Metabolisme - Katabolisme Karbohidrat

Metabolisme merupakan rangkaian reaksi kimia yang diawali oleh substrat awal dan diakhiri dengan produk akhir, yang terjadi di dalam sel. Berbeda dengan reaksi kimia pada umumnya, reaksi kimia yang terjadi di dalam sel tidak bersifat bolak-balik, melainkan berjalan satu arah. Setiap produk suatu reaksi akan menjadi reaktan bagi reaksi berikutnya, sampai produk akhir dari suatu jalur metabolisme terbentuk.

Rangkaian Reaksi 1,2,3 dan 4 dalam satu jalur metabolisme. Dengan jalur ini A adalah substrat atau reaktan awal dan E adalah produk akhir

Berdasarkan tujuannya, metabolisme dibedakan menjadi katabolisme dan anabolisme. Katabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang substrat awalnya adalah molekul besar dan Produk akhimva adalah molekul kecil.

 

Penguraian Makromolekul menjadi Mikromolekul

Dengan kata lain, katabolisme adalah rangkaian reaksi yang bertujuan untuk pembongkaran atau penguraian suatu molekul. Biasanya katabolisme bersifat eksergonik (menghasilkan energi). Katabolisme memiliki dua fungsi, yaitu menyediakan bahan baku untuk sintesis molekul lain dan menyediakan energi kimia yang dibutuhkan untuk melakukan berbagai aktivitas kehidupan baik tingkat seluler maupun tingkat individu.

Sedangkan anabolisme adalah rangkaian reaksi kimia yang substrat awalnya adalah molekul kecil dan produk akhirnya adalah molekul besar. Dengan kata lain, anabolisme adalah rangkaian reaksi yang bertujuan untuk penyusunan atau sintesis molekul.

Pembentukan Makromolekul dari Mikromolekul

Salah satu contoh proses metabolisme adalah katabolisme dan anabolisme karbohidrat. Berikut ini akan diuraikan proses katabolisme dan anabolisme karbohidrat, serta keterkaitan antara kedua proses tersebut.

KATABOLISME KARBOHIDRAT

Katabolisme karbohidrat adalah pemecahan molekul karbohidrat menjadi unit-unit yang lebih kecil. Katabolisme karbohidrat meliputi proses pemecahan polisakarida menjadi monosakarida dan pemakaian glukosa (monosakarida) dalam proses respirasi untuk menghasilkan energi dalam bentuk ATP (adenosin trifosfat). ATP inilah yang digunakan oleh seluruh makhluk hidup untuk melakukan seluruh aktivitas kehidupan.

Karbohidrat akan masuk dalam reaksi respirasi dalam bentuk glukosa. Oleh karena itu, karbohidrat (polisakarida) harus diubah dahulu menjadi monosakarida (glukosa) dalam proses pencernaan.

Pemecahan Polisakarida Menjadi Monosakarida

Proses pemecahan polisakarida (pati) maupun disakarida menjadi monosakarida (gula sederhana)

glukosa, galaktosa, dan fruktosa terjadi di sepanjang saluran pencernaan dengan melibatkan berbagai enzim pencernaan.

Ketika makanan dikunyah, makanan akan bercampur dengan saliva yang mengandung enzim ptialin. Enzim ini menghidrolisis pati menjadi maltosa yang merupakan disakarida dan glukosa. Makanan berada di dalam mulut dalam waktu yang relatif singkat, sehingga hanya 3-5% pati yang telah terhidrolisis pada saat makanan ditelan.

Walaupun makanan tidak cukup lama berada dalam mulut, kerja ptialin dapat terus berlangsung selama satu jam setelah makanan memasuki lambung. Selanjutnya, kerja ptialin akan dihambat oleh asam yang dikeluarkan oleh lambung karena ptialin merupakan enzim yang tidak aktif saat pH medium turun di bawah 4. Di lambung, sekitar 30 - 40% pati dihidrolisis menjadi maltosa.

Di duodenum (usus dua belas jari), makanan bercampur dengan getah pankreas yang mengandung a-amilase. Enzim ini memiliki fungsi yang sama dengan enzim ptialin. Selanjutnya disakarida (laktosa, sukrosa, dan maltosa) dan polimer glukosa akan dipecah menjadi monosakarida oleh empat enzim, yaitu laktase, sukrase, maltase, dan a-dekstrinase yang disekresikan oleh sel epitel yang melapisi usus. Laktosa dipecah menjadi satu molekul glukosa dan satu molekul galaktosa. Sukrosa dipecah menjadi satu molekul glukosa dan satu molekul fruktosa. Maltosa dan polimer glukosa akan dipecah menjadi molekul-molekul glukosa.

 

Pemecahanan Polisakarida menjadi Monosakarida

Dalam makanan yang kita konsumsi, lebih dari 80% hasil katabolisme pati adalah glukosa, sedangkan galaktosa dan fruktosa hanya mewakili 20% dari makanan tersebut. Setelah penyerapan oleh usus halus, sebagian fruktosa dan hampir semua galaktosa dengan segera diubah menjadi glukosa. Dengan demikian sangat sedikit galaktosa dan fruktosa yang terdapat dalam sirkulasi darah.

Pemakaian Glukosa (Monosakarida) pada Respirasi dalam Sel

Glukosa (monosakarida) yang telah dipecah dalam saluran pencernaan, selanjutnya digunakan sebagai substrat dalam proses respirasi. Respirasi merupakan cara sel untuk mendapatkan energi dalam bentuk ATP (adenosin trifosfat) dan energi elektron tinggi (NADH2 = Nicotinamide Adenine Dinucleotide H2 dan FADH2 = Flavin Adenine Dinucleotide H2). Terdapat dua jenis respirasi, yaitu respirasi aerob dan anaerob.

Respirasi aerob

Respirasi aerob merupakan peristiwa pembakaran zat yang melibatkan oksigen dari pernapasan. Oksigen akan digunakan sebagai penerima elektron terakhir dalam pembentukan ATP. Respirasi pada tingkat organisme berupa pertukaran oksigen dengan karbon dioksida di dalam aiveoius paru-paru. Sedangkan respirasi pada  tingkat sel terjadi di dalam mitokondria. Secara singkat reaksi yang terjadi pada respirasi aerob adalah sebagai berikut:

C₆H₁₂O₆  + 6O₂         à à à            6CO₂       + 6H₂O + 36 ATP

Glukosa    + Oksigen à à à Karbondioksida +    Air   + Energi

Respirasi aerob terjadi dalam tiga tahap, yaitu glikolisin, siklus Krebs dan sistem transpor elektron. Hubungan antara glikolisin, siklus Krebs dan sistem transpor elektron serta tempat terjadinya di dalam sel dapat dilihat dari gambar berikut 

Proses Respirasi pada tingkat sel

• Glikosis
  
  Glikolisis terjadi di dalam sitoplasma sel. Pada tahap glikolisis, terjadi dua langkah reaksi yaitu langkah memerlukan energi dan langkah melepaskan energi. Saat langkah memerlukan energi, 2 molekul ATP diperlukan untuk mentransfer energi, 2 molekul ATP diperlukan untuk mentransfer gugus fosfat ke glukosa sehingga glukosa memiliki simpanan energi yang lebih tinggi. Energi ini diperlukan untuk reaksi selanjutnya, yaitu reaksi pelepasan energi.
  
  
  Jadi, dapat disimpulkan bahwa glikolisis adalah reaksi pelepasan energi yang memecah 1 molekul glukosa (terdiri dari 6 atom karbon) atau monosakarida yang lain menjadi 2 molekul asam piruvat (terdiri dari 3 atom karbon), 2 NADH (Nicotinanmide Adenine Dinucleotide H).

  

  Tahapan Glikolisis

      1) Penggunaan ATP menjadikan glukosa berikatan dengan fosfat anorganik menjadi glukosa-6-fosfat.
  2) Glukosa-6-fosfat mengalami perubahan struktur menjadi fruktosa-6-fosfat.3) Penggunaan ATP kembali menambah fosfat anorganik menjadi fruktosa-1,6-difosfat.4) Fruktosa-1,6-difosfat dipecah menjadi 2 molekul fosfogliseraldehid (PGAL).5) Setiap PGAL memberi 2 elektron dan 1 atom hidrogen kepada NAD+ untuk membentuk NADH.6) Masing-masing PGAL kembali berikatan dengan fosfat anorganik membentuk 1.3-difosfogliserat.7) Fosfat anorganik pada 1,3-difosfogliserat ditransfer ke ADP untuk membentuk ATP, dan 1.3-difosfogliseratmenjadi 3-fosfogliserat.8) Kemudian 3-fosfogliserat memindahkan gugus fosfat ke karbon kedua membentuk 2-fosfogliserat, lalu diikuti pelepasan H20 menyebabkan 2-fosfogliserat berubah menjadi 3-fosfoenol piruvat (PEP).
  9) Setiap PEP mentransfer fosfat anorganiknya kepada ADP untuk menghasilkan ATP, sehingga PEP berubah menjadi asam piruvat.
• Siklus Krebs
  
  Siklus Krebs merupakan tahap kedua respirasi aerob. Nama siklus ini berasal dari orang yang menemukan secara rinci tahap kedua respirasi aerob ini, yaitu Hans Krebs (tahun 1930-an). Siklus ini disebut juga siklus asam sitrat.
  
  Tahap awal siklus Krebs adalah 2 molekul asam piruvat yang dibentuk pada glikolisis meninggalkan sitoplasma dan memasuki mitokondria. Siklus Krebs terjadi di dalam mitokondria. Selama reaksi tersebut dilepaskan 3 molekul karbon dioksida, 4 NADH, 1 FADH2 (Flavin Adenine Dinucleotide H2), dan 1 ATP. Reaksi ini terjadi dua kali karena pada glikolisis, glukosa dipecah menjadi 2 molekul asam piruvat.

  

  Tahapan siklus Krebs

  Jadi, siklus Krebs merupakan reaksi tahap kedua dalam respirasi aerob yang menghasilkan 8 NADH, 2 FADH2, dan 2 ATP.
  a)      Asam piruvat hasil glikolisis memasuki mitokondria.
  b)      Asam piruvat melepaskan gugus karboksil dalam bentuk C02. Asam piruvat juga memberikan hidrogen dan elektron kepada NAD+, membentuk NADH. Selanjutnya koenzim bergabung dengan sisa 2 atom karbon dari asam piruvat membentuk asetil-KoA.
  c)  Asetil Ko-A mentransfer 2 atom karbonnya ke oksaloasetat membentuk sitrat. Koenzim A dilepaskan dari Asetil KoA. Penambahan dan pelepasan H20 mengubah sitrat menjadi asam isositrat.
  d) Asam isositrat melepaskan gugus karboksil dalam bentuk C02 dan terbentuk asam a-ketoglutarat. Hidrogen dan elektron ditransfer kepada NAD, membentuk NADH.
  e)   Asam a-ketoglutarat melepaskan gugus karboksil dalam bentuk C02, dan NADH terbentuk. Asam a-ketoglutarat berikatan dengan molekul koenzim A, membentuk suksinil-KoA.
  f)      Koenzim A dilepaskan dan digantikan oleh fosfat (berasal dari GTP). Fosfat terikat pada ADP membentuk ATP. Suksinil-KoA berubah menjadi asam suksinat.
  g)  Elektron dan hidrogen dari asam suksinat ditransfer ke FAD membentuk FADH2. Asam suksinat berubah menjadi asam fumarat.
  h)    Asam fumarat menggunakan H20 membentuk asam malat. Asam malat mentransfer hidrogen dan elektron ke NAD+ membentuk NADH. Asam malat berubah menjadi asam oksaloasetat yang akan digunakan dalam siklus Krebs selanjutnya.
• Sistem Transpor Elektron
  
  Transpor elektron terjadi di bagian membran dalam mitokondria. NADH dan FADH2 yang dihasilkan dari siklus Krebs dan glikolisis memberikan elektron dan H+ ke sistem transpor elektron. Oleh karena elektron bergerak melalui sistem transpor, H+ dipompa ke luar dari membran dalam mitokondria. Konsentrasi H+ di luar membran dalam mitokondria menimbulkan gradien elektron antara bagian luar dan bagian dalam membran dalam mitokondria. Akibatnya, ion H+ kembali menuju bagian dalam membran dalam mitokondria melalui ATP sintase. 

  

  Transpor elektron terjadi di bagian dalam mitokondria (beserta proses transpor elektron)

ATP sintase merupakan protein yang menempel di membran dalam mitokondria. Aliran H+ melalui protein transpor ini memacu pembentukan ATP dari ADP dan fosfat (Pi). Oksigen bebas menjaga pembentukan ATP terus berjalan, yaitu dengan menerima elektron yang dilepaskan pada akhir sistem transpor elektron. Oksigen akan bergabung dengan H+ membentuk air. ATP yang dihasilkan pada tahap ini adalah 32 ATP.

Jadi, dapat disimpulkan bahwa sistem transpor elektron adalah tahapan terakhir dari respirasi aerob ketika elektron dari reaksi intermediet (siklus Krebs) dialirkan berturut-turut pada enzim dan kofaktor membran dalam mitokondria, dan menyebabkan terjadinya gradien elektron yang mendorong sintesis ATP.

ATP yang dihasilkan dari pemecahan glukosa menjadi karbon dioksida dan air dalam respirasi aerob adalah 2 ATP hasil dari glikolisis + 2 ATP dari siklus Krebs + 32 ATP dari sistem transpor elektron (total 36 ATP).

Pada glikolisis dan siklus Krebs terdapat senyawa- senyawa antara yang berguna untuk bahan baku sintesis asam amino dan asam lemak, serta senyawa lain yari£ diperlukan tubuh. Misalnya, asam piruvat yang merupakan hasil akhir glikolisis merupakan hasil antara untuk bahan antara siklus Krebs) merupakan bahan dasar lain untuk asam amino yang berbeda. Sintesis asam amino dilakukan dengari cara penambahan gugus amina (aminasi) terhadap bahan yang telah disebutkan di atas. Asetil koenzim A juga merupakan bahan dasar untuk sintesis asam lemak dan kolesterol.

Respirasi anaerob

Respirasi anaerob merupakan respirasi yang tidak menggunakan oksigen sebagai penerima elektron akhir pada I saat pembentukan ATR Respirasi anaerob juga menggunakan I glukosa sebagai substrat. Respirasi anaerob merupakan proses fermentasi.

• Fermentasi

Beberapa organisme yang melakukan fermentasi di antaranya adalah bakteri dan protista yang hidup di rawa, lumpur, makanan yang diawetkan, atau tempat-tempat lain yang tidak mengandung oksigen. Beberapa organisme dapat menggunakan oksigen untuk respirasi, tetapi dapat juga melakukan fermentasi. Organisme seperti ini melakukan fermentasi jika lingkungannya miskin oksigen. Sel-sel otot juga dapat melakukan fermentasi jika sel-sel otot kekurangan oksigen.

Seperti pada respirasi aerob, glukosa merupakan substrat pada tahap awal fermentasi. Glukosa dipecah menjadi 2 molekul asam piruvat, 2 NADH, dan terbentuk 2 ATR Akan tetapi, reaksi fermentasi tidak secara sempurna memecah glukosa menjadi karbon dioksida dan air, sehingga ATP yang dihasilkan lebih sedikit dari jumlah ATP yang dihasilkan oleh glikolisis. Contoh fermentasi adalah fermentasi alkohol dan fermentasi asam laktat.

Fermentasi alkohol dilakukan oleh jamur ragi (yeast) secara anaerob. Sebagai substrat fermentasi adalah asam piruvat. Molekul piruvat (hasil glikolisis) difermentasi menjadi asetaldehid. NADH memberikan elektron dan hidrogen kepada asetaldehid, sehingga terbentuk produk akhir alkohol, yaitu etanol. Pada fermentasi alkohol ini dihasilkan 2 ATP.

Fermentasi asam laktat terjadi pada otot manusia saat melakukan kerja keras dan persediaan oksigen kurang mencukupi. Pada fermentasi asam laktat molekul asam piruvat hasil glikolisis menerima elektron dan hidrogen dari NADH. Transfer elektron dan hidrogen menghasilkan NAD kembali. Pada saat yang sama, asam piruvat diubah menjadi asam laktat menghasilkan 2 ATP. Kerja otot terus-menerus akan menimbulkan asam laktat dalam jumlah besar.

Tahapan Fermentasi alkohol

Penimbunan asam laktat pada otot menyebabkan elastisitas otot menjadi berkurang dan menimbulkan gejala kram serta kelelahan.

Tahapan Fermentasi Asam Laktat 

Perbandingan Energi antara Respirasi Aerob dan Fermentasi

Jika dibandingkan energi yang diperoleh dari respirasi aerob dengan energi dari fermentasi, respirasi aerob menghasilkan energi yang lebih besar. ATP yang dihasilkan respirasi aerob adalah 36 ATP untuk oksidasi satu molekul glukosa. Sebaliknya, dengan fermentasi hanya akan diperoleh total energi sebesar 2 ATP. Jadi energi respirasi aerob adalah 18 kali lipat lebih tinggi dibandingkan energi fermentasi. Salah satu alasan mengapa hal tersebut terjadi, karena respirasi aerob merupakan katabolisme sempurna yang menghasilkan C02 dan H20. Jadi, pembakaran yang dihasilkan optimum. Sebaliknya, hasil fermentasi adalah karbon yang masih reduktif, misalnya etanol dan asam laktat. Oleh karena itu, etanol masih menyisakan energi terikat di dalamnya, yang sesungguhnya masih dapat dibakar untuk menghasilkan energi lanjutan.