PROSES METABOLISME KARBOHIDRAT
Lintasan
metabolisme dapat digolongkan menjadi 3 kategori:
1. Lintasan anabolik
(penyatuan/pembentukan)
Ini
merupakan lintasan yang digunakan pada sintesis senyawa pembentuk struktur
dan mesin tubuh. Salah satu contoh dari kategori ini adalah sintesis protein.
2. Lintasan katabolik
(pemecahan)
Lintasan
ini meliputi berbagai proses oksidasi yang melepaskan energi bebas,
biasanya dalam bentuk fosfat energi tinggi atau unsur ekuivalen pereduksi,
seperti rantai respirasi dan fosforilasi oksidatif.
3. Lintasan amfibolik
(persimpangan)
Lintasan
ini memiliki lebih dari satu fungsi dan terdapat pada persimpangan metabolisme
sehingga bekerja sebagai penghubung antara lintasan anabolik dan lintasan
katabolik. Contoh dari lintasan ini adalah siklus asam sitrat (Siklus Kreb).
Karbohidrat,
lipid dan protein sebagai makanan sumber energi harus dicerna menjadi
molekul-molekul berukuran kecil agar dapat diserap. Berikut ini adalah hasil
akhir pencernaan nutrien tersebut:
Ø Hasil pencernaan
karbohidrat: monosakarida terutama glukosa
Ø Hasil pencernaan lipid:
asam lemak, gliserol dan gliserida
Ø Hasil pencernaan protein: asam amino
Semua
hasil pencernaan di atas diproses melalui lintasan metaboliknya masing-masing
menjadi Asetil KoA, yang kemudian akan dioksidasi secara sempurna melalui
siklus asam sitrat dan dihasilkan energi berupa adenosin trifosfat (ATP) dengan
produk buangan karbondioksida (CO2).
Glukosa
merupakan karbohidrat terpenting. Dalam bentuk glukosalah massa karbohidrat
makanan diserap ke dalam aliran darah, atau ke dalam bentuk glukosalah
karbohidrat dikonversi di dalam hati, serta dari glukosalah semua bentuk
karbohidrat lain dalam tubuh dapat dibentuk. Glukosa merupakan bahan bakar
metabolik utama bagi manusia dan bahan bakar universal bagi janin. Glukosa
diubah menjadi karbohidrat lain misalnya glikogen untuk simpanan, ribose untuk
membentuk asam nukleat, galaktosa dalam laktosa susu, bergabung dengan lipid
atau dengan protein, contohnya glikoprotein dan proteoglikan.
a.
Jalur-jalur metabolisme karbohidrat
Terdapat beberapa jalur metabolisme karbohidrat
yaitu glikolisis, oksidasi piruvat, siklus asam sitrat, glikogenesis,
glikogenolisis serta glukoneogenesis.
Secara ringkas, jalur-jalur metabolisme karbohidrat
dijelaskan sebagai berikut:
1.
Glukosa sebagai bahan bakar utama metabolisme akan mengalami glikolisis
(dipecah) menjadi 2 piruvat jika tersedia oksigen. Dalam tahap ini dihasilkan
energi berupa ATP.
2.
Selanjutnya masing-masing piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA. Dalam tahap
ini dihasilkan energi berupa ATP.
3.
Asetil KoA akan masuk ke jalur persimpangan yaitu siklus asam sitrat. Dalam
tahap ini dihasilkan energi berupa ATP.
4.
Jika sumber glukosa berlebihan, melebihi kebutuhan energi kita maka glukosa
tidak dipecah, melainkan akan dirangkai menjadi polimer glukosa (disebut
glikogen). Glikogen ini disimpan di hati dan otot sebagai cadangan energi
jangka pendek. Jika kapasitas penyimpanan glikogen sudah penuh, maka
karbohidrat harus dikonversi menjadi jaringan lipid sebagai cadangan energi
jangka panjang.
5.
Jika terjadi kekurangan glukosa dari diet sebagai sumber energi, maka glikogen
dipecah menjadi glukosa. Selanjutnya glukosa mengalami glikolisis, diikuti
dengan oksidasi piruvat sampai dengan siklus asam sitrat.
6.
Jika glukosa dari diet tak tersedia dan cadangan glikogenpun juga habis, maka
sumber energi non karbohidrat yaitu lipid dan protein harus digunakan. Jalur
ini dinamakan glukoneogenesis (pembentukan glukosa baru) karena dianggap lipid
dan protein harus diubah menjadi glukosa baru yang selanjutnya mengalami
katabolisme untuk memperoleh energi.
TAHAP
METABOLISME KARBOHIDRAT
Glikolisis
Glikolisis
adalah katabolisme glukosa yang berlangsung di dalam sitosol semua sel,
menjadi:
1. asam piruvat, pada
suasana aerob (tersedia oksigen)
2. asam laktat, pada
suasana anaerob (tidak tersedia oksigen)
1.
Glukosa mengalami fosforilasi menjadi glukosa-6 fosfat dengan dikatalisir oleh
enzim heksokinase atau glukokinase pada sel parenkim hati dan sel Pulau
Langerhans pancreas. ATP diperlukan sebagai donor fosfat dan bereaksi sebagai
kompleks Mg-ATP. Satu fosfat berenergi tinggi digunakan, sehingga hasilnya
adalah ADP. (-1P)
Mg2+
Glukosa +
ATP à glukosa 6-fosfat + ADP
2.
Glukosa 6-fosfat diubah menjadi Fruktosa 6-fosfat dengan bantuan enzim
fosfoheksosa isomerase. Enzim ini hanya bekerja pada anomer µ-glukosa 6-fosfat.
µ-D-glukosa
6-fosfat « µ-D-fruktosa 6-fosfat
3.
Fruktosa 6-fosfat diubah menjadi Fruktosa 1,6-bifosfat dengan bantuan enzim
fosfofruktokinase. ATP menjadi donor fosfat, sehingga hasilnya adalah ADP.(-1P)
µ-D-fruktosa
6-fosfat + ATP « D-fruktosa 1,6-bifosfat
4.
Fruktosa 1,6-bifosfat dipecah menjadi gliserahdehid 3-fosfat dan dihidroksi
aseton fosfat. Reaksi ini dikatalisir oleh enzim aldolase (fruktosa
1,6-bifosfat aldolase).
D-fruktosa
1,6-bifosfat« D-gliseraldehid 3-fosfat + dihidroksiaseton fosfat
5.
Gliseraldehid 3-fosfat dapat berubah menjadi dihidroksi aseton fosfat dan
sebaliknya (reaksi interkonversi). Reaksi bolak-balik ini mendapatkan
katalisator enzim fosfotriosa isomerase.
D-gliseraldehid
3-fosfat « dihidroksiaseton fosfat
6.
Gliseraldehid 3-fosfat dioksidasi menjadi 1,3-bifosfogliserat dengan bantuan
enzim gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase. Dihidroksi aseton fosfat bisa
diubah menjadi gliseraldehid 3-fosfat maka juga dioksidasi menjadi
1,3-bifosfogliserat.
D-gliseraldehid
3-fosfat + NAD+ + Pi« 1,3-bifosfogliserat + NADH + H+
Atom-atom
hidrogen yang dikeluarkan dari proses oksidasi ini dipindahkan kepada NAD+
yang terikat pada enzim. Pada rantai respirasi mitokondria akan dihasilkan tiga
fosfat berenergi tinggi. (+3P)
Karena
fruktosa 1,6-bifosfat yang memiliki 6 atom C dipecah menjadi Gliseraldehid
3-fosfat dan dihidroksi aseton fosfat yang masing-masing memiliki 3 atom C,
dengan demikian terbentuk 2 molekul gula yang masing-masing beratom C tiga
(triosa). Jika molekul dihidroksiaseton fosfat juga berubah menjadi
1,3-bifosfogliserat, maka dari 1 molekul glukosa pada bagian awal, sampai
dengan tahap ini akan menghasilkan 2 x 3P = 6P. (+6P)
7.
Pada 1,3 bifosfogliserat, fosfat posisi 1 bereaksi dengan ADP menjadi ATP
dibantu enzim fosfogliserat kinase. Senyawa sisa yang dihasilkan adalah
3-fosfogliserat.
1,3-bifosfogliserat
+ ADP « 3-fosfogliserat + ATP
Karena ada
dua molekul 1,3-bifosfogliserat, maka energi yang dihasilkan adalah 2 x 1P =
2P. (+2P)
8.
3-fosfogliserat diubah menjadi 2-fosfogliserat dengan bantuan enzim
fosfogliserat mutase.
3-fosfogliserat « 2-fosfogliserat
9.
2-fosfogliserat diubah menjadi fosfoenol piruvat (PEP) dengan bantuan enzim
enolase. Enolase dihambat oleh fluoride. Enzim ini bergantung pada Mg2+ atau
Mn2+.
2-fosfogliserat
« fosfoenol piruvat + H2O
10. Fosfat
pada PEP bereaksi dengan ADP menjadi ATP dengan bantuan enzim piruvat kinase.
Enol piruvat yang terbentuk dikonversi spontan menjadi keto piruvat.
Fosfoenol
piruvat + ADP à piruvat + ATP
Karena ada
2 molekul PEP maka terbentuk 2 molekul enol piruvat sehingga total hasil energi
pada tahap ini adalah 2 x 1P = 2P. (+2P)
11. Jika tak
tersedia oksigen (anaerob), tak terjadi reoksidasi NADH melalui pemindahan
unsur ekuivalen pereduksi. Piruvat akan direduksi oleh NADH menjadi laktat
dengan bantuan enzim laktat dehidrogenase.
Piruvat +
NADH + H+ à L(+)-Laktat + NAD+
Dalam
keadaan aerob, piruvat masuk mitokondria, lalu dikonversi menjadi asetil-KoA,
selanjutnya dioksidasi dalam siklus asam sitrat menjadi CO2.
Pada
glikolisis aerob, energi yang dihasilkan terinci sebagai berikut:
- hasil tingkat
substrat
:+ 4P
- hasil oksidasi
respirasi
:+ 6P
- jumlah
:+10P
- dikurangi untuk aktifasi
glukosa dan fruktosa 6P : - 2P
+ 8P
Pada
glikolisis anaerob, energi yang dihasilkan terinci sebagai berikut:
- hasil tingkat
substrat
:+ 4P
- hasil oksidasi
respirasi
:+ 0P
- jumlah
:+ 4P
- dikurangi untuk
aktifasi glukosa dan fruktosa 6P: - 2P
+ 2P
Oksidasi piruvat
Dalam
jalur ini, piruvat dioksidasi (dekarboksilasi oksidatif) menjadi Asetil-KoA,
yang terjadi di dalam mitokondria sel. Jalur ini merupakan penghubung antara
glikolisis dengan siklus Kreb’s. Jalur ini juga merupakan konversi glukosa
menjadi asam lemak dan lemak dan sebaliknya dari senyawa non karbohidrat
menjadi karbohidrat.
Rangkaian
reaksi kimia yang terjadi dalam lintasan oksidasi piruvat adalah sebagai
berikut:
1.
Dengan adanya TDP (thiamine diphosphate), piruvat didekarboksilasi menjadi
hidroksietil TDP terikat oleh komponen kompleks enzim piruvat dehidrogenase.
Produk sisa yang dihasilkan adalah CO2.
2.
Hidroksietil TDP bertemu dengan lipoamid teroksidasi, suatu kelompok prostetik
dihidroksilipoil transasetilase untuk membentuk asetil lipoamid, selanjutnya
TDP lepas.
3.
Selanjutnya dengan adanya KoA-SH, asetil lipoamid akan diubah menjadi asetil
KoA, dengan hasil sampingan berupa lipoamid tereduksi.
4.
Siklus ini selesai jika lipoamid tereduksi direoksidasi oleh flavoprotein yang
mengandung FAD, pada kehadiran dihidrolipoil dehidrogenase. Flavoprotein
tereduksi dioksidasi oleh NAD+, sehingga memindahkan ekuivalen
pereduksi kepada rantai respirasi.
Piruvat +
NAD+ + KoA à Asetil KoA + NADH + H+ + CO2
Siklus
asam sitrat
Siklus asam
sitrat juga sering disebut sebagai siklus Kreb’s atau siklus asam
trikarboksilat dan berlangsung di dalam mitokondria. Siklus asam sitrat
merupakan jalur akhir bersama oksidasi karbohidrat, lipid dan protein. Siklus
asam sitrat merupakan rangkaian reaksi katabolisme asetil KoA yang menghasilkan
energi dalam bentuk ATP.
Selama
proses oksidasi asetil KoA, terbentuk ekuivalen pereduksi berbentuk hidrogen
atau elektron. Unsur ekuivalen pereduksi ini kemudian memasuki rantai respirasi
(proses fosforilasi oksidatif) menghasilkan ATP. Pada keadaan tanpa oksigen
(anoksia) atau kekurangan oksigen (hipoksia) terjadi hambatan total pada siklus
tersebut.
Reaksi-reaksi
pada siklus asam sitrat diuraikan sebagai berikut:
1. Kondensasi
asetil KoA dengan oksaloasetat membentuk sitrat, dikatalisir sitrat sintase.
Asetil KoA + Oksaloasetat + H2O à Sitrat + KoA
2. Sitrat
dikonversi menjadi isositrat oleh enzim akonitase (akonitat hidratase) yang
mengandung besi Fe2+. Konversi berlangsung dalam 2 tahap, yaitu: dehidrasi
menjadi sis-akonitat dan rehidrasi menjadi isositrat.
3. Isositrat
mengalami dehidrogenasi menjadi oksalosuksinat dibantu enzim isositrat
dehidrogenase, yang bergantung NAD+.
Isositrat + NAD+ « Oksalosuksinat « µ–ketoglutarat + CO2
+ NADH + H+
(terikat enzim)
Kemudian
terjadi dekarboksilasi menjadi µ–ketoglutarat yang juga dikatalisir oleh enzim
isositrat dehidrogenase. Mn2+ atau Mg2+ berperan penting
dalam reaksi dekarboksilasi.
4. µ–ketoglutarat
mengalami dekarboksilasi oksidatif menjadi suksinil KoA dengan bantuan kompleks
µ–ketoglutarat dehidrogenase, dengan kofaktor misalnya TDP, lipoat, NAD+,
FAD serta KoA.
µ–ketoglutarat + NAD+ + KoA à Suksinil KoA + CO2 +
NADH + H+
5. Suksinil
KoA berubah menjadi suksinat dengan bantuan suksinat tiokinase (suksinil KoA
sintetase).
Suksinil KoA + Pi + ADP « Suksinat + ATP + KoA
6. Suksinat
mengalami dehidrogenasi menjadi fumarat dengan peran suksinat dehidrogenase
yang mengandung FAD.
Suksinat + FAD « Fumarat + FADH2
7. Fumarat
mendapatkan penambahan air menjadi malat dengan bantuan enzim fumarase (fumarat
hidratase)
Fumarat + H2O « L-malat
8. Malat
mengalami hidrogensi menjadi oksaloasetat dengan katalisator malat
dehidrogenase, suatu reaksi yang memerlukan NAD+.
L-Malat + NAD+ « oksaloasetat + NADH + H+
Energi yang dihasilkan dalam
siklus asam sitrat
Pada
proses oksidasi asetil KoA, dihasilkan 3 molekul NADH dan 1 FADH2.
Sejumlah ekuivalen pereduksi dipindahkan ke rantai respirasi dalam membran
interna mitokondria. Ekuivalen pereduksi NADH menghasilkan 3 ikatan fosfat
berenergi tinggi (esterifikasi ADP menjadi ATP). FADH2 menghasilkan
2 ikatan fosfat berenergi tinggi. Fosfat berenergi tinggi juga dihasilkan pada
tingkat siklus (tingkat substrat) saat suksinil KoA diubah menjadi suksinat.
Dengan
demikian rincian energi yang dihasilkan dalam siklus asam sitrat adalah:
1. Tiga
molekul NADH, menghasilkan
: 3 X
3P = 9P
2. Satu
molekul FADH2,
menghasilkan : 1 x
2P = 2P
3. Pada
tingkat
substrat
= 1P
Jumlah
= 12P
Satu
siklus Kreb’s akan menghasilkan energi 3P + 3P + 1P + 2P + 3P= 12P.
Kalau kita
hubungkan jalur glikolisis, oksidasi piruvat dan siklus Kreb’s, akan dapat kita
hitung bahwa 1 mol glukosa jika dibakar sempurna (aerob) akan menghasilkan
energi dengan rincian sebagai berikut:
1.
Glikolisis
: 8P
2.
Oksidasi piruvat (2 x
3P)
: 6P
3.
Siklus Kreb’s (2 x
12P)
: 24P
Jumlah
: 38P
Glikogenesis
Tahap
pertama metabolisme karbohidrat adalah pemecahan glukosa (glikolisis) menjadi
piruvat. Selanjutnya piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA. Akhirnya asetil KoA
masuk ke dalam rangkaian siklus asam sitrat untuk dikatabolisir menjadi energi.
Proses di
atas terjadi jika kita membutuhkan energi, misalnya untuk berpikir, mencerna
makanan, bekerja dan sebagainya. Jika jumlah glukosa melampaui kebutuhan, maka
dirangkai menjadi glikogen untuk cadangan makanan melalui proses glikogenesis.
Glikogen
merupakan simpanan karbohidrat dalam tubuh dan analog dengan amilum pada
tumbuhan. Glikogen terdapat didalam hati (sampai 6%) dan otot jarang melampaui
jumlah 1%. Tetapi karena massa otot jauh lebih besar daripada hati, maka
besarnya simpanan glikogen di otot bisa mencapai tiga sampai empat kali
lebih banyak. Seperti amilum, glikogen merupakan polimer µ-D-Glukosa yang
bercabang.
Glikogen
otot adalah sumber heksosa untuk proses glikolisis di dalam otot itu sendiri.
Sedangkan glikogen hati adalah simpanan sumber heksosa untuk dikirim keluar
guna mempertahankan kadar glukosa darah, khususnya di antara waktu makan.
Setelah 12-18 jam puasa, hampir semua simpanan glikogen hati terkuras. Tetapi
glikogen otot hanya terkuras setelah seseorang melakukan olahraga yang berat
dan lama.
Rangkaian
proses terjadinya glikogenesis digambarkan sebagai berikut:
1. Glukosa
mengalami fosforilasi menjadi glukosa 6-fosfat (reaksi yang lazim terjadi juga
pada lintasan glikolisis). Di otot reaksi ini dikatalisir oleh heksokinase
sedangkan di hati oleh glukokinase.
2. Glukosa
6-fosfat diubah menjadi glukosa 1-fosfat dalam reaksi dengan bantuan
katalisator enzim fosfoglukomutase. Enzim itu sendiri akan mengalami
fosforilasi dan gugus fosfo akan mengambil bagian di dalam reaksi reversible
yang intermediatnya adalah glukosa 1,6-bifosfat.
Enz-P +
Glukosa 6-fosfat «Enz + Glukosa 1,6-bifosfat « Enz-P + Glukosa 1-fosfat
3. Selanjutnya
glukosa 1-fosfat bereaksi dengan uridin trifosfat (UTP) untuk membentuk uridin
difosfat glukosa (UDPGlc). Reaksi ini dikatalisir oleh enzim UDPGlc
pirofosforilase.
UTP +
Glukosa 1-fosfat « UDPGlc + PPi
4. Hidrolisis
pirofosfat inorganic berikutnya oleh enzim pirofosfatase inorganik akan menarik
reaksi kea rah kanan persamaan reaksi
5. Atom
C1 pada glukosa yang diaktifkan oleh UDPGlc membentuk ikatan
glikosidik dengan atom C4 pada residu glukosa terminal glikogen,
sehingga membebaskan uridin difosfat. Reaksi ini dikatalisir oleh enzim
glikogen sintase. Molekul glikogen yang sudah ada sebelumnya (disebut glikogen
primer) harus ada untuk memulai reaksi ini. Glikogen primer selanjutnya dapat
terbentuk pada primer protein yang dikenal sebagai glikogenin.
UDPGlc +
(C6)n à UDP + (C6)n+1
Glikogen
Glikogen
Residu
glukosa yang lebih lanjut melekat pada posisi 1à4 untuk membentuk rantai pendek
yang diaktifkan oleh glikogen sintase. Pada otot rangka glikogenin tetap
melekat pada pusat molekul glikogen, sedangkan di hati terdapat jumlah molekul
glikogen yang melebihi jumlah molekul glikogenin.
6. Setelah
rantai dari glikogen primer diperpanjang dengan penambahan glukosa tersebut hingga
mencapai minimal 11 residu glukosa, maka enzim pembentuk cabang memindahkan
bagian dari rantai 1à4 (panjang minimal 6 residu glukosa) pada rantai yang
berdekatan untuk membentuk rangkaian 1à6 sehingga membuat titik cabang pada
molekul tersebut. Cabang-cabang ini akan tumbuh dengan penambahan lebih lanjut
1àglukosil dan pembentukan cabang selanjutnya. Setelah jumlah residu terminal
yang non reduktif bertambah, jumlah total tapak reaktif dalam molekul akan
meningkat sehingga akan mempercepat glikogenesis maupun glikogenolisis.
setiap
penambahan 1 glukosa pada glikogen dikatalisir oleh enzim glikogen sintase.
Sekelompok glukosa dalam rangkaian linier dapat putus dari glikogen induknya
dan berpindah tempat untuk membentuk cabang. Enzim yang berperan dalam tahap
ini adalah enzim pembentuk cabang (branching enzyme).
Glikogenolisis
Jika
glukosa dari diet tidak dapat mencukupi kebutuhan, maka glikogen harus dipecah
untuk mendapatkan glukosa sebagai sumber energi. Proses ini dinamakan
glikogenolisis. Glikogenolisis seakan-akan kebalikan dari glikogenesis, akan
tetapi sebenarnya tidak demikian. Untuk memutuskan ikatan glukosa satu demi
satu dari glikogen diperlukan enzim fosforilase. Enzim ini spesifik untuk
proses fosforolisis rangkaian 1à4 glikogen untuk menghasilkan glukosa 1-fosfat.
Residu glukosil terminal pada rantai paling luar molekul glikogen dibuang
secara berurutan sampai kurang lebih ada 4 buah residu glukosa yang tersisa
pada tiap sisi cabang 1à6.
(C6)n + Pi à (C6)n-1
+ Glukosa 1-fosfat
Glikogen Glikogen
Glukan
transferase dibutuhkan sebagai katalisator pemindahan unit trisakarida dari
satu cabang ke cabang lainnya sehingga membuat titik cabang 1à6 terpajan. Hidrolisis
ikatan 1à6 memerlukan kerja enzim enzim pemutus cabang (debranching enzyme)
yang spesifik. Dengan pemutusan cabang tersebut, maka kerja enzim fosforilase
selanjutnya dapat berlangsung.
Glukoneogenesis
Glukoneogenesis
terjadi jika sumber energi dari karbohidrat tidak tersedia lagi. Maka tubuh
adalah menggunakan lemak sebagai sumber energi. Jika lemak juga tak tersedia,
barulah memecah protein untuk energi yang sesungguhnya protein berperan pokok
sebagai pembangun tubuh.
Jadi bisa
disimpulkan bahwa glukoneogenesis adalah proses pembentukan glukosa dari
senyawa-senyawa non karbohidrat, bisa dari lipid maupun protein.
Secara
ringkas, jalur glukoneogenesis dari bahan lipid maupun protein dijelaskan
sebagai berikut:
1.
Lipid terpecah menjadi komponen penyusunnya yaitu asam lemak dan gliserol. Asam
lemak dapat dioksidasi menjadi asetil KoA. Selanjutnya asetil KoA masuk dalam
siklus Kreb’s. Sementara itu gliserol masuk dalam jalur glikolisis.
2. Untuk
protein, asam-asam amino penyusunnya akan masuk ke dalam siklus Kreb’s.
sumber : http://niayulianty.blogspot.com/2012/04/metabolisme-karbohidrat-protein-dan.html