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)
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 glukosa 6-fosfat + ADP
2. Glukosa 6-fosfat diubah menjadi Fruktosa 6-fosfat dengan
bantuan enzim fosfoheksosa isomerase. Enzim ini hanya bekerja pada anomer
-glukosa 6-fosfat.
-D-glukosa 6-fosfat -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)
-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 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+ 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 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 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 –ketoglutarat + CO2 +
NADH + H+
(terikat enzim)
Kemudian terjadi dekarboksilasi menjadi –ketoglutarat yang
juga dikatalisir oleh enzim isositrat dehidrogenase. Mn2+ atau Mg2+ berperan
penting dalam reaksi dekarboksilasi.
4. ketoglutarat mengalami dekarboksilasi oksidatif menjadi
suksinil KoA dengan bantuan kompleks –ketoglutarat dehidrogenase, dengan
kofaktor misalnya TDP, lipoat, NAD+, FAD serta KoA.
–ketoglutarat + NAD+ + KoA 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