Metabolisme Karbohidrat. Lab Biokimia Fakultas Biologi UGM

(1)

Karbohidrat

Metabolisme Karbohidrat

Lab Biokimia

(2)

Karbohidrat

(3)

• Biomolekul yang paling

banyak ditemukan di alam

D i

Æ

l k l

• Dari namanya

Æ

molekul

yang terdiri dari

carbon

(C)

dan

hydrate

y

(air

(

Æ

H

₂₂

O)

)

• Mempunyai rumus molekul

(CH

₂

O)n untuk

monosakarida

• Disintesis dari CO

₂

dan

H

₂₂

O dlm proses

p

fotosintesis

• Dikenal juga sebagai

sakarida

(4)

Klasifikasi

• Berdasar kompleksitasnya

• Berdasar kompleksitasnya,

dapat dibagi menjadi 3 golongan

–

Monosakarida

Æ

karbohidrat

tunggal

–

Oligosakarida

Æ

karbohidrat

t

d bb

yg tersusun dr bbrp

monosakarida

–

Polisakarida

Æ

karbohidrat

yang tersusun dr lebih dari 10

monosakarida

(5)

Fungsi

Didalam organisme memiliki berbagai peranan:

• Simpanan energi bahan bakar dan senyawa antara

• Simpanan energi, bahan bakar dan senyawa antara

metabolisme

Pati, glikogen

Æ

dgn cepat dpt diubah mjd glukosa

• Bagian dr kerangka struktural pembentuk RNA dan

DNA

Æ

gula ribosa dan deoksiribosa

• Elemen struktural pd dinding sel tanaman, bakteri &

eksoskleleton Arthropoda

Æ

polisakarida

Id tit

l

Æ

b ik t

d

t i

t

li id d

• Identitas sel

Æ

berikatan dgn protein atau lipid dan

berfungsi dlm proses pengenalan antar sel (cell-cell

recognition)

ecog

o

)

Æ

oligosakarida

o gosa a da

(6)

Monosakarida

• Gula paling sederhana

• Rumus molekul (CH

₂

O)

_n

T d

t d l

2 b t k

• Terdapat dalam 2 bentuk

– Aldosa

Ketosa

– Ketosa

• Monosakarida plg sederhana mempy jumlah

karbon 3

Æ

gliseraldehid dan dihidroksiaseton

karbon 3 Æ

gliseraldehid dan dihidroksiaseton

• Monosakarida yang paling umum adalah

heksosa

(7)

M

k id d

dik l

kk

Monokarida dapat dikelompokkan

berdasar jumlah carbon penyusunnya :

n

3 Triose

4 Tetrose

5 Pentose

6 Hexose

7 Heptose

8 Octose

(8)

Monosaccharides

Aldoses

(e.g., glucose)

have an

aldehyde

group at

Ketoses

(e.g., fructose)

have a

keto

group,

one end.

usually at C2.

C

O

H

CH OH

C

OH

H

C

H

HO

CH

₂

OH

C

O

C

H

HO

C

OH

H

C

H

HO

C

OH

H

C

OH

H

CH

₂

OH

C

OH

H

CH

₂

OH

D

-glucose

D

-fructose

(9)

(10)

Ketosa

(11)

Bentuk cincin Piran dan Furan

(12)

Most common monosacharides

Glukosa:

Terdapat di dlm

Galaktosa:

Dikenal sebagai

Fruktosa :

Gula dalam

darah, sumber

ATP dlm respirasi

seluler

gula dalam susu

dan yoghurt

sebagai bagian

madu dan

buah-buahan

J ga berasal

seluler

Tersimpan dlm

btk polimer: pati

sebagai bagian

dr laktosa

Terdapat dlm

Juga berasal

dari hasil

hidrolisis

p

dan glikogen

Struktural :

p

polimer sbg agar sukrosa

selulosa

(13)

Oligosakarida

Ikatan glikosida antar monosakarida akan membentuk

Æ

oligosakarida dan polisakarida

Oligosakarida yg paling sederhana

Æ

Disakarida

Ikatan

alpha

Dlm proses

penggabungan 2

monomer tst

Æ

H

₂

O akan

dibebaskan

C

₁₂

H

₂₂

O

₁₁

=

2 C

₆

H

₁₂

O

₆

−

H

₂

O

(14)

Gula mereduksi : gula yg

i

k t

mempunyai gugus keton

atau aldehid shg mampu

mereduksi ion Cu

2+

_mjd

mereduksi ion Cu mjd

Cu

+

Gula tidak

mereduksi

(15)

Most common disacharides

Maltosa :

h il hid li i

i

Sukrosa :

Dik

l

b

i

Laktosa :

Dik

l

b

i

hasil hidrolisis pati

t.d 2 glukosa yg

terikat dgn ikatan

Dikenal sebagai

gula meja

Æ

diperoleh dr tebu

Dikenal sebagai

gula susu

t d galaktosa dan

terikat dgn ikatan

α

1-4

Hidrolisis

Æ

diperoleh dr tebu

dan beet

t.d. glukosa dan

t.d galaktosa dan

glukosa yg terikat

dgn cara C1

β

gal

Hidrolisis

Æ

maltase

g

fruktosa yang

terikat dgn cara

C1

α

glu C2

β

fru

g

β

g

– C4 glu

Hidrolisis

Æ

l kt

/

β

C1

α

glu - C2

β

fru

Hidrolisis

Æ

sukrase / invertase

laktase /

β

galaktosidase

sukrase / invertase

(16)

Polisakarida

• Merupakan polimer unit monosakarida

p

• Unit monomer bisa :

• homopolisakarida

• heteropolisakarida

• Berbeda antara satu dgn yg lain pada

unit penyusunnya, ikatan yg

y

yg

menghubungkan, rantai cabang yg

terbentuk

(17)

Common polysacharides

Polysaccharide

Glycogen

Monomeric

D

Glucose

Linkages

α

1 Æ

6 branches

Glycogen

Cellulose

Chitin

D

-

Glucose

D

-

Glucose

N-Acetyl-D-α

1 Æ

6 branches

β

1 Æ

4 β

1 Æ

4 Chitin

Amylopectin

N-Acetyl-D-glucosamine

D

-

Glucose

β

1 Æ

4 α

1 Æ

6 branches

Amylopectin

Amylose

D

-

Glucose

α

1 Æ

6 branches

α

1 Æ

4

(18)

Pati/Amilum

Mer pakan polimer gl kosa

Merupakan polimer glukosa

Terdiri dari 2 macam polisakarida

• Amilosa

Æ

tidak bercabang

• Amilopektin

Æ

byk cabang

Æ

C 1 6 setiap

• Amilopektin

Æ

byk cabang

Æ

C 1-6 setiap

10-30 residu

Hid li i

Æ

il

(

d

lik

id

)

Hidrolisis

Æ

α

amilase (endoglikosidase)

Tidak larut dalam air, sehingga byk digunakan

sbg bentuk simpanan karbohidrat pd tnman.

(19)

Glikogen

Polimer glukosa dengan struktur yg mirip dgn

amilopektin

p

Æ

tp byk cabang (setiap 8 residu)

p y

g (

p

)

dan lebih pendek

Terdapat di hewan sebagai bentuk simpanan

karbohidrat

Æ

ktk dibutuhkan energi

Æ

dipecah

karbohidrat

Æ

ktk dibutuhkan energi

Æ

dipecah

mjd glukosa

Æ

glicogenolisis

T

i

dl

Æ

h ti d

t t

Tersimpan dlm

Æ

hati dan otot

(20)

Sellulosa

• Struktural karbohidrat utama pada

tumbuhan berkayu dan berserat

• Polimer D-glukosa linear dgn iktn

Polimer D-glukosa linear dgn iktn

β

1

1 Æ

Æ

4

• Dengan iktn tersebut menyebabkan mempy

karakter yg sangat berbeda dgn amilosa

• Bentuk spt fiber / serat lurus dan

memanjang

j

g

• Setiap residu glukosa membtk pita yang

antr satu dgn yg lain saling berputar 180

_{g yg}

_g

_p

°

(21)

Kitin

• Merupakan polimer N asetil

β

D

• Merupakan polimer N-asetil

β

– D

glukosamin

• Terhubung dengan ikatan

β

1 Æ

4 sehingga

• Terhubung dengan ikatan

β

1 Æ

4 ,

sehingga

memiliki struktur yg mirip dengan selulosa

kecuali pada gugus OH atom C 2 diganti

p

g g

g

dengan gugus amino yg terasilasi

• Terdistribusi luas di banyak organisme

y

g

terutama menyusun eksoskeleton bbrp

moluska dan artropoda

(22)

Glikosaminoglikan

• heterosakarida yg berulang dan

mengandung derivat gula amino apakah

itu glukosamin atau galaktosamin

itu glukosamin atau galaktosamin.

• pada setiap unit penyusunnya tersebut

selalu bermuatan negatif

Æ

krn adanya

selalu bermuatan negatif

Æ

krn adanya

gugus karboksilat dan sulfat

• Major glukosamine a l : dermatan sulfat

Major glukosamine a.l. : dermatan sulfat,

kondroitin sulfat, heparan sulfat, keratan

sulfat, heparin, hyaluronate

p

y

(23)

Kondroitin

dermatan

sulfat

(24)

M t b li

k b hid t

Metabolisme karbohidrat

(25)

Gl

Glycogen

Pati,

sukrosa

simpanan

GLUKOSA

simpanan Oksidasi via Oksidasi via Pentose phosphat pathway (PPP) Oksidasi via glikolisis

(26)

pankreas

mulut

α Amilase

Pati

maltosa

mulut

maltosa

Pembuluh

darah

dipeptidase,

sukrase,

Maltosa

2 glukosa

GLIKOLISIS

maltase,

laktase,

(27)

1. GLIKOLISIS (Embden-Meyerhoff-Parnas Pathway) :

Perubahan degradatif glukosa menjadi asam piruvat, (asam laktat atau etanol dalam suasana anaerob), menghasilkan 2 ATP / glukosa 2. HEXOSE MONOPHOSPHATE PATHWAY (Hexose Monophosphate Shunt,

Pentose -Phosphate Pathway) Perubahan degradatif oksidatif 6 molekul glukosa-6P menjadi 5 molekul fruktosa-6P + 6 CO2 6 molekul glukosa 6P menjadi 5 molekul fruktosa 6P + 6 CO2 3. GLIKOGENOLISIS, Proses degradatif pembongkaran Glikogen menjadi

Glukosa-1P ->Glukosa-6P-->-->--> 2 molekul asam piruvat 4. GLUKONEOGENESIS, rangkaian reaksi sintesis glukosa dari

senyawa non-karbohidrat

5. AMILOLITIK, Proses degradatif pembongkaran amilum --> dekstrin----> maltosa ----> glukosa

6 FRUKTANOLITIK Proses degradatif pembongkaran fruktan (polimer 6. FRUKTANOLITIK, Proses degradatif pembongkaran fruktan (polimer

fruktosa) ----> Fruktosa

7. INTERKONVERSI MONOSAKARIDE, proses perubahan antar isomer p p

monosakarida menjadi Glukosa-6P dan Fruktosa-6P dan selanjutnya masuk dalam glikolisis atau menjadi beberapa OLIGOSAKARIDA atau polisakarida lainnya

(28)

Glikolisis

• Glikolisis adalah rangkaian reaksi yang

mengubah glukosa menjadi dua

g

j

molekul piruvat

• Pada proses ini juga dihasilkan ATP

Pada proses ini juga dihasilkan ATP

• Dikenal sebagai

Embden-Meyerhof

pathway

(29)

FATE of PYRUVATE

Sangat tergantung pada jenis

organismenya

C H O + 2 ADP + 2 NAD

+

_{+ + 2 Pi}

_Æ

_{2 t}

organismenya

C

₆

H

₁₂

O

₆

+ 2 ADP + 2 NAD

+

_{+ + 2 Pi}

_Æ

_{2 pyruvate}

+ 2 ATP + 2 NADH + 2 H

+

_{+ + 2 H}

2

O

(30)

(31)

Tahap persiapan

• Memerlukan 2 molekul ATP

• Memecah gula heksosa menjadi molekul 2 triose

f f t

Tahap pengembalian / pay off

fosfat

Tahap pengembalian / pay off

• 4 ATP

2 molekul piruvat

• 2 molekul piruvat

(32)

Tahap 1.

• Fosforilasi glukosa • Fosforilasi glukosa

• Reaksi yang irreversibel

• Heksokinase : tranfer gugus fosfat pada molekul heksosa • Memerlukan Mg

(33)

tahap ke 2: tahap ke 2:

Dikatalisis fosfoglukoisomerase

Perubahan isomer dari aldosa ke ketosa

Reaksi berlangsung dengan cepat krn standar energi bebas yang kecil

Ensim memerlukan Mg dan spesifik untuk substratnya Ensim memerlukan Mg, dan spesifik untuk substratnya

(34)

Tahap ke 3.

Dikatalisis oleh fosfofruktokinase (PFK), secara alosterik diatur oleh: AMP ADP Citrate (off) oleh: AMP ADP Citrate (off)

F2,6 BP ATP (off)

Merupakan titik regulasi glikolisis yang utama.

(35)

Tahap ke 4 Tahap ke 4

Menghasilkan 2 molekul tiga karbon : DHAP dan G3P

Dikatalisis oleh Fructose-1,6-Bisphosphate Aldolase. Tidak memerlukan kation divalen

Meskipun energi bebas nya sangat positif, akan tetapi di dalam sel

Æ dapat diatur agar tetap cenderung ke arah pembentukan produk

(36)

Tahap ke 5

Dikatalisis oleh Triose Phosphate Isomerase

R k i l bih d k h k d dil k k d

Reaksi lebih cenderung ke arah kanan, dan dilakukan dengan tetap menjaga konsentrasi G3P rendah

(37)

Tahap ke 6

Memerlukan NAD+ Æ sehingga ratio NAD+/NADH+H di dalam sel

(38)

Tahap ke 7

Merupakan reaksi fosforilasi tingkat substrat untuk ADP menjadi 3PG dan ATP

Karena dihasilkan 2 molekul ATP untuk setiap 1 glukosa maka Karena dihasilkan 2 molekul ATP untuk setiap 1 glukosa, maka pada tahap ini, reaksi menjadi impas

(39)

Tahap ke 8

Reaksi pada kondisi standar cenderung lebih ke arah kiri untuk p g membentuk 3Phospoglycerate (PG)

Di dalam sel, konsentrasi 3PG dijaga pada konsentrasi yg selalu tinggi, sehingga reaksi cenderung ke arah kanan

(40)

Tahap ke 9

Merupakan reaksi dehidrasi sederhana dari 2PG menjadi Phosphoenolpyruvate (PEP)

Mempunyai efek naiknya energi hidrolisis ikatan fosfat Mempunyai efek naiknya energi hidrolisis ikatan fosfat

(dr -15.6 kJ/mol dalam 2PG menjadi -61.9 kJ/mol dalam PEP ) Energi bebas tersebut digunakan utk reaksi berikutnya Æ

f f

(41)

Tahap ke 10

Reaksi ini penting, karena:

-Menghasilkan ATP dari reaksi fosforilasi tingkat subtrat ADP

-Reaksi ini secara energetik sangat bagus, sehingga berfungsi untuk menarik dua reaksi sebelumnya

menarik dua reaksi sebelumnya

-Ensim yg mengkatalisis reaksi ini secara allosterik dinon

aktifkan oleh : ATP, alanine, and acetyl-CoA,

D n e llo te ik di ktifk n oleh F1 6BP nd Dan secara allosterik diaktifkan oleh F1,6BP, and

(42)

Daur Kreb (TCA)

(43)

• Berfungsi mengoksidasi hasil glikolisis mjd CO

₂

dan

juga menyimpan energi ke bentuk molekul berenergi

tinggi spt

ATP, NADH, FADH

₂

• Sentral dalam siklus oksidatif dlm respirasi

Sentral dalam siklus oksidatif dlm respirasi

Æ

dimana semua makromolekul dikatabolis

(Karbohidrat, Lipid dan Protein)

• Untuk kelangsungannya membutuhkan :

NAD, FAD, ADP, Pyr dan OAA (oxaloacetic acid)

• Menghasilkan senyawa intermedier yg penting

Æ

asetil Co A,

α

KG(ketoglutarate) & OAA

• Merupakan prekursor untuk biosintesis

(44)

• Berfungsi dalam katabolisme dan juga anabolisme

g

j g

Æ

amfibolik

• Katabolisme

Æ

memproduksi molekul berenergi

tinggi

• Anabolisme

Æ

memproduksi intermedier untuk

prekursor biosintesis makromolekul

• Berbagai daur mengambil senyawa antara dlm siklus

kreb

Æ

berkurang

Æ

hrs ada mekanisme utk

kreb

Æ

berkurang

Æ

hrs ada mekanisme utk

(45)

(46)

Overview the reaction

Dalam setiap siklus:

–

1 gugus asetil ( molekul 2C) masuk dan keluar sebagai 2

CO

molekul

CO

₂

–

Dalam setiap siklus : OAA digunakan untuk membentuk

sitrat

Æ

setelah mengalami reaksi yang panjang

Æ

kembali diperoleh OAA

–

Terdiri dari

8 reaksi

: 4 mrpkn oksidasi

Æ

dimana energi

Æ

digunakan utk mereduksi NAD dan FAD

g

–

Dihasilkan

:

• 2 ATP, 8 NADH, 2 FADH

₂

Tidak diperlukan O pada TCA tetapi digunakan pada

–

Tidak diperlukan O

₂

pada TCA, tetapi digunakan pada

Fosforilasi oksidatif

Æ

untuk memberi

pasokan NAD

,

shg piruvat dapat di ubah menjadi Asetil Co A

(47)

Glikolisis vs TCA

Glik li i

TCA

Glikolisis

1. Reaksi berjalan

linier

TCA

1. Reaksi siklis

2 L t k di

t ik

linier

2. Lokasi di

sitoplasma

2. Letak di matriks

mitokondria

sitoplasma

(48)

Reaksi Anaplerotik

• Ketika produk intermedier TCA digunakan

sbg prekursor biosintesis lainnya

• Konsentrasi intermedier Æ

turun Æ

memperlambat kecepatan TCA

p

• Ada 5 reaksi :

– Piruvat

Æ

OAA dgn ensim pyr karboksilase

– PEP

Æ

OAA dgn ensim PEP karboksikinase

– PEP

Æ

OAA dgn ensim PEP karboksilase

– Piruvat

Æ

malat dg ensim malat

– Piruvat

Æ

malat dg ensim malat

– Reaksi transamnasi : Aspartat

Æ

OAA dan

glutamat

Æ

α

KG

(49)

(50)

(51)

Sintesis glukosa

sangat penting krn

otak dan sistem

saraf kita

membutuhkan

glukosa sebagai

sumber energi

utama

(52)

glukoneogenesis

-

Universal ditemukan di

hewan, tumbuhan , fungi

dan mikroorganisme

lainnya

-

10 tahap reaksi, dan 7

diantaranya merupakan

kebalikan glikolisis

(53)

Pengubahan pyruvat menjadi Phosphoenolpyruvate

(PEP)

Æ

memerlukan bypas reaksi

Pyruvat dari sitosol dibawa ke dalam mitokondria terlebih dahulu

Pyr korboksilase Pyr korboksilase

OAA + GTP Æ PEP + CO₂ + GDP , PEP karboksikinase

Fruktosa 1,6 BP menjadi F 6P

Æ

reaksi bypass ke dua

Reaksi di katalisis oleh F 1,6 bifosfatase

Glukosa 6P

Æ

glukosa : merupakan reaksi bypass ke 3

(54)

Glukoneogenesis Æ membutuhkan banyak energi dan bersifat irreversibel