Metabolisme Energi Dari Karbohidrat, Proses Glikolisis, Glikogenolisis, Siklus Krebs, Reaksi, Tahapan, Asam Piruvat - Metabolisme karbohidrat untuk menghasilkan energi dimulai dari masuknya glukosa asal darah ke dalam sel. Disini terjadilah proses glikolisis tahap pertama yang dimulai dengan reaksi antara glukosa dengan ATP (adenosin tri phosphat) dengan adanya enzim glukokinase (yang memerlukan ion Mg2+ sebagai kofaktor) dalam rangka melaksanakan fosforilasi (pemasukan satu gugus fosfat) glukosa menjadi glukosa-6-fosfat, dengan menghasilkan ADP (adenosin di phosphat).
Reaksi tahap kedua merupakan isomerisasi glukosa-6-fosfat diubah menjadi fruktosa-6-fosfat, yang dikatalisis oleh fosfoheksoisomerase. Reaksi tahap ketiga ialah pemasukan gugus fosfat dari ATP, dikatalisis oleh fosfofruktokinase dengan ion Mg2+ sebagai kofaktor dan terbentuklah fruktosa-1,6-difosfat dengan meninggalkan lagi ADP.
Reaksi tahap keempat merupakan pemecahan senyawa karbohidrat beratom enam menjadi dua senyawa beratom tiga. Fruktosa-1,6-difosfat dengan proteksi enzim aldolase, dipecah menjadi dua molekul triosa fosfat yaitu 3, gliseraldehida 3-fosfat dan dihidroksiaseton fosfat. Selanjutnya terjadi reaksi isomerisasi bolakbalik antara kedua senyawa beratom tiga ini dikatalisis oleh triosafosfat isomerase. Dalam keadaan normal dihidroksiaseton fosfat diubah seluruhnya menjadi gliseraldehida 3-fosfat sehingga kemungkinan hilangnya setengah dari energi molekul glukosa sanggup dicegah. Dapat dikatakan disini, pemecahan satu molekul fruktosa 1,6-fosfat menghasilkan dua molekul gliseraldehida 3-fosfat. Tahap-tahap reaksi satu hingga empat memerlukan energi dan gugus fosfat dari penguraian ATP menjadi ADP.
Reaksi tahap kelima merupakan perubahan gliseraldehida 3-fosfat menjadi asam 1,3-difosfogliserat, yang melibatkan reaksi pemasukan satu gugus fosfat dari asam fosfat (buka dari ATP) dan oksidasi molekul aldehida menghasilkan molekul asam karboksilat. Reaksi ini dikatalisis oleh gliseraldehida 3-fosfat dehidrogenase dan dirangkaikan dengan reaksi reduksi pembentukan NADH (bentuk reduksi dari nikotinamid adenin dinukleotida) dari NAD+ (bentuk oksidasinya). Reaksi tahap kelima dalam tahap glikolisis merupakan reaksi pertama yang menghasilkan energi.
Tahap keenam, satu dari dua buah ikatan antara asam fosfat dengan asam gliserat dalam molekul asam 1,3-difosfogliserat ialah suatu ikatan anhidrida yang dalam proses pemecahannya menghasilkan energi untuk pembentukan ATP dari ADP dan Pi. Reaksi ini dikatalisis oleh fosfogliserat kinase (dengan ion magnesium sebagai kofaktor) dengan menghasilkan asam 3-fosfogliserat.
Reaksi tahap ketujuh ialah isomerasi asam gliserat 3-fosfat menjadi asam gliserat 2-fosfat, dikatalisis oleh fosfogliserat mutase dengan ion magnesium atau ion mangan sebagai kofaktor. Reaksi tahap kedelapan ialah enzim enolase melepaskan satu molekul H2O dari asam gliserat 2-fosfat menghasilkan asam fosfoenolpiruvat dengan ion magnesium atau ion mangan sebagai kofaktor.
Reaksi tahap kesembilan atau terakhir dari glikolisis ialah pembentukan asam piruvat dari asam fosfoenolpiruvat melalui senyawa antara asam enolpiruvat. Dalam reaksi yang dikatalisis oleh piruvat kinase (ion magnesium atau sebagaikofaktor) gugus fosfat yang dilepaskan oleh fosfoenolpiruvat digunakan untuk mensintesis ATP dari ADP. Perubahan enolpiruvat ke asam piruvat terjadi secara spontan.
Tahapan glikolisis secara menyeluruh dibagi menjadi dua bagian. Bagian pertama mencakup tahap reaksi enzim yang memerlukan ATP, yaitu tahap reaksi dari glukosa hingga dengan pembentukan fruktosa 6-fosfat, yang memakai dua molekul ATP untuk tiap satu molekul glukosa yang dioksidasi. Bagian kedua mencakup tahap reaksi yang menghasilkan energi (ATP dan NADH), yaitu dari gliseraldehida 3-fosfat hingga dengan piruvat. Dari pecahan kedua ini dihasilkan dua molekul NADH dan empat molekul ATP untuk tiap molekul glukosa yang dioksidasi (atau untuk dua molekul gliseraldehida 3-fosfat yang dioksidasi). Karena satu molekul NADH yang masuk rantai pengangkutan elektron sanggup menghasilkan tiga molekul ATP, maka tahap reaksi pecahan kedua ini menghasilkan 10 molekul ATP. Dengan demikian keseluruhan proses glikolisis menghasilkan 10 - 2 = 8 molekul ATP untuk tiap molekul glukosa yang dioksidasi.
Selanjutnya asam piruvat diubah melalui salah satu jalur berikut ini.
- Dapat masuk ke mitokondria kemudian ikut dalam siklus asam trikarboksilat (siklus asam sitrat, siklus Krebs) untuk melaksanakan oksidasi dan fosforilasi ADP menjadi ATP dalam sistem sitokrom (ini ialah jalur yang paling sering terjadi pada asam piruvat).
- Dapat direduksi membentuk asam laktat dan bersifat reversibel.
- Dapat diubah kembali menjadi karbohidrat melalui glikoneogenesis (kebalikan dari glikolisis).
- Dapat direduksi kembali menjadi asam malat kemudian masuk dalam siklus Krebs.
- Dapat dioksidasi menjadi asam oksaloasetat dalam siklus Krebs.
- Dapat diubah menjadi asam amino alanin melalui transaminasi.
Hal ini semua ialah jalur yang mungkin dijalani oleh asam piruvat, dan ini tergantung pada metabolisme sel waktu itu. Selama proses glikolisis, setiap molekul glukosa membentuk dua molekul asam piruvat yang kesemuanya terjadi di sito plasma sel.
Reaksi oksidasi piruvat hasil glikolisis menjadi atetil koenzim A merupakan tahap reaksi penghubung yang penting antara glikolisis dengan jalur metabolisme lingkar asam trikarboksilat (siklus Krebs). Reaksi yang dikatalisis oleh kompleks piruvat dehidrogenase dalam matriks mitokondria melibatkan tiga macam enzim (piruvat dehidrogenase, dihidrolipoil transasetilase dan dihidrolipoil dehidrogenase), lima macam koenzim tiaminpirofosfat, asam lipoat, koenzim A, flavin adenin dinukleotida dan nikotinamid adenin dinukleotida), dan berlangsung dalam lima tahap reaksi.
Piruvat + NAD+ + koenzim A asetilkoenzim A + NADH + CO2
Tahap reaksi pertama dikatalisis oleh piruvat dehidrogenase yang memakai tiamin pirofosfat sebagai koenzimnya. Dekarboksilasi piruvat menghasilkan senyawa α-hidroksietil yang terikat pada gugus cincin tiazol dari tiamin pirofosfat. Pada tahap reaksi kedua, α-hidroksietil didehidrogenase menjadi asetil yang kemudian dipindahkan dari tiamin pirofosfat ke atom S dari koenzim yang berikutnya, yaitu asam lipoat, yang terikat pada enzim dihidrolipoil transasetilase. Dalam hal ini gugus disulfida dari asam lipoat diubah menjadi bentuk reduksinya, yaitu gugus sulfhidril. Pada tahap reaksi ketiga, gugus asetil dipindahkan dengan perantaraan enzim dari gugus lipoil pada asam dihidrolipoat, ke gugus tiol (sulfhidril pada koenzim A).
Kemudian asetilkoenzim A dibebaskan dari sistem enzim kompleks piruvat dehidrogenase. Pada tahap reaksi keempat, gugus ditiol pada gugus lipoil yang terikat pada dihidrolipoil transasetilase dioksidasi kembali menjadi bentuk disulfidanya dengan enzim dihidrolipoil dehidrogenase yang berikatan dengan FAD (flavin adenin dinukleotida). Pada tahap kelima atau terakhir, FADH2 (bentuk reduksi dari FAD) yang tetap terikat pada enzim, dioksidasi kembali oleh NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotida) menjadi FAD, sedangkan NAD+ bermetamorfosis NADH (bentuk reduksi dari NAD+).
Siklus Krebs terjadi di dalam mitokondria dan membutuhkan oksigen semoga sanggup berlangsung. Asam piruvat yang berasal dari glikolisis, begitu masuk ke dalam mitokondria diubah menjadi asetil koenzim A. Kemudian bersamaan dengan berlangsungnya proses oksidasi dalam siklus Krebs, pasangan-pasangan atom hidrogen (2H) dilepaskan bersama dengan CO2. Atom-atom hidrogen tersebut menyajikan ion H+ atau proton dan elektron yang kemudian masuk ke dalam sistem transport elektron mitokondria. Ion hidrogen dan elektron di pungut oleh molekul NAD+ (nikotinamid adenin dinukleotid), mereduksi NAD+ menjadi NADH. NADH merupakan penghubung siklus Krebs dan enzim dalam membran dalam mitokondria yang akan mengangkut elektron melalui sistem sitokrom dari rantai respirasi.
NADH mentransfer proton dan elektron dan terbentuklah FMN (flavin mononukleotid). Kemudian berdasarkan teori kemiosmotik, MFN mengambil proton dari pecahan dalam membran, hingga tereduksi menjadi FMNH2. Kemudian dua atom H-nya dilepaskan dan ditransfer ke membran mitokondria eksterior dan dilepas berupa proton (H+). Pada ketika yang sama, dua elektron itu menggabung ke molekul ubikuinon atau koenzim Q, yang kemudian mengambil atomatom H. Kemudian dilepaskanlah satu elektron ke sitokrom C1 dan lainnya ke sitokrom b dari membran mitokondria. Elektron-elektron kemudia ditransfer ke sitokrom a dan a3, dari sinilah elektron bergabung dengan atom oksigen dan dua proton untuk membentuk molekul air.
Dalam urutan oksidasi reduksi yang terjadi di dalam membran serta melintas membran mitokondria, tiap dua proton yang melintas membran dan masuk, akan menjadikan fosfat anorganik menempel pada ADP sebab adanya perbedaan potensial listrik, kemudian terbentuklah ATP. Kecepatan reaksi ini akan meningkat oleh adanya sistem enzim.
Secara lebih terperinci, tahap-tahap reaksi pada siklus Krebs sanggup diuraikan pada pecahan berikut ini. Pada tahap pertama, enzim sitrat sintase mengkatalisis reaksi kondensasi antara asetil koenzim A dengan oksaloasetat menghasilkan sitrat. Reaksi ini merupakan suatu reaksi kondensasi aldol antara gugus metil dari asetil koenzim A dan gugus karbonil dari oksaloasetat dimana terjadi hidrolisis ikatan tioester dan pembentukan senyawa koenzim A bebas.
Tahap reaksi kedua merupakan pembentukan isositrat dari sitrat melalui cis-akonitat yang dikatalisis secara reversibel oleh enzim akonitase. Enzim ini mengkatalisis reaksi reversibel penambahan H2O pada ikatan rangkap cis-akotinat dalam dua arah, yang satu ke pembentukan sitrat dan yang lain ke pembentukan isositrat.
Reaksi tahap ketiga ialah oksidasi isositrat menjadi α-ketoglutarat yang berlangsung melalui pembentukan senyawa antara oksalosuksinat yang yang berikatan dengan enzim isositrat dehidrogenase dengan NAD berperan sebagai koenzimnya.
Tahap reaksi keempat ialah oksidasi α-ketoglutarat menjadi suksinat melalui pembentukan suksinil koenzim A. Pembentukan suksinil koenzim A dari α-ketoglutarat ialah reaksi yang irreversibel dan dikatalisis oleh enzim kompleks α-ketoglutarat dehidrogenase. Reaksi ini berlangsung dengan melibatkan koenzim pirofosfat, asam lipoat, koenzim A, FAD dan NAD+.
Suksinil koenzim A ialah suatu senyawa tioester berenergi tinggi. Selanjutnya suksinil koenzim A melepaskan koenzim A-nya dengan dirangkaikan dengan reaksi pembentukan energi, GTP (guanosin trifosfat) dari GDP (guanosin difosfat) dan fosfat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim suksinil koenzim A sintetase yang khas untuk GDP. Selanjutnya GTP yang terbentuk dari reaksi ini digunakan untuk sintesis ATP dari ADP dengan enzim nukleotide difosfat kinase.
Pada reaksi tahap kelima, suksinat dioksidasi menjadi fumarat oleh enzim suksinat dehidrogenase yang berikatan dengan FAD sebagai koenzimnya. Enzim ini terikat berpengaruh pada membran dalam mitokondria. Dalam reaksi ini FAD berperan sebagai gugus peserta hidrogen.
Reaksi tahap keenam merupakan reaksi reversibel penambahan satu molekul H2O ke ikatan rangkap fumarat yang menghasilkan L-malat dengan dikatalisis oleh enzim fumarase tanpa koenzim. Enzim ini bersifat stereospesifik, bertindak hanya terhadap bentuk L-stereoisomer dari malat. Dalam reaksi ini fumarase mengkatalisis proses penambahan trans atom H dan gugus OH ke ikatan rangkap fumarat.
Reaksi tahap ketujuh atau terakhir ialah L-malat dioksidasi menjadi oksaloasetat oleh enzim L-malat dehidrogenase yang berikatan dengan NAD. Reaksi ini ialah endergonik tetapi laju reaksinya berjalan lancar ke kanan. Hal ini dimungkinkan sebab reaksi berikutnya, yaitu reaksi kondensasi oksaloasetat dengan asetil koenzim A ialah reaksi eksergonik yang irreversibel. Malat dehidrogenase ialah enzim yang bersifat stereospesifik untuk bentuk L-stereoisomer dari malat.
Hasil neto dari siklus Krebs serta sistem transport sitokrom ialah untuk menghasilkan tiga ATP lebih banyak dari ADP untuk tiap pasang atom H yang dilepaskan selama siklus tersebut, dan hal ini terjadi melalui fosforilasi oksidatif. Di sini juga dihasilkan tiga molekul CO2 dan tiga molekul H2O.
Karena ada dua molekul piruvat yang terbentuk dari tiap molekul glukosa, siklus Krebs bekerja dua kali untuk tiap molekul glukosa yang dipecahkan. Oleh sebab itu, intinya akan diperoeleh empat pasang atom hidrogen untuk tiap siklus. Dua siklus akan menghasilkan 8 x 3 = 24 ATP, dan dua ATP neto dari glikolisis, ditambah empat ATP lagi dari pembentuk FAD yang tereduksi selama siklus Krebs. Di samping itu juga dua lagi ATP dari fosforilasi oksidatif pada tingkat substrat, yang kesemuanya menjadi 32 ATP, enam lagi masih mungkin dari generasi glikolitik dari NADH2.
Makara sanggup dinyatakan 38 molekul ATP dihasilkan dari degradasi satu molekul glukosa. ATP yang terbentuk itu merupakan sumber energi yang siap untuk tiap acara biologi termasuk kontraksi otot, sekresi kelenjar, konduksi saraf, penyerapan aktif dan transport membran.
Piruvat, dengan adanya NADH, H+ dan enzim laktik dehidrogenase, membentuk laktat dan NAD. Dengan pengubahan yang bersifat enzimatis, laktat kemudian dikonversikan kembali menjadi piruvat yang kemudian masuk siklus Krebs untuk oksidasi lengkap menyerupai yang telah dikemukakan sebelumnya. Hasil alhasil selalu CO2, H2O dan energi yang siap digunakan dalam bentuk ATP.
Sebagian dari glukosa yang masuk ke dalam sel tidak mengalami katabolisme menjadi piruvat oleh glikolisis, tetapi membentuk glikogen secara anabolis melalui proses yang disebut glikoneogenesis, sehingga glukosa untuk sementara sanggup disimpan dalam hati. Proses ini kemudian diikuti oleh proses kebalikannya, yaitu glikogenolisis yang merupakan pemecahan cadangan glikogen menjadi glukosa-6- fosfat pada beberapa sel, atau eksklusif menjadi glukosa menyerupai yang terjadi di hati.
Glukosa tidaklah harus selalu masuk ke sel dari kapiler darah. Beberapa sel terutama sel hati, sanggup menghasilkan glukosa dari substrat dan bukan dari karbohidrat. Hal ini ialah pembentukan glukosa dari sel-sel lemak atau protein di dalam hati, untuk fatwa darah, yang disebut dengan proses glukoneogenesis. Hal ini intinya ini terjadi ketika tingkat glukosa darah menurun, atau ketika jumlah glukosa yang masuk ke dalam sel tidak mencukupi dan cadangan glikogen terpakai habis.
DAFTAR PUSTAKA PENGANTAR ILMU NUTRISI TERNAK
Artikel ini merupakan materi yang ditulis oleh Prof. Dr. Ir. Wahyu Widodo, Ms. (Fakultas Peternakan-perikanan Universitas Muhammadiyah Malang (UMM) dari Buku Ajar Berjudul "PENGANTAR ILMU NUTRISI TERNAK" tahun 2006.
Anda kini sudah mengetahui Metabolisme Energi. Terima kasih anda sudah berkunjung ke Perpustakaan Cyber.
