BAB 13

SURVAI METABOLISME

Dalam tubuh makhluk hidup, baik yang bersel tunggal maupun kompleks,

terjadi berbagai macam reaksi kimia yang dikatalis oleh enzim. Reaksi yang terjadi

itu disebut dengan metabolism. Metabolisme adalah aktivitas sel yang amat

koordinasi, mempunyai tujuan, dan mencakup berbagai kerjasama banyak sistem

multienzim. Metabolisme memiliki empat fungsi spesifik, yaitu:

1. Untuk memperoleh energi kimia dari degradasi sari makanan yang kaya

energi dari lingkungan atau dari energi solar,

2. Untuk mengubah molekul nutrien menjadi prekursor (bahan dasar) unit

pembangun bagi makromolekul sel,

3. Untuk menggabungkan unit-unit pembangun menjadi protein, asam nukleat,

lipid, polisakarida, dan komponen sel lain, dan

4. Untuk membentuk dan mendegradasi biomolekul yang diperlukan di dalam

fungsi khusus sel.

Organisasi Hidup Berpartisipasi di Dalam Daur Karbon dan Oksigen

Menurut energi kimia karbon yang diperlukan dari lingkungannya, organisme

hidup dapat dibagi menjadi dua golongan, yaitu:

a. Sel Autotrof.

Sel autotrof (memberi makan sendiri) adalah organisme yang dapat

menggunakan karbon dioksida dari atmosfer untuk membangun semua

biomolekul yang mengandung karbon. Contohnya adalah bakteri fotosintetik

dan sel hijau daun tumbuhan. Beberapa organisme autotrof, seperti

sianobakteri, dapat juga menggunakan nitrogen dari atmosfer untuk

menghasilkan komponen nitrogennya.

1

b. Sel Heterotrof.

Sel heterotrof (memperoleh makanan dari yang lain) adalah organisme

yang tidak dapat menggunakan karbon dioksida dari lingkungannya dalam

bentuk molekul organik yang relaitif kompleks, seperti glukosa. Hewan

tingkat tinggi dan hampir semua mikroorganisme adalah organism heterotrof.

Banyak organisme autotrof bersifat fotosintetik, dan memperoleh energinya

dari sinar matahari, sedangkan organisme heterotrof memperoleh energi dari

degradasi nutrien organik yang dibuat oleh organisme autotrof. Organisme autotrof

dan heterotrof hidup bersama-sama dalam daur yang luas dan saling tergantung, di

mana organisme autotrof menggunakan CO2 atmosfer untuk membangun biomolekul

organiknya dan beberapa diantaranya menghasilkan oksigen. Organisme heterotrof

akan menggunakan produk organik dari autotrof sebagai sari makanan dan

mengembalikan CO2 ke atmosfer. Jadi, karbon dan oksigen secara berkesinambungan

saling bertukar di antara dunia hewan dan tanaman, di mana proses tersebut

berlangsung dengan bantuan energi solar (energi matahari). Berikut daur karbon

dioksida dan oksigen.

2

O2

Produk

Organik

Fotosintetik Heterotrof

Autotrof

CO2

H2O

Sinar Matahar

i

Organisme autotrof dan heterotrof dibagi menjadi beberapa subkelas.

Misalnya organisme heterotrof terbagi menjadi dua kelas utama, yaitu golongan

aerob dan anaerob. Golongan aerob adalah golongan yang menggunakan molekul

oksigen untuk mengoksidasi molekul nutrien organiknya. Golongan anaerob adalah

golongan menguraikan nutrien yang masuk tanpa menggunakan oksigen, misalnya

mikroorganisme yang hidup dalam tanah, dalam atau dasar lautan. Banyak sel, seperti

ragi, dapat hidup secara aerob dan anaerob, organisme seperti itu disebut fakultatif.

Tidak semua sel pada suatu organisme tertentu termasuk di dalam kelas yang

sama. Sebagai contoh, pada tumbuhan tingkat tinggi, sel yang mengandung klorofil

hijau pada daun merupakan sel fotosintetik autotrof, tetapi sel-sel akar yang tidak

mengandung klorofil bersifat heterotrof. Sel daun yang hijau bersifat autotrof hanya

pada siang hari. Pada malam hari, sel-sel ini berfungsi sebagai golongan heterotrof

dan memperoleh energinya dengan mengoksidasi karbohidrat yang dibuat pada siang

hari.

Nitrogen Berdaur di Dalam Biosfer

Semua organisme hidup juga membutuhkan nitrogen. Nitrogen merupakan

suatu keharusan bagi biosintesis asam amino dan basa purin serta pirimidin, yang

merupakan unit pembangun protein dan asam nukleat bernitrogen. Pada hampir

semua hewan tingkat tinggi, sedikitnya beberapa nitrogen yang dikonsumsi harus

berada dalam bentuk asam amino. Relatif hanya beberapa organisme yang mampu

menggunakan (memfiksasi) gas Nitrogen yang menyusun sampai 80% atmosfer kita.

Karena kerak bumi mengandung hanya sedikit nitrogen anorganik dalam bentuk

garam-garam terlarut, semua organisme hidup pada akhirnya tergantung pada

nitrogen atmosfer dan organisme yang melakukan fiksasi nitrogen. Nitrogen dapat

difiksasi oleh sianobakteri (ganggang hijau-biru). Sianobakteri tidak hanya dapat

menggunakan nitrogen atmosfer, tapi juga dapat melangsungkan fotosintesis,

sehingga dapat memperoleh semua kebutuhan karbonnya dari karbon dioksida

atmosfer. Hampir semua spesies pelaku fiksasi nitrogen terdapat dalam tanah.

3

Beberapa diantaranya hidup bersimbiosa dalam bintik-bintik akar tumbuhan tertentu,

terutama anggota keluarga leguminosa, dan melangsungkan fiksasi nitrogen secara

simbiosa.

Organisme mikrobial lain (bakteri nitrifikasi) melangsungkan oksidasi amonia

menjadi nitrit dan nitrat, dan yang lain lagi (bakteri denitrifikasi) dapat mengubah

nitrat kembali menjadi amonia. Adapun daur Nitrogen dalam biosfer adalah sebagai

berikut:

Siklus karbon, oksigen, dan nitrogen melibatkan banyak spesies organisme

hidup, sehingga menciptakan keseimbangan yang baik di antara produsen dan

konsumen pada biosfer. Siklus besar ini berkaitan dengan aliran energi yang tinggi,

yang dimulai dengan tertangkapnya energi solar oleh organisme fotosintetik untuk

menghasilkan karbohidrat berenergi tinggi dan nutrien organik lainnya, yang

selanjutnya digunakan sebagai sumber energi oleh organisme heterotrof. Di dalam

metabolisme setiap organisme dan selama berlangsungnya berbagai jenis aktivitas

yang membutuhkan energi, terdapat kehilangan energi bebas (energi yang berguna),

dan terjadi peningkatan energi yang tidak dapat digunakan. Aliran energi melalui

biosfer ini bersifat satu arahdan bukan suatu siklus. Jadi, karbon, oksigen, dan

nitrogen berdaur secara terus-menerus, tetapi energi bebas atau energi yang

bermanfaat, selalu terubah menjadi bentuk yang tidak berguna.

4

Metabolisme sel seluruhnya berkaitan dengan transformasi enzimatik dari

senyawa dan energi, dimulai dari bahan baku mentah, sampai ke biosintesis senyawa

hidup.

Lintas Metabolik Dijalankan oleh Sistem Enzim yang Bertahap

Enzim berfungsi sebagai katalis dalam sebuah reaksi. Pada proses

metabolisme, enzim bekerja secara berurutan, saling berkaitan sehingga produk dari

enzim pertama menjadi substrat bagi enzim kedua, dan seterusnya (tahap katalik

bertahap). Transformasi produk berurutan pada lintas seperti itu dikenal sebagai

metabolik antara atau metabolit. Masing-masing tahap yang berurutan di dalam lintas

ini menyebabkan terjadinya perubahan kimia spesifik, seperti penarikan, pemindahan,

atau penambahan suatu atom, molekul, atau gugus fungsional. Perubahan bertahap itu

menyebabkan biomolekul substrat berubah menjadi produk akhir metabolik. Hampir

semua lintas metabolik bersifat linear, tetapi ada juga yang bersifat sirkular. Lintas

metabolik mempunyai cabang-cabang yang mengarah ke luar atau ke dalam. Istilah

metabolisme antara digunakan untuk menunjukkan tahap spesifik dari senyawa antara

yang terlibat dalam lintas metabolisme sel.

5

Suatu lintas linear.

Prekursor A terubah menjadi produk

E melalui 4 tahap reaksi enzimatik

yang berurutan. Produk tahap yang

satu menjadi substrat bagi tahap

berikutnya.

Suatu lintas sirkulator atau siklik

Oksidasi residu asetil menjadi CO2 dan

H2O berlangsung dengan cara ini, yaitu

pada siklus asam sitrat.

Metabolisme Terdiri dari Lintas Katabolik (Penguraian) dan Lintas Anabolik

(Pembentukan)

Terdapat dua fase pada metabolisme antara, yaitu katabolisme dan

anabolisme. Katabolisme adalah fase metabolisme yang bersifat menguraikan, yang

menyebabkan molekul organik nutrien seperti karbohidrat, lipid, dan protein yang

datang dari lingkungan atau dari cadangan makanan sel terurai menjadi produk akhir

yang lebih kecil dan sederhana, seperti asam laktat, CO2, dan amonia. Katabolisme

diikuti oleh pelepasan energi bebas. Pada tahap-tahap tertentu dalam lintas katabolik,

banyak energi bebas yang disimpan dalam bentuk molekul pembawa energi adenosin

trifosfat (ATP). Sejumlah energi juga tersimpan dalam atom hidrogen berenergi

tinggi yang dibawa oleh koenzim nikotinamida adenin dinukleotida fosfat dalam

bentuk tereduksinya, yaitu NADPH.

Pada anabolisme, molekul pemula atau unit pembangun yang lebih kecil

disusun menjadi makromolekul besar yang merupakan komponen sel, seperti protein

dan asam nukleat. Proses ini memerlukan input energi bebas, yang dihasilkan dari

6

A

B

C

D

E

E1

E2

E3

E4

pemecahan ATP menjadi ADP dan fosfat. Biosintesis beberapa komponen sel juga

memerlukan atom hidrogen berenergi tinggi yang disumbangkan oleh NADPH.

Lintas Katabolik Mengarah pada Sedikit Produk Akhir

Penguraian enzimatik dari masing-masing nutrien penghasil energi utama

pada sel berlangsung secara bertahap melalui sejumlah reaksi enzimatik yang

berurutan. Terdapat tiga tahap utama di dalam katabolisme aerobik. Pada tahap I,

makromolekul sel dipecahkan menjadi unit-unit pembangun utamanya. Pada tahap II,

molekul unit pembangun diuraikan menjadi satu jenis senyawa antara 3-karbon

(piruvat), yang lalu diubah menjadi satu jenis unit 2-karbon (produk yang bersifat

umum), yaitu gugus asetil dari asetil-KoA. Pada tahap III, katabolisme mengarah

pada siklus asam sitrat. Dalam tahap III, gugus asetil dari asetil-KoA dioksidasi oleh

siklus asam sitrat menjadi hanya dua produk, yaitu CO2 dan H2O. Amonia adalah

produk katabolisme yang lain.

Adapun tahap-tahap proses katabolisme dapat digambarkan sebagai berikut:

Tahap I

Tahap

II

7

Protein Polisakarida Lipid Biomolekul besar

Asam Amino

Glukosa Gliserol Asam Lemak

Pentosa Heksosa

Molekul unit

pembangun

Piruvat

Asetil-KoAProduk

degradasi umum

Tahap

III

Lintas Biosintetik (Anabolik) Menyebar Menghasilkan Berbagai Produk

Anabolisme juga berlangsung dalam tiga tahap, dimulai dengan molekul kecil

pemula. Contoh, sintesis protein dimulai dari pembentukan asam α-keto. Pada tahap

berikutnya asam α-keto teraminasi oleh donor gugus amino membentuk asam α-

amino. Pada tahap terakhir, asam amino disusun menjadi rantai polipeptida

membentuk berbagai jenis protein. Dengan cara yang sama, gugus asetil dibangun

menjadi asam lemak, dan selanjutnya dirangkaikan membentuk berbagai lipid.

Anabolisme bersifat menyebar, karena proses ini dimulai dengan sedikit

molekul pemula sederhana yang menyusun kebanyakan jenis-jenis makromolekul.

Lintas utama anabolisme mempunyai banyak cabang yang menuju ratusan jenis

komponen sel.

Terdapat Perbedaan-perbedaan Penting di antara Lintas Katabolik dan

Anabolik yang Berhubungan

Lintas katabolik dan lintas anabolik yang berhubungan, tetapi dengan arah

yang berlawanan di antara senyawa pemula tertentu dan produk tertentu biasanya

bersifat tidak identik. Sebagai contoh, serangkaian dari 11 enzim spesifik

8

H2O CO2NH3

Produk akhir katabolisme

yang sederhana & berukuran

kecil

mengkatalisis tahap-tahap yang berurutan pada degradasi glukosa menjadi asam

piruvat di dalam hati. Namun, biosintesis glukosa dalam hati berlangsung dengan

cara yang berbeda, tidak dengan cara kebalikan dari degradasi glukosa. Proses

biosintesis glukosa menggunakan hanya 9 dari 11 tahap enzimatik pada penguraian

glukosa, dan dua tahap lainnya digantikan oleh serangkaian reaksi enzimatik yang

sama sekali berbeda, dan digunakan hanya pada jalur sintesis glukosa.

Adapun alasan penting mengapa mengapa jalur katabolisme dan anabolisme

yang bersangkutan bisa berbeda yaitu,

1. Lintas yang terjadi pada proses degradasi biomolekul mungkin tidak dapat

mencukupi kebutuhan energi bagi biosintesa. Degradasi molekul organik yang

kompleks biasanya merupakan proses “menurun”, terjadi dengan melepaskan

energi. Sedangkan biosintesis adalah proses “menaik”, yang memerlukan

input energi.

2. Jika hanya satu lintas yang digunakan secara dapat balik pada kedua arah

jalur, penurunan kecepatan proses katabolik dengan menghambat satu di

antara enzim yang terlibat juga akan menghambat proses biosintesa yang

bersangkutan. Pengaturan yang terpisah dimungkinkan jika lintas yang

berlawanan benar-benar berbeda. Dalam kasus yang melibatkan tahap

enzimatik yang sama, enzim harus berada pada bagian yang tidak menjadi

bagian lintas yang arahnya berlawanan.

Kadang-kadang jalur katabolik dan anabolik yang arahnya berlawanan

terdapat pada bagian sel yang berlawanan. Contoh, oksidasi asam lemak sampai ke

tahap asetil-KoA di dalam hati dikatalis oleh enzim yang terutama berada dalam

mitokondria, yaitu tempat berlangsungnya reaksi oksidatif. Sedangkan biosintesis

asam lemak dari asetil-KoA yang memerlukan atom hidrogen sebagai tenaga reduksi,

berlangsung dengan bantuan enzim yang berada dalam sitosol, tempat reaksi-reaksi

reduksi terjadi.

9

ATP Membawa Energi dari Reaksi Katabolik ke Reaksi Anabolik

Jika molekul glukosa terurai oleh oksidasi membentuk produk akhir yang

sederhana (CO2 dan H2O), banyak energi bebas yang dilepaskan dan dapat digunakan

pada reaksi lain. Energi bebas adalah bentuk energi yang mampu bekerja pada

kondisi suhu dan tekanan tetap. Jika energi bebas yang dilepaskan saat glukosa

teroksidasi ini ditangkap dan dipertahankan, maka energi ini hanya muncul sebagai

panas. Energi panas berfungsi untuk mempertahankan suhu tubuh pada hewan tingkat

tinggi, namun energi itu tidak dapat digunakan untuk melakukan kerja mekanik pada

kontraksi otot atau kerja kimiawi pada biosintesis. Panas dapat melakukan kerja pada

tekanan tetap hanya jika bentuk ini dapat mengalir dari bagian tubuh yang lebih panas

ke bagian yang lebih dingin. Hal ini tidak mungkin terjadi, karena suhu sel hidup

bersifat isothermal (suhu tubuh sama pada semua bagian). Sebaliknya, sejumlah besar

energi yang dibebaskan dari glukosa dan bahan bakar selular lainnya pada proses

katabolisme disimpan oleh sintesis adenosin trifosfat (ATP) dari adenosin difosfat

(ADP) dan fosfat anorganik yang terjadi bersamaan. ATP, ADP, dan fosfat terdapat

dalam semua sel hidup dan berfungsi secara umum sebagai sistem pemindahan

energi. Energi kimia yang disimpan dalam bentuk ATP itu dapat melangsungkan

empat jenis kegiatan, yaitu:

1. ATP dapat memberikan energi yang diperlukan dalam proses biosintesis. Pada

proses ini gugus fosfat terminal atau gugus ATP dipindahkan secara enzimatik

kepada unit pembangun, sehingga menjadi kaya energi dan siap disintesis menjadi

makromolekul.

2. ATP merupakan sumber energi bagi motilitas dan kontraksi sel.

3. ATP melawan gradient konsentrasi pada transport nutrien melalui membrane.

4. Energi ATP juga digunakan secara tidak terlihat untuk menjamin pemindahan

informasi genetik secara tepat selama biosintesis DNA, RNA, dan protein. Bila

energi ATP digunakan untuk kerja sel, gugus fosfat terminalnya akan dilepaskan

sebagai fosfat anorganik dan ADP, bentuk miskin energi dari sistem pembawa

energi. ADP dapat diisi kembali oleh suatu gugus fosfat, sehingga ATP dihasilkan

10

kembali dalam reaksi degradasi bahan bakar sel yang menghasilkan energi. Jadi,

terdapat suatu siklus energi dalam sel, dan ATP yang terkandung berperan sebagai

mata rantai pembawa energi di antara proses selular penghasil energi dan proses

pemakai energi.

NADPH Membawa Energi dalam Bentuk Tenaga Pereduksi

Cara kedua untuk membawa energi kimia dari reaksi-reaksi katabolisme

menuju reaksi biosintesis yang memerlukan energi adalah dalam bentuk atom

hidrogen atau elektron. Pada reaksi biosintesis, misalnya pembentukan glukosa dari

CO2 pada proses fotosintesis, tenaga pereduksi dalam bentuk atom hidrogen

diperlukan bagi reaksi reduksi ikatan ganda menjadi ikatan tunggal. Atom hidrogen

harus memiliki energi bebas dan dapat diperoleh dari bahan bakar sel oleh kerja

dehidrogenase, yang mengkatalisis pemindahan atom hidrogen dari molekul bahan

bakar kepada koenzim spesifik, terutama dalam bentuk teroksidasi nikotinamida

adenin dinukleotida fosfat (NADP+). Bentuk tereduksi, atau yang membawa hidrogen

dari koenzim ini disingkat sebagai NADPH, yaitu pembawa elektron yang kaya akan

energi dari reaksi katabolik menuju reaksi biosintetik yang memerlukan elektron,

seperti ATP yang merupakan pembawa gugus fosfat yang kaya energi.

Diagram pemindahan tenaga pereduksi dari reaksi katabolik menuju reaksi

biosintesis melalui siklus NADP.

11

NADPHNADP+

KatabolismeBahan bakar

tereduksiProduk

teroksidasi

Produk biosintetik tereduksi

Reaksi biosintetik

reduktif

Prekursor teroksidasi

Metabolisme Sel Merupakan Proses Ekonomis yang Diatur Ketat

Metabolisme sel agaknya beroperasi menurut prinsip-prinsip ekonomi maksimum,

kecepatan reaksi keseluruhan dari katabolisme penghasil energy dikontrol oleh

kebutuhan sel akan energi dalam bentuk ATP dan NADPH,  tidak hanya oleh

ketersediaan atau konsentrasi bahan bakar sel. Jadi,  sel mengkonsumsi nutrient

dalam jumlah cukup (tidak berlebihan) untuk mengatasi kecepatan penggunaan

energy pada setiap waktu. Demikian pula, kecepatan biosintesis molekul unit

pembangun dan makromolekul sel.  Juga disesuaikan untuk tiap-tiap asam amino dari

ke-20 jenis ini, pada kecepatan dan jumlah tepat yang dapat mencukupi penyusunan

dari hanya protein baru yang diperlukan pada saat tersebut, sehingga tidak ada di

antara ke-20 asam amino yang di produksi dalam jumlah berlebih, dan menjadi

tebuang.

Lintas katabolic bersifat amat sensitive dan responsive terhadap perubahan

kebutuhan energi sebagai contoh, jika seekor lalat terbang dengan kecepatan penuh,

kecepatan konsumsi oksigen dan bahan bakarnya meningkat ratusan kali dengan

waktu kurang dari satu detik, karena diperlukan peningkatan konsumsi ATP secara

tiba-tiba, oleh otot lintas yang memberikan energy sebagai ATP mampu bereaksi

terhadap kebutuhan metabolic dengan cepat dan dengan sensitivitas tinggi.

Lintas Metabolik Diatur pada Tiga Tahap

Bentuk regulasi yang pertama dan paling cepat memberikan respon adalah melalui

kerja enzim alosterik, yang mampu mengubah aktivitas katalitiknya sebagai respon

terhadap molekul efektor pemberi rangsangan atau penghambat. Enzim alosterik

biasanya terletak pada, atau didekat permulaan dari suatu urutan multienzim, dan

mengkatalisis tahap yang membatasi kecepatanya, yang biasanya merupakan reaksi

tidak dapat balik, pada lintas katabolic, yang menuju kepada pembentukan ATP dari

ADP produk akhir ATP seringkali berfungsi sebagai penghambat alosterik pada tahap

awal katabolisme. Pada lintas anabolic, produk akhir sintetik seperti asam amino,

seringkali berfungsi sebagai penghambat alosterik pada tahap awal.

12

Kontrol metabolik pada tahap kedua pada organisme tingkat tinggi oleh

pengaturan hormone (gambar 9). Hormon adalah pembawa organ kimiawi yang

disekresi oleh berbagai kelenjar endokrin dan diangkut oleh darah menuju jaringan

atau organ spesifik, tempat hormone melakukan rangsangan atau hambatan beberapa

aktivitas metabolic spesifik. Sebagai contoh hormone adrenalin, yang disekresi oleh

bagian medulla dari kelenjar adrenal, diangkut oleh darah menuju hati. Pengikatan

adrenalin merupakan isyarat yang akan disampaikan kepada bagian dalam sel, yang

akhirnya menyebabkan pengubahan kovalen dari bentuk glikogen fosforilase yang

kurang aktif menjadi lebih aktif. Enzim ini adalah enzim pertama di dalam urutan

reaksi yang bertujuan membentuk glukosa dan produk lainnya dari glikogen.

Tahap ketiga regulasi metabolik dilaksanakan melalui pengontrolan konsentrasi

enzim tertentu didalam sel. Konsentrasi suatu enzim pada waktu tertentu merupakan

akibat dari kesimbangan diantara kecepatan sintesa dan kecepatan degradasinya.

Sebagai contoh, jika seekor hewan diberikan diet berkarbohidrat tinggi dan berprotein

rendah enzim hati yang secara normal menguraikan asam amino menjadi asetil-KoA

terdapat pada konsentrasi yang rendah. Karena terdapat hanya sedikit kebutuhan bagi

enzim ini selama hewan dipertahankan pada diet protein rendah, enzim dengan

sendirinya tidak dibuat dalam jumlah besar. Tetapi, jika hewan diberikan diet yang

kaya akan protein dalam sehari, hatinya akan memperlihatkan peningkatan cukup

tinggi konsentrasi enzim yang dibutuhkan dalam degradasi asam amino yang masuk.

Jadi, sel hati dapat “menghidupkan” atau “mematikan.” Biosintesis enzim-enzim

tertentu, tergantung pada sifat-sifat zat makanan yang masuk. Proses ini disebut

induksi enzim.

Metabolisme Sekunder

Terdapat lintas metabolic yang memiliki densitas aliran yang jauh lebih kecil,

termasuk pembentukan dan penguraian senyawa dalam jumlah hanya milligram per

hari. Lintas ini menyusun metabolisme sekunder sel, termasuk pembentukan produk-

produk khusus yang diperlukan oleh sel hanya dalam jumlah sedikit. Lintas metabolic

13

sekunder ini terlibat didalam biosintesis koenzim dan hormone, contohnya yang

dibuat dan dipergunakan hanya dalam jumlah sangat sedikit. Lintas sekunder

metabolisme di dalam berbagai bentuk kehidupan menghasilkan ratusan biomolekul

yang sangat khusus seperti, nukleotida,pigmen,toksin,antibiotic, dan alkaloid.

Produk-produk ini sangat penting bagi kehidupan organisme yang membuatnya, yang

masing-masing mempunyai tujuan biologis spesifik, senyawa ini dibuat oleh lintas

sekunder khusus yang tidak selalu diketahui detailnya.

Terdapat Tiga Pendekatan Utama terhadap Identifikasi Urutan Metabolik

Cara pertama dan yang paling langsung adalah mempelajari lintas “in vitro”

(bahasa Latin, artinya “ didalam gelas”, yaitu didalam tabung reaksi) dalam ekstrak

jaringan bebas sel yang mampu mengkatalisis proses metabolic yang alan diselidiki

secara keseluruhan. Sebagai contoh, sejak pertengahan tahun 1800, telah diketahui

bahwa ragi mengubah glukosa menjadi etanol dan CO2.. Selanjutnya, ditemukan

bahan pemecah glukosa pada ekstrak tersebut memerlukan tambahan fosfat anorganik

yang menghilang dari ekstrak dengan terkonsumsi glukosa. Lalu, ditemukan bahwa

suatu senyawa turunan heksosa fosdat, terkumpul di dalam medium, yang memiliki

semua sifat-sifat yang diharapkan dari suatu senyawa antara dalam pengubahan

glukosa menjadi etanol dan CO2. Dengan kombinasi pendekatan tersebut, pada

akhirnya dapat diisolasi dan diidentifikasi 11 metabolit yang merupakan senyawa

antara di dalam pengubahan glukosa menjadi etanol pada ragi. Masing-masing dari

ke-11 enzim yang terlibat di dalam urutan reaksi ini telah diisolasi dan dimurnikan.

Muatan Organisme Membantu Identifikasi Tahap-tahap Antara di dalam

Metabolisme

Pendekatan penting lain untuk menerangkan lontas metabolic adalah penyelidikan

mutasi genetik dari organisme yang kandungan salah satu enzimnya tidak dapat

disintesis dalam bentuk aktif. Kerusakan ini, jika tidak fatal, mungkin mengakibatkan

14

penumpukan dan ekskresi substrat oleh enzim yang rusak itu. Marilah kita lihat

bagaimana mutan tersebut dipergunakan. Sel normal atau nonmutan kapang yang

telah dikenal Neurospora crassa, dapat tumbuh pada medium sederhana yang

mengandung glukosa sebagai satu-satunya sumber karbon dan ammonia sebagai satu-

satunya sumber nitrogen. Akan tetapi jika spora Neurosporadisinaari dengan sinar-x,

beberapa sel mutan akan muncul. Sel ini tidak lagi mampu tumbuh pada medium

sederhana, tapi akan tumbuh jika medium tersebut di berikan suplemen metabolic

spesifik. Contohnya mutan Neurospora tertentu akan tumbuh secara normal jika

medium dasar diberikan suplementasi asam amino arginin, yang tidak diperlukan

oleh sel normal (bukan mutan) pada mutan tersebut, salah satu dari jumlahnya kurang

enzim yang diperlukan di dalam sintesis arginin dari amonia terbukti mengalami

kerusakan atau jumlahnya kurang.

Mutan Neurospora yang mengalami kerusakan di dalam kemampuannya membuat

arginin tidak semuanya sama, mutan-mutan ini berbeda dalam tahap spesifik pada

biosintesis arginin yang bersifat defektif ini (gambar 10). Jika mutan I ditumbuhkan

dengan penambahan arginin dalam jumlah sedikit dan terbatas, sel akan tumbuh

sampai semua arginin habis dipergunakan pada sintesis protein sel. Bersamaan

dengan itu precursor D yang terhambat akan terakumulasi pada medium kultur karena

senyawa ini tidak dapat terubah menjadi arginine. Jika kita sedang memindahkan sel

mutan I dari medium kulturnya dengan filtrasi dan menggantikan sel-sel ini dengan

sel mutan “tanpa arginin” yang lain, yang ditunjukan sebagai mutan II yang tidak

dapat membuat senyawa antara D, medium kultur dari mutan I akan menunjang

pertumbuhan mutan II karena medium ini menyediakan pemula D. Akan tetapi,

medium mutan II yang telah tersaing, tidak akan menunjang pertumbuhan sel mutan

I. Pemula yang dihasilkan oleh mutan I karenanya dapat dianalisis pemula A,B,C,dan

D bagi arginin pada akhirmya akan teridentifikasi. Lintas biosintesisberbagai asam

amnio pertama-tama diketahui dengan presedur pemberian makan silangini dengan

mempergunakan mutan auksotropik dari Neurospora crassa atau E.coli.

Pelacak Isotop Memberikan Metode Ampuh Bagi Penyelidikan Metabolisme

15

Dengan menggunakan suatu isotop unsur tertentu. Sebagai contoh, isotop

radioaktif 14C (verat atom normal atau rata-rata karbon adalah 12.01) seringkali

dipergunakan untuk mencirikan atom karbon tertentu pada molekul organic. Molekul

berciri 14C tersebut tidak dapat dibedakan secara kimia dari molekul normal yang

tidak berciri, tetapi dapat dengan mudah dideteksi dan diukur melalui sifat

radioaktivitasnya. Metode pelacakan isotope dapat juga dipergunakan untuk

menentukan kecepatan proses metabolic didalam organisme utuh. Salah satu dari

kemajuan bahwa komponen mikromolekuler sel dan jaringan mengalami perputaran

metabolic secara terus-menerus, yaitu komponen itu berada dalam keadaan tetap-

dinamik didalam sel, ditengah-tengah terjadinya biosintesis yang diatasi oleh

kecepatan degradiasi yang tepat sama. Sebagai contoh pengukuran isotope telah

memperlihatkan bahwa protein hati tikus mempunyai waktu paruh kira-kira 5 sampai

6 hari.

Lintas Metabolik Dipisah-pisahkan di dalam Sel

Ada 2 kelas utama dari sel, prokaryotic dan eukaryotic, yang amat berbeda pada

ukuran, struktur internal,dan susunan genetic serta metaboliknya. Sel prokaryotic,

yang mencakup bakteri dan ganggang hijau-biru, berukuran amat kecil, dan

merupakan sel-sel sederhana dengan hanya system membrane tunggal, yang

mengeliligi sel, sel ini tidak memiliki ruang-ruang yang dipisahkan oleh membrane

internal tetapi terdapat pengelompokan beberapa system enzim sampai tingkat

tertentu didalam bakteri (gambar 11). Sebagai contoh, kebanyakan enzim yang

berpartisipasi di dalam biosintesis protein terletak didalam ribosom, dan beberapa

enzim yang berartisipasi didalam biosintesis fosfoipid terletak didalam membrane

bakteri.

Sel eukaryotik, yang mencakup hewan dan tumbuhan tingkat tinggi, selain jamur,

protozoa, dan ganggang tingkat tinggi, berukuran lebih jauh besar dan lebih kompleks

dibandingkan dengan sel prokaryotik. Selain pembungkus sel, sel eukaryotik

memiliki inti sel yang dikelilingi membran, yang mengandung beberapa atau banyak

16

kromosom. Sel ini mengandung organel internal bermembran. Didalam sel

eukaryotik, enzim yang mengkatalisis lintas metabolic seringkali terletak di dalam

organel spesifik atau kompartemen. Cara mengetahuinya dengan cara jaringan hewan

atau tumbuhan dihomogenasi secara perlahan-lahan didalam medium sukrosa

isotonic, proses ini akan merusak membrane plasma, tetapi membiarkan hampir

semua organel internalnya tetap utuh. Sukrosa dipergunakan karena senyawa ini tidak

dapat melalui membrane dengan mudah, dan karenanya  tidak menyebabkan organel

internal seperti kloroplas dan mitokondria menggelembung. Organela subseluler

seperti inti sel dan mitokondria, dan bagian lain yang diperoleh dengan cara ini dapat

diuji kemampuannya dalam melakukan katalisis suatu ukuran metabolic tertentu, dari

pendekatan ini, telah ditemukan bahwa berbagai lintas metabolic berlangsung pada

berbagai lokasi intraseluler didalam eukaryotik. Contoh seluruh urutan enzim yang

terlibat di dalam pengubahan glukosa menjadi laktat di dalam beberapa sel terletak di

dalam sitosol, yang merupakan bagian terlarut dari sitoplasma sel, sedangkan enzim-

enzim siklus asam sitrat terletak di dalam mitokondria. Seperti juga enzim-enzim

transport electron dan enzim-enzim yang terlibat dalam penyimpanan energy

oksidatif sebagai ATP.

17

Lampiran

18

19

20