik (sel

hewan, tanaman & mikrobialaerobik) produk hidrolisis(piruvat) dioksidasi menjadiasetil KoA & terahkirmembentuk CO2 & H2O (gbr 4)

b. Pada kondisi anaerobik(fermentasi atau glikolisisanaerobik otot) piruvat direduksimembentuk etanol atau laktat.

7

Peta metabolisme. Jalur Pusat Metabolik & beberapaIntermediet

8

2.Siklus asam sitratLintas umum terakhir oksidasiasetil, tempat bertemunya molekulbahan organik sel (karbohidrat, asam lemak, asam amino)

3.Transport elektron & fosforilasioksidatifAliran elektron diangkut molekul

pembawa elektron menuju oksigenmenghasilkan energi untukpembentukan ATP (gbr 4)

4. Oksidasi asam lemak & asamaminoAsetil koA untuk siklus asam sitrattidak hanya berasal dari oksidasipiruvat dalam glikolisis, namun jugaberasal dari degradasi asam lemakmelalui oksidasi-β gbr 5 danoksidasi asam amino gbr 6

9

5.Biosintesa asam lemak & steroidasetilkoA digunakan dalam jaluranabolik sebagai substrat untuksintesis asam lemak dan steroid (gbr 5)

6. GlukoneogenesisJalur anabolik pembentukanglukosa dengan prekursor bukankarbohidrat

7.Fotosintesis

10

Fase awal katabolisme Karbohidrat (GLIKOLISIS)

11

Metabolisme Oksidatif. Oksidasi Piruvatmensuplai acetyl-CoA ke siklus asam sitrat

12

Metabolisme lipid & steroid

13

Figure 6: Metabolism of amino acids

14

15

16

JALUR BERBEDA BIOSINTESA DAN DEGRADASI

• Lintas anabolik & katabolik berhubungan, namun arah berlawanan diantara senyawapemula tertentu & produk tertentu bersifattidak identik

• Diregulasi oleh mekanisme yang berbeda & biasanya terjadi pada kompartemen sel yang terpisah

• Contoh: glikolisis & glukoneogenesissintesis & oksidasi asam lemak

GLIKOLISIS:glukosa + ATP glukosa-6-fosfat

glukokinase

GLUKONEOGENESIS:

Glukosa-6-fosfat + H2O glukosa + Pi(glukosa-6-fosfatase)

17

Reaction GLIKOLISUS & GLUKONEOGENESIS

18

• Jika sintesis & oksidasi senyawa ttt pada

kompartemen sel yang sama & tidak ada

kontrol maka fragmen 2 karbon dari oksidasi

(asetil KoA) digunakan untuk re-sintesis

yang dikenal dengan “Futile Cycle”

• ATP + Glukosa Glukosa-6 P + ADP

• Glukosa- 6P + H2O Glukosa +Pi

• ATP + H2O ADP + Pi

19

Enzim yang terlibat pada reaksi 1. FPK (fosfofruktokinase & pada reaksi 2 olehFBP ase (fruktobifosfatase) dengankontrol alosterik efektor maka siklusfutile dapat dikendalikan

SIKLUS FUTIL fruktosa-6 fosfat & fruktosa 1,6 difosfat terjadi pada hewantertentu seperti insekta dan hewanhibernasi yang menghasilkan hidrolisisATP menghasilkan panas

20

• JALUR ANABOLIK & KATABOLIK.

BERBEDA

1.Jalur degradasi biomolekul mungkin

tidak dapat mencukupi kebutuhan

energi bagi biosintesa (Lehninger p.14)

2. Jika hanya satu lintasan secara dapat

balik pada kedua arah jalur, penurunan

proses katabolik (adanya inhibisi enzim

yang terlibat) akan menghambat proses

biosintesa yang bersangkutan

21

3. Status Bioenergetika sel. Bila ATP

tinggi,,maka oksidasi C dalam s. asam

sitrat rendah. Sel menyimpan C sebagai

lemak & karbohidrat. ( sintesis asam lemak,

Glukoneogenesis dapat berlangsung).

Bila ATP levels rendah, sel memobilisasi

simpanan C untuk menghasilkan substrat

pada siklus asam sitrat, (terjadi degradasi

carbohidrat & fat)

Jalur biosintesis & Degradsi sangat penting

utk dikontrol, kondisi yang mengaktifkan salah

satu jalur cenderung menghambat jalur yg

berlawan dan sebaliknya,

22

Oksidasi sebagai sumber energimetabolik

• Thermodynamically, biological oxidation of organic

substrates is comparable to nonbiological oxidations,

such as the burning of wood. The total free energy

released is the same, whether the source is a biological

substance, such as glucose, or the oxidation of a

compound in a wood fire, calorimeter, or cell.

• Biological oxidations, however, are far more complex

processes than combustion. When wood is burned,

all of the energy is released as heat; that is, useful work

cannot be performed, except through the action of a

device such as a steam engine. In biological

oxidations, by contrast, oxidation reactions occur

without a large increase in temperature and with capture

of some of the free energy as chemical energy.

23

• Metabolic energy capture occurs largely through the

synthesis of ATP, a molecule designed to provide

energy for biological work. The capture of energy is

quite efficient. In the catabolism of glucose, for example,

about 40% of the 2870 kJ/mol of energy released is

used to drive the synthesis of ATP from ADP and Pi.

• Unlike the oxidation of glucose by oxygen (as in a fire),

most biological oxidations do not involve direct transfer

of electrons from a substrate directly to oxygen. Instead,

a series of coupled oxidation-reduction reactions

occurs, with the electrons passed to intermediate

electron carriers such as NAD+ before they are finally

transferred to oxygen.

24

• Because the potential energy stored in the organic

substrate is released in small increments, it is easier to

control oxidation and capture some of the energy as it

is released-small energy transfers waste less energy

than a single large transfer.

• Not all metabolic energy comes from oxidation by

oxygen. Substances other than oxygen can serve as

terminal electron acceptors. For example, some

microogranisms growing anaerobically (in the

absence of oxygen) generate energy by transferring

electrons to inorganic substances, such as sulfate ion or

nitrate ion. Other microorganisms, like the lactic acid

bacteria, reduce organic substances, such as

pyruvate, to form lactate. Most of these organisms

derive their energy from fermentations, which are

energy-yielding catabolic pathways that proceed with no

net change in the oxidation state of the products as

compared with that of the substrates

25

• Because metabolic energy comes primarily from

oxidative reactions, the more highly reduced a

substrate, the higher its potential for generating

biological energy. Thus, combustion of fat provides

more heat energy than combustion of an equivalent

mass of carbohydrate.

• Reducing equivalents can be defined as 1 mole of

hydrogen atoms (one proton and one electron per H

atom). For example, two reducing equivalents are used

in the reduction of one half mole of oxygen to water

• 1/2 O2 + 2e- + 2H+ -> H2O

• Remember that the breakdown of complex organic

compounds yields both energy and reducing

equivalents, but the

26

• The more highly reduced carbons of fatty cid

contain more protons and electrons to

combine with oxygen on the patth to CO2 than

do those of the sugar.

• From the above reactions that the RQ

(respiratory reaction) for glucose is 1,0 and

RQ for palmitate acid is 0,7. Lower the RQ for

substrate, more oxygen consumed per carbon

oxidized and the greater the potential per mole

of substrate for generating energy.

27

Sumber utama elektron untuk reaksi

# Oksidasi substrat: NAD+ & NADH (enzim

dehidrogenase)

# Biosintesis reduktif : NADP+ & NADPH (enzim

reduktase)

28

ATP SEBAGAI SUMBER ENERGI MAHLUK HIDUP

ATP bersifat metastabil & sebagai sumber aliran energi

bebas universal dalam sistem biologis. Energi bebas

hidrolisis ATP berperan untuk melangsungkan reaksi-

reaksi endergonik antara lain : (1). Kerja mekanik dalam

kontraksi otot & pergerakan seluler lain, (2). Transport

aktif ion / molekul melalui membran, (3). Sintesis

makromolekul dari prekursor sederhana

Sumber utama ATP adalah proses fotosintesis & oksidasi

nutrien. Didalam sel ATP dihasilkan dari ADP melalui 3

jenis fosforilasi : fosforilasi tingkat substrat, fosforilasi

oksidatif dan fosforilasi fotosintesis (pada tumbuhan).

ATP adalah molekul kaya energi karena memiliki unit

trifosfat dengan dua ikatan fosfoanhidrida. Hidrolisis ikatan

fosfoanhidrida ATP menghasilkan energi bebas sebesar -

31 kJ/mol (gbr 7).

29

Siklus ATP-ADP sbg DASAR pertukaranenergi dalam sistem biologis

• Motilitas• Transport aktif• biosintesis

ATP ADP

Fotosintesis

Oksidasi nutrient

30

MEKANISME KONTROL METABOLIT

1.KONTROL LEVEL ENZIMTergantung pada kecepatan sintesis & Degdarasi enzim. Sintesis enzim dapatdiinduksi/direpresi oleh metabolit tertentu

2. KONTROL AKTIVITAS ENZIMMelalui 2 cara yaitu

a. interaksi reversibel dg ligan (enzimallostrerik) b. Modifikasi kovalen protein enzim.

Ligan (aktivator/inhibitor) berikatan dg sisiregulator enzim sehingga mempengaruhiinteraksi E-S atau sub-sub unit dalam protein enzim. Enzim allosterik berada pada awaltahapan reaksi multienzim

Mod. kovalen berlangsung dalam regulasi reaksikaskade, contoh metabolisme glikogen (Gbr 12).

31

GBR . INDUKSI ENZIM

INTI SEL

•Messenger RNA

RIBOSOM

A B C DE1

E2 E3

32

REGULASI LINTAS KATABOLIK OLEH INHIBISI

PRODUK AKHIR TERHADAP ENZIM ALLOSTERIK (E1)

Produk ahkir

J

K

L

M

PREKURSOR

E1

E2

E3

E4

E5

33

Tipe modifikasi kovalen yang mengkontrol aktivitas enzim

•

•

34

3. KOMPARTEMENSASIContoh RNA polimerase (pada nukleus & nukleolus), enzim s. asam sitrat terdapat padamitokondria , enzim untuk sintesa asam lemakpada sitoplasma (Gbr 13).

Kompartemensasi berfungsi membuatpembagian kerja dalam sel yang meningkatkanefisiensi fungsi sel. Permeabilitas selektifmembran sel terhadap metabolit yang berbedamengontol masuknya metabolit darikompartemen satu ke kompartemen yang lainya.

4.REGULASI HORMONALSel responsif terhadap perubahan lingkunganatau signal dari sel lain. Proses transmisiinformasi dari luar sel ke bagian dalam seldikenal signal Transduksi. Pembawa pesan ekstraseluler: hormon, neurotransmite & feromon.Signal transduksi terdiri 3 komponen protein (reseptor, transduser, dan efektor)

35

Lokasi jalur metabolik utama dalam sel eukariot

36

.Jalur Signal transduksi melibatkan adenylate cyclase

37

DUA TIPE RESPON METABOLIK:

A.HORMON STEROID

Berkaitan dengan ekspresi gen, contoh esterogen.

Jika hormon masuk kedalam sel target maka akan berinteraksi

dengan reseptor protein intraselular membentuk kompleks

reseptor-hormon dan bermigrasi ke nukelus. Kompleks iniberikatan dengan sisi spesifik genom yang dapat mengaktivasi

atau merepresi transkripsi gen khusus.

B.SINTESIS MESSENGER KEDUA INTRASELULAR

Pengikatan messenger pertama (hormon) dengan reseptormembran plasma menstimulasi sintesis Messenger kedua dalam

sel, yang kemudian mempengaruhi efek regulasi metabolik.

Contoh umum messenger pertama adalah glukagon & insulin,

sedangkan Messenger kedua yaitu adenosin 3’,5’-monofosfat atau cAMP.

Contoh glikogenolisis yang dikontrol glukagon (sel hati) danepinephrin (sel otot)

38

TUJUAN STUDI METABOLISME

•Identifikasi reaktan, produk dan kofaktor plus stoikiometri

•Bagaimana kecepatan reaksi dikontrol dalamjaringan sel

•Identifikasi fungsi fisiologis setiap reaksi & mekanisme kontrol

•BEBERAPA PENDEKATAN MEMPELAJARI REAKSI-REAKSI METABOLIK DALAM SEL

A. INVITRO

Contoh Fermentasi alkohol dengan ekstrakbebas sel yeast. Perubahan Glukosa mjd Etanol&CO2 (diidentifikasi 11 seny. Metabolit antara)

39

b. PENYELIDIKAN MUTASI GENETIK ORGANISME YANG MENGALAMI GANGGUAN SINTESA ENZIM TERTENTU

Contoh sel normal Neurospora crassatumbuh pada medium dg Glukosa & amonia sebagai sumber C & N), namun mutan-Neurospora hanya dapattumbuh pada medium yang disuplementasimetabolik spesifik (arginin) karena lintasbiosintetik arginin mengalami kerusakan (gbr15).

C. PELACAK ISOTOP

Isotop 14C untuk mencirikan karbon tertentupada molekul organik.Contoh feeding pada hewan dengan asetatberlabel pada C dari gugus karboksil(14COOH) sehingga lintas metabolik dapatdilacak seperti CO2 dari pernafasan & asampalmitat dari sel hati

40

Using mutations as biochemical probes