97 URAIAN MATERI
A. Glikolisis
Glikolisis diperoleh daribahasa yunani glyk “manis”, dan lysis
“pemecahan”.Glikolisis merupakan proses pemecahan glukosa menjadi senyawa triosa (C3) yaitu piruvat. Siklus asam sitrat atau siklus Krebs merupaknan proses oksidasi senyawa trikarboksilat menjadi senyawa sumber elektron atau sumber energi yang kemudian difosforilasi oksidatif menjadi energi. Senyawa pada glikolisis dan siklus asam sitrat menyediakan prekursor biosintesis asam amino.
Glikolisis adalah rangkaian reaksi kimia penguraian glukosa (yang memiliki 6 atom C) menjadi asam piruvat (senyawa yang memiliki 3 atom C), NADH, dan ATP. NADH (Nikotinamida Adenina Dinukleotida Hidrogen) adalah koenzim yang mengikat elektron (H), sehingga disebut sumber elektron berenergi tinggi. ATP (adenosin trifosfat) merupakan senyawa berenergi tinggi. Setiap pelepasan gugus fosfatnya menghasilkan energi.
Pada proses glikolisis, setiap 1 molekul glukosa diubah menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 NADH, dan 2 ATP. Glikolisis memiliki sifat-sifat, antara lain:
1. Glikolisis dapat berlangsung secara aerob maupun anaerob
2. Glikolisis melibatkan enzim ATP dan ADP, serta peranan ATP dan ADP pada glikolisis adalah memindahkan (mentransfer) fosfat dari molekul yang satu ke molekul yang lain.
3. Pada sel eukariotik, glikolisis terjadi di sitoplasma(sitosol)
Glikolisis terjadi melalui 10 tahapan yang terdiri dari 5 tahapan penggunaan energi dan 5 tahapan pelepasan energi. Berikut ini reaksi glikolisis secara lengkap:
Dari skema tahapan glikolisis menunjukkan bahwa energi yang dibutuhkan pada tahap penggunaan energi adalah 2 ATP. Sementara itu, energi yang dihasilkan pada tahap pelepasan energi adalah 4 ATP dan 2 NADH. Dengan demikian, selisih energi atau hasil akhir glikolisis adalah 2 ATP + 2 NADH.
Tahapan glikolisis
Glikolisis secara harfiah berarti pemecahan glukosa atau dekomposisi.
Melalui proses ini, satu molekul glukosa sepenuhnya dipecah untuk menghasilkan dua molekul asam piruvat, dua molekul ATP dan dua NADH (Reduced nikotinamida adenin dinukleotida) radikal yang membawa elektron yang dihasilkan. Butuh waktu bertahun-tahun penelitian melelahkan dalam biokimia yang mengungkapkan tahap-tahap glikolisis yang membuat respirasi selular mungkin. Berikut adalah berbagai tahap yang disajikan dalam urutan awal terjadinya dengan glukosa sebagai bahan baku utama. Seluruh proses melibatkan sepuluh tahap dengan membentuk produk pada setiap tahap dan setiap tahap diatur oleh enzim yang berbeda. Produksi berbagai senyawa di setiap tahap menawarkan entry point yang berbeda ke dalam proses. Itu berarti, proses ini dapat langsung mulai dari tahap peralihan jika senyawa yang reaktan pada tahap yang langsung tersedia.
Tahap1: Fosforilasi Glukosa
Tahap pertama adalah fosforilasi glukosa (penambahan gugus fosfat).
Reaksi ini dimungkinkan oleh heksokinase enzim, yang memisahkan satu
98 kelompok fosfat dari ATP (Adenosine Triphsophate) dan menambahkannya ke glukosa, mengubahnya menjadi glukosa 6-fosfat. Dalam proses satu ATP molekul, yang merupakan mata uang energi tubuh, digunakan dan akan ditransformasikan ke ADP (Adenosin difosfat), karena pemisahan satu kelompok fosfat. Reaksi keseluruhan dapat diringkas sebagai berikut:
Glukosa (C6H12O6) + ATP heksokinase → Glukosa 6-Fosfat (C6H11O6P1) + ADP
Tahap 2: Produksi Fruktosa-6 Fosfat
Tahap kedua adalah produksi fruktosa 6-fosfat. Hal ini dimungkinkan oleh aksi dari enzim phosphoglucoisomerase. Kerjanya pada produk dari tahap sebelumnya, glukosa 6-fosfat dan berubah menjadi fruktosa 6-fosfat yang merupakan isomer nya (Isomer adalah molekul yang berbeda dengan rumus molekul yang sama tetapi susunan berbeda dari atom). Reaksi seluruh diringkas sebagai berikut:
Glukosa 6-Fosfat (C6H11O6P1) + Phosphoglucoisomerase (Enzim) → Fruktosa 6-Fosfat (C6H11O6P1)
Tahap 3: Produksi Fruktosa 1, 6-difosfat
Pada tahap berikutnya, Fruktosa isomer 6-fosfat diubah menjadi fruktosa 1, 6-difosfat dengan penambahan kelompok fosfat. Konversi ini dimungkinkan
99 oleh fosfofruktokinase enzim yang memanfaatkan satu molekul ATP lebih dalam proses. Reaksi ini diringkas sebagai berikut:
Fruktosa 6-fosfat (C6H11O6P1) + fosfofruktokinase (Enzim) + ATP → Fruktosa 1, 6-difosfat (C6H10O6P2)
Tahap 4: Pemecahan Fruktosa 1, 6-difosfat
Pada tahap keempat, adolase enzim membawa pemisahan Fruktosa 1, 6- difosfat menjadi dua molekul gula yang berbeda yang keduanya isomer satu sama lain. Kedua gula yang terbentuk adalah gliseraldehida fosfat dan fosfat dihidroksiaseton. Reaksi berjalan sebagai berikut:
Fruktosa 1, 6-difosfat (C6H10O6P2) + Aldolase (Enzim) → gliseraldehida fosfat (C3H5O3P1) + Dihydroxyacetone fosfat (C3H5O3P1)
Tahap 5: interkonversi Dua Glukosa
Fosfat dihidroksiaseton adalah molekul hidup pendek. Secepat itu dibuat, itu akan diubah menjadi fosfat gliseraldehida oleh enzim yang disebut fosfat triose. Jadi dalam totalitas, tahap keempat dan kelima dari glikolisis menghasilkan dua molekul gliseraldehida fosfat.
Dihidroksiaseton fosfat (C3H5O3P1) + Triose Fosfat → gliseraldehida fosfat (C3H5O3P1)
Tahap 6: Pembentukan NADH & 1,3-Diphoshoglyceric
Tahap keenam melibatkan dua reaksi penting. Pertama adalah pembentukan NADH dari NAD + (nicotinamide adenin dinukleotida) dengan menggunakan enzim dehydrogenase fosfat triose dan kedua adalah penciptaan 1,3-diphoshoglyceric asam dari dua molekul gliseraldehida fosfat yang dihasilkan pada tahap sebelumnya. Reaksi keduanya adalah sebagai berikut:
Fosfat dehidrogenase Triose (Enzim) + 2 NAD + + 2 H-→ 2NADH (Reduced nicotinamide adenine dinucleotide) + 2 H +
Triose fosfat dehidrogenase gliseraldehida fosfat + 2 (C3H5O3P1) + 2P (dari sitoplasma) → 2 molekul asam 1,3-diphoshoglyceric (C3H4O4P2)
Tahap 7: Produksi ATP & 3-fosfogliserat Asam
Tahap ketujuh melibatkan penciptaan 2 molekul ATP bersama dengan dua molekul 3-fosfogliserat asam dari reaksi phosphoglycerokinase pada dua molekul produk 1,3-diphoshoglyceric asam, dihasilkan dari tahap sebelumnya.
2 molekul asam 1,3-diphoshoglyceric (C3H4O4P2) + 2ADP phosphoglycerokinase → 2 molekul 3-fosfogliserat acid (C3H5O4P1) + 2ATP Tahap 8: Relokasi Atom Fosfor
Tahap delapan adalah reaksi penataan ulang sangat halus yang melibatkan relokasi dari atom fosfor dalam 3-fosfogliserat asam dari karbon ketiga dalam rantai untuk karbon kedua dan menciptakan 2 - asam fosfogliserat. Reaksi seluruh diringkas sebagai berikut:
2 molekul 3-fosfogliserat acid (C3H5O4P1) + phosphoglyceromutase (enzim) → 2 molekul asam 2-fosfogliserat (C3H5O4P1)
100 Tahap 9: Penghapusan Air
The enolase enzim datang ke dalam bermain dan menghilangkan sebuah molekul air dari 2-fosfogliserat acid untuk membentuk asam yang lain yang disebut asam phosphoenolpyruvic (PEP). Reaksi ini mengubah kedua molekul 2- fosfogliserat asam yang terbentuk pada tahap sebelumnya.
2 molekul asam 2-fosfogliserat (C3H5O4P1) + enolase (enzim) -> 2 molekul asam phosphoenolpyruvic (PEP) (C3H3O3P1) + H2O 2
Tahap 10: Pembentukan piruvat Asam & ATP
Tahap ini melibatkan penciptaan dua molekul ATP bersama dengan dua molekul asam piruvat dari aksi kinase piruvat enzim pada dua molekul asam phosphoenolpyruvic dihasilkan pada tahap sebelumnya. Hal ini dimungkinkan oleh transfer dari atom fosfor dari asam phosphoenolpyruvic (PEP) untuk ADP.
2 molekul asam phosphoenolpyruvic (PEP) (C3H3O3P1) + + 2ADP kinase piruvat (Enzim) → 2ATP + 2 molekul asam piruvat.
B. Siklus Krebs
Siklus krebs adalah salah satu reaksi yang terjadi dari rangkaian reaksi metabolismesel di dalammitokondria yang membawakatabolismeresiduasetyl, membebaskan ekuivalen hidrogen, yang dengan oksidas imenyebabkan pelepasan dan penangkapan ATP sebagai pemenuh kebutuhan energi jaringan. Siklus ini dinamakan siklus krebs karena yang menemukan adalah Mr. Krebs atau Sir Hans Adolf Krebs (1900-1981) pada tahun 1937, seorang ahli biokimia terkenal yang menemukan metabolisme karbohidrat. Nama lain dari siklus krebsya itu siklus asam sitrat karena senyawa pertama yang terbentuk adalah asam sitrat juga siklus asam trikarboksilat (-COOH) karena hampir di awal-awal siklus krebs, senyawanya tersusun dari asam trikarboksilat. Trikarboksilat itu merupakan gugusasam (-COOH).
Siklus krebs adalah serangkaian reaksi yang digunakan oleh organisme aerobik untuk menghasilkan energi dari oksidasi molekul asetil-CoA hasil tiga metabolisme karbohidrat utama, Glikolisis, Jalur Pentosa Fosfat dan Jalur Entner- Doudoroff.
Siklus krebs merupakan salah satu proses yang menggunakan asam nitrat dari sebuah reaksi metabolisme pada asetil ko-A yang digabungkan dengan asam oksaloasetat setelah terjadi suatu proses berupa glikolisis. Pada kinerjanya penjelasan dan proses siklus krebs ini merupakan salah satu reaksi dari proses pernafasan yang lebih panjang. Bertepatan di Mitokondria dengan menggunakan asetat aktif untuk dijadikan Asetil ko-A dalam proses oksidasi glukosa. Dari siklus ini metabolisme yang dihasilkan dari proses glikolisis akan menjadi sumber utama bagi tubuh sebagai energi. Yangmana proses glikolisis ini merupakan proses konversi antara karbohidrat dengan lemak untuk dijadikan adenon trifosfat atau ATP.
Fungsi utama Siklus Kreb
1. Menghasilkan karbondioksida terbanyak pada jaringan manusia.
101 2. Menghasilkan sejumlah koenzim tereduksi yang menggerakkan rantai
pernapasan untuk produksi ATP
3. Mengkonversi sejumlah energi serta zat intermidiet yang berlebihan untuk digunakan pada sintesis asam lemak.
4. Menyediakan sebagian bahan keperluan untuk sintesis protein dan asam nukleat.
5. Melakukan pengendalian langsung (produk → bakal produk) atau tidak
langsung (alosterik) terhadap sistem enzim lain melalui komponen-komponen siklus.
Tahapan reaksi Siklus Kreb
Tahap 1 : Sitrat Sintase (hidrolisis)
Asetil KoA + oksaloasetat + H2O → sitrat + KoA-SH
Merupakan reaksi kondensasi aldol yg disertai hidrolisis dan berjalan searah.
Klinis: sitrat sintase sangat spesifik terhadap zat yang dikerjakan. Flouroasetil KoA dapat menggantikan gugus –asetil KoA. Flourosasetat kadang digunakan sebagai racun tikus. Bila termakan dapat berakibat fatal
Tahap 2 : Aconitase, memerlukan 2 tahap
Sitrat diubah menjadi isositrat oleh enzim akonitase yg mengandung Fe++. Caranya : mula-mula terjadi dehidrasi menjadi cis-akonitat ( yg tetap terikat enzim ) kemudian terjadi rehidrasi menjadi isositrat.
Tahap 3 : Isositrat Dehidrogenase (dekarboksilasi pertama)
102 Isositrat dioksidasi menjadi oksalosuksinat (terikat enzim) oleh isositrat dehidrogenase yg memerlukan NAD+. Reaksi ini diikuti dekarboksilasi oleh enzim yg sama menjadi α-ketoglutarat. Enzim ini memerlukan Mn++ / Mg++.
Ada 2 jenis isozim isositrat dehidrogenase :
1. Satu jenis isozim menggunakan NAD+ (intramitokondria) →isozim ini hanya ditemukan di dalam mitokondria NADH + H+ yg terbentuk akan diteruskan dalam rantai respirasi.
2. Dua jenis isozim yg lain menggunakan NADP+ dan ditemukan di luar mitokondria (ekstramitokondria) dan sitosol.
Tahap 4 : ketoglutarat dehidrogenase kompleks (dekarboksilasi)
Dekarboksilasi oksidatif α-ketoglutarat (caranya seperti pada dekarboksilasi oksidatif piruvat) menjadi suksinil KoA oleh enzim α-ketoglutarat dehidrogenase kompleks.
Enzim ini memerlukan kofaktor seperti : TPP, Lipoat,NAD+, FAD dan KoA-SH.
Reaksi ini secara fisiologis berjalan searah.
Klinis: Reaksi ini dapat dihambat oleh arsenit mengakibatkan akumulasi atau penumpukan α-ketoglutarat.
Tahap 5 : suksinat thikonase (fosforilasi tingkat substrat)
Suksinil KoA→Suksinat Reaksi ini memerlukan ADP atau GDP yg dengan Pi akan membentuk ATP atau GTP. Juga memerlukan Mg++.
Reaksi ini merupakan satu-satunya dalam TCA cycle yg membentuk senyawa fosfat berenergi tinggi pada tingkat substrat.
Pada jaringan dimana glukoneogenesis terjadi ( hati & ginjal) terdapat 2 jenis isozim suksinat thiokonase, satu jenis spesifik GDP, satu jenis untuk ADP.
Pada jaringan nonglukoneogenik hanya ada isozim yg menggunakan ADP.
Tahap 6 : Suksinat dehidrogenase (dehidrogenasi & oksidasi) Suksinat + FAD→ Fumarat + FADH2
Reaksi ini tdak lewat NAD,
Klinis: dihambat oleh malonat, asam dikarboksilat berkarbon 3. Suksinat dapat tertimbun dan pernapasan terhambat
Tahap 7 : Fumarase (dehidrasi) Fumarat + H2O → L-Malat Tidak memerlukan koenzim.
Tahap 8 : Malat dehidrogenase
L-Malat + NAD+ → Oksaloasetat + NADH + H+ Reaksi ini membentuk kembali oksaloasetat.
Terdapat 6 isozim MDH, 50% isozim MDH adalah tipe IV
103 Klinis: kerusakan jaringan seringkali mengakibatkan kenaikan MDH tetapi pemeriksaan MDH tidak lazim dilakukan, karena lebih mudah untuk memeriksa dengan LDH .
C. Pembentukan ATP dan ADP
ATP adalah singkatan dari adenosin trifosfat. ATP adalah sebuah molekul yang terbuat dari satu molekul adenosin yang terikat pada tiga ion fosfat anorganik.
ADP merupakan singkatan dari adenosin difosfat. ADP adalah dua molekul fosfat yang terikat pada satu molekul adenosin. ATP menyimpan energi untuk sel.
Ketika ATP menghidrolisis dan menjadi ADP, energi dilepaskan dan kemudian dikonsumsi oleh beberapa reaksi metabolisme.
Energi digunakan dalam fosforilasi ADP, membentuk ATP. Enzim yang mengkatalisis reaksi ATP synthase. ATP yang dihasilkan kemudian dikonsumsi selama tahap fotosintesis kimia berikutnya untuk mentransfer energi untuk karbon dioksida pada pembentukan glukosa. Energi cahaya berperan untuk penguraian molekul air selama fotosintesis melalui proses yang dikenal sebagai fotolisis air.
Selama reaksi ini, molekul air yang terkena energi cahaya dan melepaskan proton (ion hidrogen), elektron dan molekul oksigen (O₂). Kemudian, atom hidrogen mengikat molekul karbon dioksida untuk membentuk glukosa. Karena air adalah donor hidrogen untuk fotosintesis, itu adalah benar untuk mengatakan bahwa fotolisis air adalah dasar dari proses tersebut.
Elektron bebas, ion hidrogen dan molekul oksigen yang dilepaskan selama fotolisis air. Elektron menggantikan mereka elektron yang hilang oleh molekul klorofil selama fotofosforilasi. Ion hidrogen yang dimasukkan ke dalam hidrogen akseptor molekul (NADP) dan kemudian akan digunakan dalam sintesis glukosa selama tahap kimia. Molekul oksigen dilepaskan ke atmosfer
Pembentukan ATP terjadi melalui 3 jenis proses yaitu
1. Fosforilasi Tingkat substrat, proses ini adalah ketika proses glikolisis : perubahan Phospoenol piruvat menjadi asam piruvat dan pada siklus krebs contohnya ketika perubahan suksinil CoA diubah menjadi Suksinat. Dalam kedua contoh ini terjadi fosforilasi di tingkat substrat, dan terjadi pembentukan ATP dari ADP
2.Fosforilasi oksidatif (khemiosmosis), pembentukan ATP berlangsung ketika proses transport elektron. Contoh : setiap pasang elektron melalui rantai respirasi dari NADH— O2 dihasilkan 3 ATP dari 3 ADP dan 3 Pi.
3.Fosforilasi fotosintetik, ATP terbentuk ketika proses fotosintesis di dalam membrane tilakoid.
D. Pembentukan Asam Laktat
Asam laktat merupakan produk hasil metabolisme karbohidrat tanpa menggunakan oksigen (metabolisme anaerob). Asam laktat diproduksi di sel otot saat suplai oksigen tidak mencukupi untuk menunjang produksi energi. Produk asam laktat normal terdapat di dalam tubuh manusia.
Pada fermentasi, glukosa dipecah menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 NADH, dan terbentuk 2 ATP. Tetapi, fermentasi tidak bereaksi secara sempurna memecah
104 glukosa menjadi karbon dioksida dan air, serta ATP yang dihasilkan pun tidak sebesar ATP yang dihasilkan dari glikolisis.Dari hasil akhirnya, fermentasi dibedakan menjadi fermentasi asam laktat dan fermentasi alkohol.
Fermentasi asam laktat merupakan respirasi anaerob, hasil akhir fermentasi ini ialah asam laktat yang disebut juga asam susu. Sebagian masyarakat menyebut asam laktat sebagai asam kelelahan, karena erat kaitannya dengan rasa lelah. Hal ini terjadi pada manusia, karena bergerak melebihi batas sehingga terjadi penimbunan asam laktat yang merupakan hasil akhir fermentasi pada otot tubuh. Fermentasi asam laktat dilakukan oleh sel otot dan beberapa sel lainnya, serta beberapa bakteri asam laktat. Pada otot, proses ini dapat menyediakan energi yang dibutuhkan secara cepat. Akan tetapi, penumpukan asam laktat berlebih dapat menyebabkan otot lelah. Asam laktat berlebih dibawa darah menuju hati untuk diubah kembali menjadi asam piruvat. Industri susu menggunakan fermentasi asam laktat oleh bakteri untuk membuat keju dan yoghurt.Glukosa akan dipecah menjadi 2 molekul asam piruvat melalui glikolisis, membentuk 2 ATP dan 2 NADH. NADH diubah kembali menjadi NAD+ saat pembentukan asam laktat dari asam piruvat.Fermentasi asam laktat tidak menghasilkan CO2, seperti halnya fermentasi alkohol.
Proses fermentasi juga dimulai dengan glikolisis yang menghasilkan asam piruvat. Karena pada proses ini tidak ada oksigen yang merupakan reseptor terakhir, maka asam piruvat diubah menjadi asam laktat. Kejadian ini berakibat pada elektron yang tidak meneruskan perjalanannya, tidak lagimenerima elektron dari NADH dan FAD. Karena tidak terjadi penyaluran elektron, berarti pula NAD+ dan FAD yang diperlukan dalam siklus krebs juga tidak terbentuk.
Akibatnya, reaksi siklus krebs pun terhenti. Asam laktat merupakan zat kimia yang merugikan karena bersifat racun atau toksis.
E. Penyakit pada Metabolisme
105 1. Kelainan Metabolik Karbohidrat
Karbohidrat adalah gula, diantaranya adalah glukosa, sukrosa dan fruktosa. Fungsi utama karbohidrat adalah menyediakan energi bagi tubuh.
Sebagian karbohidrat di dalam tubuh berada dalam sirkulasi darah sebagai glukosa untuk keperluan energi segera; sebagian disimpan sebagai glikogen dalam hati dan jaringan otot, dan sebagian diubah menjadi lemak untuk kemudian disimpan sebagai cadangan energi di dalam jaringan lemak.
2. Kelainan Metabolik Asam Amino
Asam amino merupakan senyawa komponen pembentuk protein. Penyakit keturunan pada pengolahan asam amino dapat menyebabkan gangguan pada penguraian asam amino maupun pemindahan asam amino ke dalam sel.
3. Kelainan Metabolik Lemak
a. Kelebihan lemak (Obesitas) : Terjadi kalori didapat lebih dari kalori yg dimetabolisme (hipometabolisme)
Kalori yg dibutuhkan menurun, sehingga berat badan naik, meskipun diberi makan tidak berlebihan. Lemak ditimbun pada jaringan subkutis, jaringan retroperitoneum, peritoneum, omentum, pericardium, pankreas. Obesitas akan memperberat hipertensi, diabetes, penyakit jantung.
b. Hiperlipemia : Jumlah lipid darah total dan kholesterol meningkat Terdapat pada :
Diabetes melitus tidak diobati
Hipotiroidisme
Nefrosis lupoid
Penyakit hati
Sirhrosis biliaris
Xantomatosa
4. Kelainan Metabolik Piruvat
Piruvat terbentuk dalam proses pengolahan karbohidrat, lemak dan protein.Piruvat merupakan sumber energi untuk mitokondria (komponen sel yang menghasilkan energi). Gangguan pada metabolisme piruvat dapat menyebabkan terganggunya fungsi mitokondria sehingga timbul sejumlah gejala :
a. Kerusakan otot
b. Keterbelakangan mental c. Kejang
d. Penimbunan asam laktat yang menyebabkan asidosis (meningkatnya asam dalam tubuh)
e. Kegagalan fungsi organ (jantung, paru-paru, ginjal atau hati).
Gejala tersebut dapat terjadi kapan saja, mulai dari awal masa bayi sampai masa dewasa akhir. Olah raga, infeksi atau alkohol dapat memperburuk gejala, sehingga terjadi asidosis laktat yang berat.
RANGKUMAN
Respirasi aerob melalui tahapan: glikolisis, dekarboksilasi oksdiatif, siklus krebs, dan transpor elektron. Glikolisis merupakan proses pembeongkaran glukosa menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 ATP, dan 2 NADH, serta berlangsung di
106 sitoplasma. Siklus krebs berlangsung di mitokondria, dan menghasilkan 4 CO2, 2ATP, 6 NADH, 2FADH2. Tahapan energi hasil respirasi menghasilkan 36 ATP
