Biokimia STIKes Dharma Husada Bandung Sekolah Tinggi Ilmu Kesehatan Dharma Husada Bandung SK.MENDIKNAS No. 127/D/0/2002 Jl. Terusan Jakarta No 75 Telp/Fax. 022-7204803 Antapani Bandung http//stikesdhb.ac.id email : [email protected] KARBOHIDRAT Lilis Hadiyati, S.Si., M.Kes. 1 Karbohidrat (glycans) memiliki bentuk dasar: I (CH2O)n or H - C - OH I Monosakarida – Gula sederhana dengan gugus –OH ganda. Berdasarkan gugus karbon (3, 4, 5, 6), monosakarida terdiri dari triosa, tetrosa, pentosa or hexosa. Disakarida - 2 monosakarida dengan ikatan kovalen. Oligosakarida – beberapa monosakarida dengan ikatan kovalen. Polisakarida – polimer yang terdiri dari rantai unit monosakarida dan disakarida 2 Monosakarida Aldosa (e.g., glucosa) memiliki gugus aldehid di ujung H Ketosa (e.g., fructosa) memiliki gugus keton group, biasanya di C2. O CH2OH C C O HO C H OH H C OH OH H C OH H C OH HO C H H C H C CH2OH CH2OH D-glucose D-fructose 3 Desain D vs L CHO CHO Desain D & L H C OH didasarkan pada gugus CH2OH asimetrik C pada gliseraldehid D-glyceraldehyde Digambarkan melalui Fischer Projections. HO C OH CH2OH D-glyceraldehyde H CH2OH L-glyceraldehyde CHO H C CHO HO C H CH2OH L-glyceraldehyde 4 Gula D & L merupakan Cermin satu sama lain. Memiliki nama yang sama e.g., D-glucose & L-glucose. stereoisomer memiliki Nama yang unik, e.g., glukosa, manosa, galaktosa, dll. O H C H – C – OH HO – C – H H – C – OH H – C – OH CH2OH D-glucose O H C HO – C – H H – C – OH HO – C – H HO – C – H CH2OH L-glucose Jumlah stereoisomer adalah 2n, dimana n menunjukkan jumlah C yang terdapat di tengah asimetrik. Aldosa 6-C memiliki 4 pusat asimetrik. Sehingga memiliki 16 stereoisomer (8 D-sugars and 8 L-sugars). 5 Hemiacetal & Hemiketal Aldehid dapat bereaksi dengan alkohol membentuk hemiasetal. Keton bereaksi dengan alkohol membentuk hemiketal. H C H O + R' OH R' O R OH R aldehyde alcohol hemiacetal R C C R O + "R OH R' ketone "R O C OH R' alcohol hemiketal 6 Pentosa dan heksosa dpt membentuk siklin spt halnya keton & aldehid dg gugus OH di bagian distal Gugus Glukosa dg bentuk hemiacetal, dimana C1-aldehid bereaksi dg C5OH membentuk cincin piranosa, disebut piran. 1 H HO H H 2 3 4 5 6 CHO C OH C H C OH (linear form) C OH D-glucose CH2OH 6 CH2OH 6 CH2OH 5 H 4 OH H OH 3 H O H H 1 2 OH 5 H 4 OH OH -D-glucose Bentuk ini disebut dengan proyeksi Haworth H OH 3 H O OH H 1 H 2 OH -D-glucose 7 Different Forms of Glucose 8 Monosakarida C6H12O6 9 CH2OH 1 HO H H 2C O C H C OH C OH 3 4 5 6 HOH2C 6 CH2OH D-fructose (linear) H 5 H 1 CH2OH O 4 OH HO 2 3 OH H -D-fructofuranose Bentuk Fruktosa Cincin piranosa-6, reaksi pada C2-keto dengan C6-OH Cincin piranosa-6, reaksi pada C2-keto dengan C5-OH 10 6 CH2OH 6 CH2OH 5 H 4 OH O H OH 3 H H 2 OH -D-glucose H 1 OH 5 H 4 OH H OH 3 H O OH H 1 2 H OH -D-glucose Siklisasi glukosa menghasilkan pusat asimetrik pada C1. 2 stereoisomer ini disebut anomers, & . Proyeksi Haworth menunjukkan gula siklik dg cincin planar di tengah, gugus OH berada pada anomerik C1: (OH di bawah cincin) (OH diatas cincin). 11 H OH 4 H OH 6 H O HO HO H O HO H HO 5 3 H H 2 H OH 1 OH -D-glucopyranose H OH OH H -D-glucopyranose Karena struktur ikatan karbonnya berbentuk tetrahedral, bentuk gula piranosa disebut "chair" atau "boat” Bentuk ini lebih akurat dibandingkan proyeksi Haworth 12 Turunan Gula CHO COOH CH2OH H C OH H C OH H C OH CH2OH D-ribitol H C OH HO C H OH H C OH OH H C OH H C OH HO C H H C H C CH2OH COOH D-gluconic acid D-glucuronic acid Alkohol – tidak memiliki gugus aldehid atau keton; e.g., ribitol. Gula asam - gugus aldehid pada C1, OH pada C6, dioksidasi menjadi asam karboksilat; e.g., gluconic acid, glucuronic acid. 13 Turunan Gula CH2OH CH2OH O H H OH H H OH H OH OH H NH2 -D-glucosamine O H H H O OH OH H N C CH3 H -D-N-acetylglucosamine Gula amino - adanya substitusi grup amino pada gugus hidroksil. Ex: glukosamin. Grup amino dapat terasetilasi menjadi Nasetilglukosamin. 14 H O H3C C O NH R H COO H R= OH H HC OH HC OH CH2OH OH H N-acetylneuraminate (sialic acid) N-acetylneuraminate (N-acetylneuraminic acid, atau sialic acid) banyak ditemukan di bagian ujung oligosakarida pada rantai glikoprotein. Sialic acid memberi ion negatif pada glikoprotein, karena gugus karboksil menyumbang proton pada pH fisiologis. 15 Ikatan Glikosida Hidroksil anomerik dan hidroksil dari gugus gula lain dapat bergabung membentuk ikatan glikosida: R-OH + HO-R' R-O-R' + H2O Misal: Metanol bereaksi dengan gugus OH pada glukosa dari metil glukosida (metil-glukopiranosa). H OH H OH H2O H O HO HO H H H + CH3-OH H O HO HO H OH H OH -D-glucopyranose methanol H OH OCH3 16 methyl--D-glucopyranose Disakarida: Maltosa, turunan dari pati (e.g., amilosa), merupakan disakarida dg gugus (1 4) glikosidat antara C1 - C4 OH dari 2 glukosa. Merupakan anomer 6 CH2OH 6 CH2OH H 5 O H OH 4 OH 3 H H H 1 H 4 4 maltose OH H H 1 OH 2 H OH 2OH H H 1 O 4 5 O H OH H H 3 H 6 CH O H OH H OH 3 OH 5 O O 2 6 CH2OH H 5 2 OH 3 cellobiose H 2 OH 1 H OH Cellobiosa, turunan selulosa, Ekivalen dg anomer (O pada C1). 17 Disakarida meliputi: Sukrosa, gula yg umum, memiliki ikatan glikosida antara glukosa & fruktosa. nama kimia sukrosa adalah -D-glukopiranosil-(12)-D-fruktopiranosa.) Laktosa, gula susu, tersusun dari galaktosa & glukosa, dg ikatan (14) pada OH dari galaktosa. Nama lengkapnya adalah -D-galaktopiranosil-(1 4)--Dglukopiranosa 18 Bentuk Disakarida 19 Hidrolisis Disakarida 20 CH2OH H O H OH H H H 1 O OH 6CH OH 2 5 O H 4 OH 3 H OH H H H H 1 O H OH CH2OH CH2OH CH2OH H H H O H OH H O O H H O H OH H H O OH 2 OH H OH H OH H OH amylose Polisakarida: Tanaman menyimpan glukosa sebagai amilosa atau amilopektin, polimer glukosa disebut dengan pati. Bentuk glukosa dalam keadaan polimer dapat mengurangi tekanan osmosis Amilosa merupakan polimer glukosa dg ikatan (14). 21 CH2OH CH2OH O H H OH H H OH H O OH CH2OH H H OH H H OH H H OH CH2OH O H OH O H OH H H O O H OH H H OH H H O 4 amylopectin H 1 O 6 CH2 5 H OH 3 H CH2OH O H 2 OH H H 1 O CH2OH O H 4 OH H H H H O OH O H OH H H OH H OH Amilopektin mrp polimer glukosa dengan ikatan (14) namun memiliki cabang pada (16). Cabang umumnya lebih panjang dibandingkan gambar tsb. Percabangan ini menghasilkan struktur yang padat & menyediakan rantai ganda yg memungkinkan enzim dpt berikatan dg bagian ujung rantainya. 22 CH2OH CH2OH O H H OH H H OH H O OH CH2OH H H OH H H OH H H OH CH2OH O H OH O H OH H H O O H OH H H OH H H O 4 glycogen H 1 O 6 CH2 5 H OH 3 H CH2OH O H 2 OH H H 1 O CH2OH O H 4 OH H H H H O OH O H OH H H OH H OH Glikogen, merupakan polimer glukosa pada hewan, memiliki struktur yg sama dg amilopektin. Glikogen memiliki lebih banyak cabang (16) Banyaknya percabangan ini memungkinkan glukosa dapat lepas dg mudah dari glikogen, misalnya pd otot dlm keadaan olahraga. Mobilisasi glukosa ini penting tjd pada sel hewan & manusia 23 CH2OH H O H OH H OH H 1 O H H OH 6CH OH 2 5 O H 4 OH 3 H H H 1 2 OH O O H OH CH2OH CH2OH CH2OH H H O O H OH H OH O H O H OH H OH OH H H H H H H H OH cellulose Selulosa, komponen utama dinding sel tanaman, tersusun dari ikatan glukosa (14). Glukosa satu & lainnya saling menumpuk, berdasarkan ikatan Interaksi Van der Waals menyebabkan rantai selulosa bersifat kaku & kuat, dipadatkan dg crystalline yg tersusun dlm microfibrils. Schematic of arrangement of cellulose chains in a microfibril. 24 CH 2OH D-glucuronate 6COO H 4 6 5 H OH 3 H H 2 OH 1 H H OH O O H 4 O H 5 3 H 2 1 O H NHCOCH 3 N-acetyl-D-glucosamine hyaluronate Glikosaminoglikan (mucopolisakarida) merupakan polimer linier disakarida. Komponen monosakarida dapat dimodifikasi, dg gugus acid (asam), amino, hidroksil sulfat, dll Glikosaminoglikan bermuatan negatif krn adanya gugus asam. 25 CH 2OH D-glucuronate 6 6COO H 4 5 H OH 3 H H 2 OH 1 H H OH O O H 4 O H 5 3 H 2 1 O H NHCOCH 3 N-acetyl-D-glucosamine hyaluronate Hyaluronate (hyaluronan) merupakan glikosaminoglikan yaitu disakarida dg 2 gugus glukosa, glukuronat (glucuronic acid) & N-acetyl-glucosamine. 26 core protein heparan sulfate glycosaminoglycan transmembrane -helix cytosol Proteoglikan mrp glikosaminoglikan yg dpt membentuk ikatan kovalen dg residu protein (serin) Rantai glikosaminoglikan disintesis oleh residu gula. 27 Proteoglikan dpt berikatan scr non kovalen dg matriks ekstraseluler hyaluronat melalui domain protein yg disebut link modules. Misalnya: • Sejumlah aggrecan proteoglikan berasosiasi dg hyaluronat di jaringan cartilago membentuk ikatan yg lbh kompleks • Versican, jenis lain proteoglikan, berikatan dg hyaluronat pd matriks extracellular di jaringan ikat halus. CH 2OH D-glucuronate 6 6COO H 4 5 H OH 3 H hyaluronate H 2 OH 1 H H OH O O H 4 O H 5 3 H 2 1 O H NHCOCH 3 N-acetyl-D-glucosamine 28 N-sulfo-glucosamine-6-sulfate iduronate-2-sulfate CH2OSO3 H H COO OH O O H O H H OH H H H H OSO3 O H NHSO3 heparin or heparan sulfate - examples of residues Heparan sulfat disintesis di permukaan membran sel berikatan dg protein integral menggantikan residu N-acetylglucosamine dan glucuronate. Selanjutnya, residu glucuronat dapat dikonversi mjd iduronic acid, sedangkan N-acetylglucosamine dpt mengalami deasetilasi dan atau sulfasi 29 PDB 1RID Heparin, mrp glycosaminoglycan terlarut yg ditemukan pd granula sel mast, memiliki struktur yg sama dg heparan sulfat namun mengalami sulfasi tingkat tinggi. Saat dilepas ke darah, dapat menghambat pembekuan darah dg cara heparin: (IDS-SGN)5 berinteraksi dg protein antithrombin. Heparin memiliki bentuk heliks C O N S 30 core protein heparan sulfate glycosaminoglycan Beberapa heparan sulfat permukaan sel glikosaminoglikan dpt transmembrane -helix membentuk ikatan kovalen dg protein integral pd plasma cytosol membran. Pada protein inti spt syndecan, proteoglikan heparan sulfat mrp struktur transmembrane -helix, Pada protein glypican proteoglikan heparan sulfat terikat pd permukaan luar membran plasma melalui ikatan kovalen dan dimodifikasi menjadi phosphatidylinositol lipid. 31 Protein terlibat dlm proses signaling & adhesion di permukaan sel u/ mengenali & mengikat heparan sulfat Misalnya ikatan beberapa growth factors (small proteins) ke reseptor permukaan sel dpt ditingkatkan oleh heparan sulfates. Regulasi enzim permukaan sel Sulf dapat memindahkan gugus sulfat ke bagian yg afinitasnya lebih baik N-sulfo-glucosamine-6-sulfate iduronate-2-sulfate CH2OSO3 H H COO OH O O H O H H OH H H H H OSO3 O H NHSO3 32 heparin or heparan sulfate - examples of residues C CH2OH Oligosakarida dapat berikatan kovalen dg lipid membran O H H OH O CH2 CH NH H O serine residue O H OH H HN C CH3 -D-N-acetylglucosamine Gugus O oligosakarida pada glikoprotein memiliki variasi yg cukup tinggi. Gugus ini mengikat protein melalui ikatan glikosida antara residu gula & OH pada serine atau threonine. Gugus O oligosakarida berperan dlm recognition, interaction, and enzyme regulation. 33 C CH2OH O H H OH O CH2 CH NH H O serine residue O H OH H HN C CH3 -D-N-acetylglucosamine N-acetilglukosamin (GlcNAc) mrp struktur yg umum ikatan antara glicosida dg protein serin atau threonine Sejumlah protein seluler, termasuk enzim & faktor transkripsi dikendalikan oleh ikatan bolak balik GlcNAc 34 Sejumlah protein disekresi oleh sel dan berikatan dg gugus N-oligosakarida. Penyakit Genetik terjadi akibat defisiensi sejumlah enzim yg terlibat dlm sintesis atau modifikasi oligosakarida dari glikoprotein. Rantai Karbohidrat dari plasma membran baik glikoprotein and glikolipid umumnya menghadap ke bagian luar sel. Senyawa ini berperan dlm interaksi dan pensinyalan, serta pembentukan lapisan pelindung di permukaan sel. 35 Lektin mrp glikoprotein yg dpt mengenali dan mengikat oligosakarida spesifik C-type lectin-like domain mrp ikatan Ca++yg dpt mengenali domain karbohidrat pd lectin hewan. Pengenalan/ikatan CHO pada glikoprotein, glikolipid & proteoglikan oleh lektin hewan berperan dlm: • Pengenalan sel • Adhesi sel ke matriks extracellular • Interaksi sel dg chemokines & growth factors • Pengenalan penyakit yg disebabkan oleh mikroorganisme • Inisiasi & pengendalian inflamasi. 36 Contoh lectin hewan: Mannan-binding lectin (MBL) mrp glikoprotein yg tdp dlm plasma darah. Senyawa ini mengikat karbohidrat permukaan sel mikroorganisme & dpt mempromosikan aktivitas fagositosis sbg bentuk respon imun. 37 Selectins mrp protein integral pd sel mamalia yg berperan dlm pengenalan & pengikatan selectin C-type lectin-like domain mrp outside bagian ujung dari segmen multi-domain extracellular yg cytosol mengarah keluar permukaan sel lectin domain transmembrane -helix cytoskeleton binding domain Cleavage site tdp di bagian transmembran -helix yg mengatur pelepasan lektin dr permukaan sel. Cytosolic domain mengatur interaksi aktin pd sitoskeleton 38 METABOLISME KARBOHIDRAT 40 METABOLISME KARBOHIDRAT • DIET BERVARIASI • FUNGSI KARBOHIDRAT TERUTAMA SEBAGAI SUMBER ENERGI (GLUKOSA ) • MONOSAKARIDA (HEKSOSA) HASIL PENCERNAAN KARBOHIDRAT TERUTAMA : * GLUKOSA * FRUKTOSA * GALAKTOSA • FRUKTOSA DAN GALAKTOSA DI HATI →GLUKOSA • Proses2 pada metabolisme karbohidrat : 1. Glikolisis 2. Glikogenesis 3. Glikogenolisis 4. HMP Shunt 5. Glukoneogenesis Kenapa metabolisme KH penting? • Glukosa adalah sumber energi utama • Kadar Glukosa darah harus seimbang antara 80-180g/dl • bila berlebih atau berkurang dari kadar normal gangguan kesehatan • Berlebih hiperglikemia Glukosa sangat reaktif merusak • Kekurangan hipoglikemia low batt GLIKOLISIS • Disebut juga EMBDEN MEYER HOFF PATHWAY • Terjadi di dalam sitosol • Glikolisis : oksidasi glukosa energi ( ATP ) Aerob Anaerob ( asam piruvat ) ( asam laktat ) • Pada keadaan aerob : Hasil akhirnya asam piruvat Masuk ke dalam mitokondria Asetil KoA Siklus Krebs ATP + CO2+ H2O Jalur Glikolisis • Reaksi2 pd Glikolisis pada umumnya berjalan 2 arah, kecuali reaksi berikut berjalan searah • GLIKOLISIS DI ERITROSIT : * Eritrosit dewasa tidak mempunyai inti sel dan organel sel (mitokondria) Rantai Respirasi dan Siklus Asam Sitrat tidak dapat terjadi * oksidasi glukosa di eritrosit selalu menghasilkan asam laktat GLIKOGENESIS • Sintesis glikogen dari glukosa • Terjadi di dalam hati dan otot • Reaksi 1 : Mg++ Glukosa + ATP Glukosa 6-p + ADP Glukokinase / Heksokinase • Reaksi 2 : Glukosa 6-p Glukosa 1-p Fosfoglukomutase • Reaksi 3 : Glukosa 1-p + UTP UDPG + Pirofosfat UDPG Pirofosforilase Enzim Glikogen sintetase ( sintase ) membentuk ikatan α-1,4 Glikosidik ( rantai lurus ) dr glikogen Enzim Pencabang ( Branching Enzyme ) membentuk ikatan α-1,6 Glikosidik ( rantai cabang ) dr glikogen Molekul glikogen seperti pohon + cabang + rantingnya SINTESIS GLIKOGEN SINTESIS GLIKOGEN Jalur glikogenesis dan glikogenolisis Glikogenesis Glikogenolisis GLIKOGENOLISIS • Proses pemecahan glikogen • Dalam otot : * tujuannya untuk mendapat energi bagi otot * hasil akhirnya : piruvat / laktat sebab glukosa 6P yg dihasilkan dr glikogenolisis masuk ke jalur glikolisis di otot • Dalam hati : * tujuannya : untuk mempertahankan kadar glukosa darah di antara dua waktu makan * Glukosa 6P akan diubah menjadi glukosa Glukosa 6P + H2O Glukosa + Pi Glukosa 6-fosfatase • Enzim Glukosa 6-fosfatase terdapat di : hati, ginjal dan epitel usus ( tetapi tidak terdapat di otot ) • Enzim Glikogen fosforilase → memutus ikatan α-1,4 glikosidik dr glikogen • Debranching enzyme → memutus ikatan α-1,6 glikosidik GLUKONEOGENESIS • Pembentukan glukosa dari bahan bukan karbohidrat • Pada mamalia terutama terjadi di : hati dan ginjal • Substrat : 1. Asam laktat → dr. otot, eritrosit 2. Gliserol → dr hidrolisis Triasilgliserol dlm jaringan lemak ( adiposa ) 3. Asam amino glukogenik 4. Asam propionat → pd ruminansia • Glukoneogenesis penting sekali untuk penyediaan glukosa bila karbohidrat tidak cukup dlm diet • Jaringan perlu pasokan glukosa kontinu sebagai sumber energi terutama sistem saraf dan eritrosit • Enzim bantuan : 1. Piruvat karboksilase 2. Fosfoenolpiruvat karboksikinase 3. Fruktosa 1,6 bifosfatase 4. Glukosa 6-fosfatase Jalur Glukoneogenesis HMP SHUNT (HEKSOSA MONO PHOSPHAT SHUNT) • • • • Disebut juga : Pentose Phosphate Pathway Merupakan jalan lain untuk oksidasi glukosa Tidak bertujuan menghasilkan energi ( ATP ) Aktif dalam : 1. Hati 2. Jar. Lemak 3. Klj. Korteks adrenal 4. Klj. Tiroid 5. Eritrosit 6. Kelenjar Mammae ( laktasi ) HMP SHUNT (HEKSOSA MONOPHOSPHAT SHUNT) • Fungsi utama jalur ini adalah untuk menghasilkan NADPH, yaitu dengan mereduksi NADP+. NADPH diperlukan untuk proses anabolik di luar mitokhondria, seperti sintesis asam lemak dan steroid. Fungsi yang lain adalah menghasilkan ribosa-5-fosfat untuk sintesis nukleotida dan asam nukleat. Jalur HMP Shunt GLUKOSA DARAH • Glukosa dapat dipakai oleh semua jaringan tubuh, disimpan : * hati dan otot → Glikogen * jaringan lemak → Triasilgliserol ( TG ) • Sumber glukosa darah : 1. Karbohidrat Makanan 2. Glikogenolisis hepar 3. Glukoneogenesis • Hormon yg mengatur glukosa darah : * Insulin * Hormon kelenjar Hipofisa anterior : Growth Hormone * Hormon kelenjar Medula adrenal : epinefrin, glukagon • PENGARUH HORMON : * Keadaan kadar glukosa darah ↓ merangsang sekresi hormon glukagon • Keadaan kadar glukosa darah ↑ merangsang sekresi hormon insulin * Keadaan darurat hormon adrenalin merangsang sekresi • Glukagon (hati) Pembentukan cAMP • Epinefrin (otot) 1. cAMP menghambat Glikogen sintase menghambat glikogenesis 2. cAMP memacu fosforilase memacu glikogenolisis • INSULIN : 1. Memacu glikogen sintase 2. Memacu fosfodiesterase yg akan memecah cAMP menjadi 5’AMP efek : memacu glikogenesis menghambat glikogenolisis