Tiga Jalur Alternatif Pembentukan Glukosa Menjadi Piruvat

E-LEARNING BIOKIMIA, k10
METABOLISME KARBOHIDRAT:
DEGRADASI KARBOHIDRAT DAN SINTESIS ATP
DAFTAR ISI
Halaman Judul…………………………………………………………………………………..1
Daftar Isi………………………………………………………………………………………...2
BAB I Pendahuluan……………………………………………………………………………..3
BAB 2 Isi
A. Tiga Jalur Alternatif Pembentukan Glukosa Menjadi Piruvat
1. Jalur ED (Entner Duodoroff)………………………………………………………..4
2. Jalur HMP(Hexosa Mono Phosfat)………………………………………………....5
3. Jalur Glikolisis……………………………………………………………………....6
B. Katabolisme Karbohidrat
1. Respirasi Anaerob (Fermentasi)
a. Fermentasi Alkohol…………………………………………………………….14
b. Fermentasi Asam Laktat………………………………………………………..14
2. Respirasi Aerob
a. Dekarboksilasi Oksidatif (DBO)………………………………………………..15
b. Daur Asam Sitrat (Siklu Krebs)………………………………………………...16
c. Transpor Elektron (Fosforilasi Oksidatif) ………………………………………23
C. Mekanisme Shuttle ……………………………………………………………………...25
D. Penghitungan ATP ……………………………………………………………………...28
Daftar Pustaka…………………………………………………………………………………..29
1
BAB I
PENDAHULUAN
Metabolisme adalah aktivitas sel yang amat terkoordinasi, mempunyai tujuan, dan
mencakup berbagai kerjasama banyak sistem multienzim. Terdapat dua fase pada
metabolisme yaitu, katabolisme dan anabolisme. Katabolisme merupakan proses
penguraian yang menyebabkan molekul organic nutrient seperti karbohidrat, lipid, dan
protein terurai menjadi bagian yang lebih kecil dan sederhana melalui reaksi-reaksi yang
bertahap.
Pada katabolisme, salah satu jalur alternative pembentukan piruvat yaitu
glikolisis, dapat terjadi secara aerob bila keadaan oksigen meencukupi sehingga akan
terjadi proses selanjutnya seperti siklus asam sitrat dan transport electron, serta anaerob
bila keadaan oksigen tidak memadai sehingga terjadi proses fermentasi.
Gambar 1. Penampang mitokondria.
Mitokondria adalah organel sel lonjong yang memiliki struktur kompleks sebagai
tempat terjadinya proses respirasi sebagai pembongkaran dari karbohidrat. Mitokondria
memiliki dua system membrane, yaitu membrane luar dan membrane dalam yang
berlipat-lipat. Membrane dalam yang berlipat-lipat disebut dengan krista. Selain itu,
mitokondria juga memiliki matriks mitokondria yang dibatasi membrane dalam.
Fungsi sel di dalam mitokondria sebagai tempat penghasil energy melalui proses
respirasi. Fosforilasi oksidatif berlangsung dalam membran dalam mitokondria,
sedangkan sebagian besar reaksi daur asam sitrat dan oksidasi asam lemak berlangsung
2
dalam matriks. Membran luar cukup permeable untuk sebagian besar molekul kecil dan
ion, karena mengandung banyak porin., protein transmembran dengan pori besar.
Sebaliknya, hampir tidak ada ion atau molekul polar yang dapat menembus membran.
BAB II. ISI
A. Tiga Jalur Alternatif Pembentukan Glukosa Menjadi Piruvat
1. Jalur ED (Entner Doudroff)
Jalur ini terjadi pada bakteri, terutama pada
Pseudomonas sp. Dengan
menggunakan substrat glukosa , maka tahapan-tahapannya adalah sebagai berikut:
Gambar 2. Jalur Entner-Duodoroff.
Keterangan:
a.
Mengubah glukosa menjadi glukosa-6-fosfat oleh ATP. ATP ini bertindak
untuk menjaga konsentrasi glukosa rendah.
b.
Mengoksidasi
gugus
aldehid
dari
glukosa-6-fosfat
menjadi
6
asam
fosfoglukonat.
3
c.
6 asam fosfoglukonat lalu mengalami dehidrasi menjadi 2 keto-3deoksi-6
fosfoglukonat dengan bantuan enzim 6 fosfat dehidrogenase yang merupakan
salah satu enzim kunci dalam reaksi jalur Entner Doudoroff (ED).
d.
2 keto-3deoksi-6fosfoglukonat akan dipecah oleh enzim KDPG aldose
menghasilkan piruvat dan gliseral dehid-3-fosfat.
e.
Gliseral dehid-3-fosfat ini akan masuk ke jalur glikolisis.
2. Jalur HMP (Hexosa Mono Phosfat)
Jalur ini terjadi pada sel tumbuhan dan sel hewan. Jalur ini juga dinamakan
jalur simpang fosfoglukonat, jalur metabolisme pentosa fosfat atau jalur simpang
heksosa monofosfat. Jalur ini merupakan alternatif untuk oksidasi glukosa.
Reaksi ini berguna untuk membentuk gula pentosa dll, untuk keperluan
biosintesis. Hasil dari jalur ini adalah menghasilkan NADPH dan ribosa. Pada
tahap pembentukan glukosa-6-fosfat ini membutuhkan ATP untuk pengaktifan
glukosa. Jika tidak ada ATP maka reaksi ini tidak akan berjalan.
Tahapannya :
4
Keterangan:
a. Megubah glukosa menjadi glukosa-6-fosfat dengan membutuhkan ATP.
Karena ATP tersebut sebagai pengaktif glukosa.
b. Glukosa 6 fosfat didehidrogenasi dengan bantuan suatu enzim dehidrogenase
menghasilkan 6-fosfoglukono lakton dan NADPH.
c. 6 fosfoglukonat mengalami oksidasi dan dekarboksilasi dengan bantuan enzim
6 fosfoglukonat dehidrogenase, membentuk ribulosa 5 fosfat dan 1 molekul
NADPH.
d. Selanjutnya ribulosa 5 fosfat berturut-turut diubah oleh enzim ribulosa fosfat
3-epimerase menjadi silulosa 5 fosfat. Silulosa 5– fosfat diubah menjadi
gliseraldehid 3-fosfat dan nantinya akan diubah menjadi piruvat.Pada reaksi
ini terbentuk 2 NADPH dan ribosa 5 fosfat.
5
* 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
* Glikolisis di dalam eritrosit mamalia ada jalan samping yg bertujuan untuk membentuk : 2,3-bifosfo Gli
serat
yg berfungsi untuk membantu melepas
ikatan HbO2 ( Oksihemoglobin ) menjadi Hb + O2
3. Jalur Glikolisis atau EMP (Embden, Meyerhof, dan Parnas)
Kata glikolisis (glycolysis) berarti ‘pemecahan gula’ dan itulah yang terjadi
dalam proses ini. Glikolisis merupakan suatu proses penguraian molekul glukosa
6
yang memiliki 6 atom karbon, dalam urutan proses glikolisis melibatkan 10 reaksi
enzimatik, untuk menghasilkan dua molekul asam piruvat, yang memiliki 3 atom
karbon. Glikolisis merupakan suatu lintas pusat universal dari katabolisme glukosa
yang dapat terjadi di sel hewan, sel tumbuhan, dan mikrobia. Jalur glikolisis ini
terjadi di sitoplasma sel. (Lehninger, 1982:73)
7
Gambar 3 Jalur Glikolisis
Dalam glikolisis ini melibatkan 10 enzim di dalamnya, kelima tahap pertama
menyusun fase persiapan, yang berfungsi untuk mengumpulakan rantai karbon semua
heksosa yang telah dimetabolisasi dalam satu bentuk produk umum, yaitu
Gliseraldehida 3-fosfat. Sedang fase kedua glikolisis, yang dilangsungkan oleh lima
enzim sisanya, yang menggambarkan hasil energy yang dibebaskan.
8
Fase pertama
1. Pembentukan Glukosa menjadi Glukosa 6-fosfat
Dalam proses pembentukan Glukosa 6-fosfat dari Glukosa melibatkan
enzim Heksokinase (terutama pada Sapi/Ruminansia) dan membutuhkan 1 ATP
yang berguna sebagai pengaktif Glukosa yang merupakan bahan awal dalam
proses ini. Jika Glukosa sudah aktif maka proses glikolisis selanjutnya akan
berjalan. Enzim Heksokinase adalah enzim kunci yang pertama dalam
glikolisisyang bersifat alosterik, dengan Glukosa 6-fosfat sebagai produk dan
inhibitornya (penghambat) bila dalam keadaan berlebih, sehingga akan bersifat
racun. Sedangkan pada hewan non ruminansia / unggas enzim glukokinase lebih
aktif. Kedua enzim tersebut mempunyai Km yang berbeda. Pada sapi Km
heksokinase Km 0,01 mM : punya afinitas yg tinggi (Km rendah) untuk glukosa
hal ini akan menjamin suplai glukosa untuk jaringan walau glukosa darah rendah.
Sedang pada Ayam enzim yg lebih berperan dlm glikolisis ini adalah glukokinase
Km 20mM (Km tinggi) akan bekerja optimal pd [glu] diatas 100 mg/dl, [glu]
darah normal 5mM.
Perubahan Glu menjadi G-1-P dikatalisis oleh enzim : Heksokinase dan
atau Glukokinase. Perbedaan kedua enzim tersebut adalah:
* Enzim Heksokinase :
- terdapat di sel otot ( selain hati dan pankreas )
- dihambat secara allosterik oleh produk akhirnya
- mempunyai afinitas tinggi terhadap glukosa Km 0,01mM.
* Enzim Glukokinase :
- terdapat di sel hati dan pankreas
- aktif pada saat konsentrasi glukosa darah tinggi Km 20mM.
* di jar. selain hati & pankreas, glukosa masuk glikolisis dikontrol oleh h. insulin
9
2. Pembentukan Fruktosa-6-fosfat dari Glukosa 6-fosfat
Dalam pembentukan Fruktosa-6-fosfat dari Glukosa 6-fosfat dibantu
dengan menggunakan enzim Fosfoglukoisomerase. Enzim ini mengubah aldose
menjadi ketosa.
3. Pembentukan Fruktosa- 1,6 bifosfat dari Fruktosa-6-fosfat
10
Pada bagian proses ini membutuhkan 1 ATP dan enzim Fosfofruktokinase
sebagai katalis. Enzim ini dapat terhambat jika ADP dalam keadaan berlebih,
sehingga tidak akan terjadi pembentukan ATP dan akan bersifat racun.
4. Pembentukan Gliseraldehida-3-fosfat dan Dihidroksiaceton fosfat dari
Fruktosa-6-fosfat
Dalam proses pembentukan ini, enzim yang mengatalisis adalah enzim
Aldolase yang memecah Fruktosa-6-fosfat menjadi dua molekul Gliseraldehida3-fosfat dan Dihidroksiaseton fosfat.
11
5. Akan tetapi dari kedua molekul Gliseraldehida-3-fosfat dan Dihidroksiaseton
fosfat, yang akan berlanjut untuk Fase Kedua hanya Gliseraldehida-3-fosfat. Hal
ini terjadi karena kecenderungan Dihidroksiaseton fosfat yang selalu berubah
menjadi Gliseraldehida-3-fosfat melalui proses bolak-balik yang dibantu oleh
enzim Isomerase, sehingga berdampak pada proses fase kedua yang seluruh factor
dan produknya akan dikalikan dua.
Fase Kedua
6. Pembentukan 1,3 bifosfagliserat dari Gliseraldehida-3-fosfat
Pembentukan 1,3 bifosfagliserat dari Gliseraldehida-3-fosfat dikatalisis
oleh enzim Triosa fosfat dehydrogenase. Dalam pembentukan ini terdapat 2
NAD+yang menghasilkan 2 NADH+ + 2H+.2 NADH+ini merupakan bentuk lain
dari ATP.
7. Pembentukan 3-fosfogliseratdari 1,3 bifosfagliserat
Untuk menjadi 3-fosfogliserat dari 1,3 bifosfagliserat dibutuhkan enzim
Fosfogliserokinase yang mengatalisis 1,3 bifosfagliserat dan menghasilkan 2 ATP
dalam prosenya. Enzim Fosfogliserokinase merupakan enzim kunci yang kedua
setelah enzim Heksokinase. Sedangkan 2 ATP yang dihasilkan merupakan hasil
dari fosforilasi pada tingkat substrat yang artinya pembentuka ATP dari hasil
pemecahan substrat.
12
8. Pembentukan 2-fosfogliserat dari 3-fosfogliserat
Dalam reaksi 3-fosfogliserat menjadi 2-fosfogliserat ini dikatalisis olah
enzim Fosfogliseromutase.
9. Pembentukan Fosfoenol piruvat dari 2-fosfogliserat
Dalam proses ini untuk menjadi Fosfoenol piruvat, 2-fosfogliserat dienolase kemudian melepaskan 2 molekul H2O.
13
10. Pembentukan Piruvat dari Fosfoenol piruvat
Pembentukan Piruvat dari Fosfoenol piruvat merupakan reaksi terakhir.
Dalam reaksi ini dihasilkan ATP dan piruvat secara bersamaan. Reaksi ini
menggunakan katalisis enzim Piruvat kinase.
14
Secara ringkas, persamaan keseluruhan bagi glikolisis dalam hal ini adalah
Glukosa + 2Pi+ 2ADP + 2NAD+ 2 Piruvat - + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O
(Lehninger, 1982 : 90)
Jadi, hasil dari bersih proses glikolisis adalah 2 NADH, 2 ATP, dan 2 Piruvat.
Pemecahan Glukosa menjadi piruvat dari proses glikolisis ini dapat terjadi
dalam keadaan tanpa oksigen atau respirasi anaerob dan dengan oksigen atau
respirasi aerob. Respirasi anaerob meliputi fermentasi alcohol dan fermentasi
asam laktat, sedangkan respirasi aerob meliputi Dekarboksilasi Oksidatif (DBO)
dan Daur Asam Sitrat atau Siklus Krebs (Gambar ...)..
15
B. Katabolisme Karbohidrat
Piruvat yang dihasilkan dari proses glikolisis, pada keaadaan anaerob (tidak
membutuhkan oksigen), asam piruvat direduksi menjadi alkohol (etanol) dan asam laktat.
1. Respirasi Anaerob (Fermentasi)
a. Fermentasi Alkohol
Fermentasi alkohol terjadi pada ragi (misalnya Saccharomyces sp).
Contoh fermentasi alkohol pada proses pembuatan tape. Jalur metabolisme proses
ini sama dengan glikolisis sampai dengan terbentuknya piruvat. Reaksi ini
mengubah asam piruvat menjadi alkohol. Pembentukan alkohol terjadi dalam dua
tahap.
Pada
tahap pertama asam piruvat diubah menjadi asetaldehid dengan
melepaskan karbondioksida. Enzim yang berperan adalah enzim piruvat
dekarboksilase. Lalu tahap kedua asetaldehida diubah menjadi etanol dengan
mereduksi
NADH+H+ menjadi
NAD+.
Enzim
yang
berperan
alkohol
dehidrogenase. Dengan demikian, etanol dan CO2 merupakan hasil akhir
fermentasi alkohol , dan jumlah energi yang dihasilkan 2 ATP.
16
b. Fermentasi Asam Laktat
Asam piruvat diubah menjadi laktat dengan cara mereduksi NADH
menjadi NAD dengan bantuan enzim laktat dehidrogenase. Fermentasi ini terjadi
pada otot. Ada juga asam laktat yang terjadi pada proses pembuatan asam susu
(yakult). Pada fermentasi asam laktat ini berperan bakteri asam laktat (BAL).
Bakteri asam laktat (BAL) adalah kelompok bakteri gram positif berbentuk kokus
atau batang, tidak membentuk spora, suhu optimum ± 400C, pada umumnya
tidak motil, bersifat anaerob, katalase negatif dan oksidase positif, dengan asam
laktat sebagai produk utama fermentasi karbohidrat. Sifat-sifat khusus bakteri
asam laktat adalah mampu tumbuh pada kadar gula, alkohol, dan garam yang
tinggi, mampu memfermentasikan monosakarida dan disakarida.
Jadi hasil akhir 2 ATP, jumlah ini jauh lebih kecil dibandingkan dengan
energi yang dihasilkan oleh glikolisis aerob yaitu 8 ATP.
2. Respirasi Aerob
a. Dekarboksilasi Oksidatif
17
Piruvat
mengalami
dekarboksilasi
oksidatif,
yaitu
suatu
proses
dihidrogenasi yang melibatkan pemindahan gugus karboksil sebagai molekul CO2
dan gugus asetil sebagai asetil-KoA. Kedua atom hidrogen yang dilepaskan dari
piruvat muncul sebagai NADH dan H+. NADH yang terbentuk ini lalu
memberikan elektronnya kepada transport elektron (Lehninger,1982:115-116).
Reaksi yang dikatalis oleh kompleks piruvat dehidrogenase dalam matriks
mitokondria melibatkan 3 macam enzim yaitu enzim piruvat dehydrogenase (E1),
enzim dihidrolipoil transasetilase (E2), enzim dihidrolipoil dehydrogenase (E3).
Terdapat koenzim tiamin pirofosfat (TPP), lipoamida, dan FAD bertindak sebagai
kofaktor katalitik, disamping KoA dan NAD+ yang merupakan kofaktor
stoikiometrik.
Unit asetil aktil ini yang kemudian mengalami oksidasi sempurna menjadi
CO2 melalui daur asam sitrat (Siklus krebs). Daur asam sitrat merupakan jalur
metabolisme bersama untuk oksidasi molekul bahan bakar seperti asam amino,
lemak dan karbohidrat. Sebagian besar molekul yang masuk daur asam sitrat
sebagai asetil KoA.
b. Daur Asam Sitrat (Siklus Krebs)
Pada keadaan aerob, setelah jalur glikolisis yang mengubah glukosa
menjadi piruvat adalah dekarboksilasi oksidatif piruvat menjadi asetil koenzim A
(asetil KoA). Unit asetil aktif ini kemudian mengalami oksidasi sempurna
18
menjadi CO2 melalui daur asam sitrat, yang juga dikenal sebagai daur asam
trikarboksilat atau daur krebs. Daur asam sitrat merupakan jalur metabolisme
bersama untuk oksidasi molekul bahan bakar seperti asam amino, asam lemak,
dan karbohidrat. Sebagian besar molekul masuk daur asam sitrat sebagai asetil
KoA. Daur ini juga menyediakan senyawa antara untuk proses biosintesis. Pada
eukariot, reaksi daur asam sitrat berlangsung dalam mitokondria, berbeda dengan
glikolisis, yang berlangsung di sitosol (Gambar ...).
1) Pembentukan Sitrat
Daur asam sitrat dimulai dengan bergabungnya suatu unit empat
karbon, oksaloasetat, dengan sutau unit dua karbon, gugus asetil dari asetil
KoA. Oksaloasetat bereaksi dengan asetil KoA dan H2O menghasilkan sitrat
dan KoA. Reaksi ini merupakan kondensasi aldol diikuti oleh hidrolisis, yang
dikatalisis oleh enzim sitrat sintase. Oksaloasetat awalnya berkondendsasi
dengan asetil KoA membentuk sitril KoA, yang kemudian mengalami
hidrolisis menjadi sitrat dan KoA. Reaksi keseluruhan yang dikatalis :
19
Asetil KoA + oksaloasetat + H2O
sitrat + KoA-SH
2) Isomerisasi Sitrat menjadi Isositrat melalui sis-Akonitat
Enzim akonitasemengkatalis perubahan dapat balik sitrat menjadi
isositrat, melalui pembentukan senyawa antara asam trikarboksilat sisakonitat, yang biasanya tidak terdisosiasi dari sisi akrif enzim. Cara sitrat
menjadi isositrat adalah mula-mula terjadi dehidrasi menjadi sis-akonitat (yg
tetap terikat enzim) kemudian terjadi rehidrasi menjadi isositrat. Akonitase
mengkatalisa penambahan H2O secara dapat balik kepada ikatan ganda pada
sis-akonitat yang terkait oleh enzim dalam dua cara yang berbeda. Yang satu
menuju pembentukan sitrat dan yang satu menuju pembentukan isositrat
(Lehninger, 1982: 125).
3) Oksidasi dan dekarboksilasi isositrat menjadi -ketoglutarat dan CO2
Pada tahap selanjutnya, isositrat terdehidrogenasi menjadi αKetoglutarat dan CO2 oleh enzim isositrat dehidrogenase. Terdapat dua jenis
20
isositrat dehidrogenase, yang satu memerlukan NAD+ sebagai penerima
elektron, dan yang lain NADP+ yang lainnya. Reaksi keseluruhan yang
dikatalis oleh kedua isositrat dehidrogenase selain perbedaan diatas, bersifat
sama.
Terdapat dua jenis isositrat dehidrogenase,yang satu memerlukan
NAD+ sebagai penerima elektron, dan yang lainya NADP+ yang lain. Reaksi
keseluruhan yang dikatalis oleh kedua isositrat dehidrogenaseselain perbedaan
diatas bersifat sama. (Lehninger, 1982: 125)
21
4) Pembentukan Suksinil KoA
Perubahan isositrat menjadi -ketoglutarat diikuti oleh reaksi
dekarboksilasi oksidatif kedua, pembentukan suksinil KoA dari ketoglutarat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim kompleks -ketoglutarat
dehidrogenase yang terdiri dari tiga macam enzim.
Reaksi ini sebenarnya sama dengan reaksi piruvat dehidrogenase yang
didiskusikan sebelumnya, keduanya mengkatalis oksidasi suatu asan α-keto
dengan melepaskan gugus karboksil sebagai CO2 (Lehninger, 1982: 125).
5) Pembentukan senyawa fosfat energi tinggi dari suksinil KoA
Suksinil tioester dari KoA mengandung ikatan energi tinggi.
Pemutusan ikatan tioester suksinil KoA dirangkaikan dengan fosforilasi
guanosin difosfat (GDP). Reaksi reversibel ini dikatalis oleh enzim suksinil
KoA sintetase. Reaksi ini merupakan satu – satunya langkah dalam daur asam
sitrat yang langsung menghasilkan senyawa fosfat energi tinggi. GTP sendiri
digunakan sebagai donor fosfat pada sintesis protein. Di samping itu, terjadi
pemindahan gugus fosfat dari GTP ke ADP, sehingga terbentuk.
Enzim yang mengkatalis reaksi ini adalah suksinil-KoA sintetase,
menghasilkan suksinat bebas dan menyebabkan pembentukan gugus fosfat
terminal berenergi tinggi. GTP dari GDP dan Pi dengan mempergunakan
energy bebas yang dihasilkan pada pemecahan suksinil KoA.
22
GTP yang dibentuk oleh suksinil KoA sintetase, lalu dapat
memberikan gugus fosfat terminal kepada ADP, membentuk ATP, melalui
kerja dapat balik suatu nukleosida difosfokinase.
6) Pembentukan kembali oksaloasetat melalui oksidasi suksinat
Suksinat diubah menjadi oksaloasetat melalui tiga langkah, yaitu
dehidrogenase (oksidasi), hidrasi, dan dehidrogenase kedua (oksidasi kedua).
Dengan demikian terbentuk kembali oksaloasetat untuk putaran daur asam
sitrat berikutnya, sedangkan energy tertangkap dalam bentuk FADH2 dan
NADH.
1. Dehidrogenase Suksinat Menjadi Fumarat
Tahap selanjutnya, suksinat yang dibentuk dari suksinil KoA
dioksidasi menjadi fumarat oleh suatu enzim suksinat dehidrogenase.
Sebagai akseptor hidrogen digunakan FAD, bukan NAD. NAD+
23
digunakan pada reaksi oksidasi-reduksi yang lainnya pada daur asam
sitrat. Digunakannya FAD sebagai akseptor hidrogen dalam reaksi ini,
karena perubahan energi bebas tidak mencukupi untuk mereduksi NAD+.
FAD hamper selalu merupakan akseptor elektron dalam reaksi oksidasi
yang memindahkan dua atom hidrogen dari suatu substrat. Reaksi ini tidak
lewat NAD, dihambat oleh malonat
Suksinat + FAD
Fumarat + FADH2
2. Fumarat Terhidrasi Membentuk Malat
Hidrasi fumarat menjadi malat dikatalis oleh enzim fumarat
hidratase, atau lebih umum disebut fumarase
Fumarat + H2O
L-Malat
3. Malat Mengalami Dehidrogenase Membentuk Oksaloasetat
Pada reaksi terakhir siklus asam sitrat atau siklus krebs, enzim
malat dehidrogenase yang mengikat NAD yang terdapat di dalam matriks
mitokondria, mengkatalis dehidrogenase malat menjadi oksaloasetat.
24
L-Malat + NAD+
Oksaloasetat + NADH + H+
Reaksi total Siklus Krebs :
Asetil KoA + 3NAD+ + FAD + ADP (atau GDP) + Pi + H2O
2CO2 + KoA-SH + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + ATP ( atau GTP)
c. Transpor Elektron
Fosforilasi oksidatif adalah pembentukan ATP melalui transfor elektron.
Tempat terjadinya fosforelasi oksidatif adalah di lengkungan membran dalam
25
mitokondria. Sintesis ATP akan terjadi jika proton yaitu H+ dari ruang antarmembran kembali ke matriks. Ada beberapa komponen-komponen transfor
elektron pada fosforelasi oksidatif respirasi.
Gambar komponen
Transfor elektron melalui beberapa kompleks penerima elektron :
1. Kompleks I
Kompleks ini sering disebut pintu NADH.
2. Kompleks II
Kompleks ini sering disebut pintu FADH2
3. Kompleks III
Kompleks ini sering disebut sitokrom reduktase.
4. Kompleks IV
Kompleks ini sering disebut sitokrom oksidasi.
Proses penerimaan elektron dapat dijelaskan sebagai berikut :
1. Kompleks I
Di kompleks I NADH akan mengalami oksidasi :
NADH
NAD+ + H+ + 2e-
kemudian elektron akan ditangkap oleh FMN yang
mengalami reduksi :
26
NADH + H+ + FMN
NAD+ + FMNH2 + 2e- kemudian elektron akan diteruskan
ke Fe.S . Kemudian 2e- beserta ion H+akan diteruskan ke koenzim Q. Koenzim Q akan
mereduksi menjadi QH2. Ada atom hidrogen yang terpompa menuju ruang antarmembran.
Kompleks II
Kompleks ini sedikit berbeda dengan yang lain karena energi yang dihasilkan rendah
sehingga tidak memompa proton ke ruang antar-membran. Prosesnya adalah FADH2
akan mengalami oksidasi menjadi FAD kemudian elektron akan diteruskan menuju
koenzim Q oleh Fe.S. Koenzim Q akan mengalami reduksi menjadi QH2.
Kompleks III
Kompleks III terdapat sitokrom b, Fe.S, dan sitokrom c1. Prosesnya adalah elektron dari
koenzim Q akan ditangkap oleh sitokrom b dan kemudian akan dibawa oleh Fe.S menuju
sitokrom c1. Kemudian 2e- akan diteruskan menuju sitokrom c. Hal ini menyebabkan
perbedaan konsentrasi matriks dengan ruang antar-membran sehingga H+ akan dipompa
menuju ruang antar membran.
Kompleks IV
Tersusun oleh sitokrom a, dan sitokrom a3. Prosesnya adalah elektron dari sitokrom c
akan ditangkap oleh sitokrom a kemudian elektron tersebut akan diteruskan ke sitokrom
a3. Kemudian elektron dari sitokrom a3 akan diterima oleh O2 dan mengoksidasinya
menjadi air. Bersamaan dengan itu ada H+ yang dipompa ke ruang antar membran.
Karena di ruang antar-mambran terdapat banyak H+ maka akan terjadi beda konsentrasi
dengan matriks. Hal ini akan menyebabkan pindahnya H+ kembali ke matriks dan
aktifnya ATP sintase yang menyebabkan terbentuknya ATP. Perbedaan NADH dan
FADH2 adalah jika FADH2 langsung melalui kompleks II dan tidak melepaskan proton
ke ruang antar-membran sehingga hanya melepaska proton dari kompleks III dan IV.
Oleh karena itu hanya terbentuk 2 ATP.
27
C. Mekanisme Shuttle
Pada proses glikolisis menghasilkan ATP dan NADH, ATP (Adenosin Tri Fosfat)
merupakan suatu energy yang siap pakai, Sedangkan NADH (Nichotinamida Adenin
Dineukleotida) adalah energi yang serupa dengan ATP, namun dalam bentuk simpanan
lain yang nantinya akan di konveksi menjadi bentuk ATP. NADH belum bisa digunakan
apabila belum di konveksi menjadi bentuk ATP. NADH yang merupakan hasil proses
glikolisis tersimpan di dalam sitosol, dan untuk dapat diubah menjadi ATP harus
dipindahkan ke membrane dalam mitokondria. Pada mitokondria bagian membrane luar
tidak dapat ditembus oleh NADH, maka untuk dapat menembus membrane luar
mitokondria maka digunakanlah mekanisme Shuttle. Mekanisme shuttle dibagi menjadi
dua bagian, yaitu shuttle gliserol 3-fosfat dan shuttle Mallat. Dua shuttle (pengemban)
tersebut berbeda dalam hal reseptor (penerima) H+ yang terdapat di membran dalam
mitokondria pada otot jantung/ hati dan otot rangka.
Ada perbedaan dalam hasil akhir pembentukan ATP pada proses respirasi. Proses
respirasi yang berlangsung pada mitokondria di hati, ginjal, dan mitokondria jantung
menghasilkan 38 ATP untuk satu molekul glukosa yang dipecah, karena tahap akhir
respirasi aerob yaitu rantai transpor elektron berlangsung melalui sistem ulang-alik malat
aspartate. Sistem ulang-alik lain adalah ulang-alik gliserol-phosphat. Sistem ini hanya
menghasilkan 36 ATP untuk tiap mol glukosa, dan berlangsung di otot rangka dan otak.
1. Shuttle Gliserol 3-Fosfat
Hasil
glikolisis yang berupa NADH yang masih terdapat di sitosol akan
melepaskan H+ , kemudian diterima oleh NAD+ . Sebelum menjadi gliserol 3-fosfat harus
28
diubah dulu menjadi dihidroksi aseton fosfat, baru dapat diubah menjadi glisrol 3-fosfat
dengan bantuan enzim gliserol 3-fosfat dehidrogenase, setelah berubah menjadi gliserol 3
fosfat baru dapat menembus membrane luar mitokondria. Dari gliserol phospat ini
kemudian akan dihasilkan energi. Energi yang dihasilkan di membrane dalam
mitokondria bukan dalam bentuk NADH namun dalam bentuk FADH. Karena energi
yang dihasilkan dalam bentuk FADH maka hasil ATP yang dihasilkan akan berbeda.
Yaitu NADH yang setara dengan 3 ATP dan FADH setara dengan 2 ATP , maka di
mekanisme Shuttle Gliserol 3-Fosfat ini energi yang dihasilkan setara dengan 2 ATP,
bukan 3 ATP.
2. Shuttle Mallat
Hasil glikolisis yang berupa NADH yang masih terdapat di sitosol akan melepaskan H+ ,
kemudian diterima oleh NAD+. Untuk dapat menembus membrane luar mitokondria maka
maka oksaloasetat harus dirubah menjadi malat dengan bantuan enzim malat dehidrogenase.
Setelah menjadi malat, baru dapat menembus membrane luar mitokondria. NADH + H+ akan
diangkut ke mitokondria hanya apabila ratio NADH/NAD+lebih tinggi di sitosol dari pada di
matriks mitokondria (Styer (1981:323) cit. Sumadi dan Aditya Marianti,2007).
Dari malat yang telah berada dalam mitokondria kemudian dihasilkan energi dalam bentuk
NADH . Artinya hasilnya tetap, yaitu dari NADH yang di sitosol setelah masuk mitokondria
dihasilkan energi dalam bentuk NADH juga. Artinya hasilnya tetap, yaitu dari NADH yang
29
di sitosol setelah masuk mitokondria dihasilkan energi dalam bentuk NADH.Energi yang
dihasilkan dalam bentuk NADH maka hasil ATP nya akan sama, yaitu 3 ATP karena NADH
setara dengan 3 ATP.
D. Penghitungan ATP
Hasil dari reaksi glikolisis menghasilkan 2 NADH dan 2 ATP, 2 NADH ini
apabila melewati mekanisme shuttle gliserol 3 phospat akan menghasilkan 2FADH setara
dengan 4 ATP, kemudian di Siklus Krebs akan dihasilkan 6 NADH yang setara dengan
18 ATP dan juga 2 FADH2 yang setara dengan 4 ATP dan 2 ATP. Dan perubahan asam
piruvat menjadi Asetil koa menghasilkan 2 NADH sehingga setara dengan 6 ATP.
Sehingga jumlah ATP yang di dapatkan sebesar 36 ATP.Dan apabila pada reaksi
glikolisis menghasilkan 2 NADH melewati mekanisme shuttle Mallat maka akan
dihasilkan ATP sebesar 6 ATP. Sehingga jumlah ATP seluruhnya sebesar 38 ATP.
Perhitungan ATP apabila melewati mekanisme Shuttle Mallat:
TAHAPAN
ENERGI YANG DIPEROLEH
JUMLAH ATP
Glikolisis
2 NADH
2 ATP
6 ATP
2 ATP
2 NADH
6 ATP
6 NADH
2 FADH2
2 ATP
18 ATP
4 ATP
2 ATP
Asam piruvat  Asetil koa
Siklus asam sitrat (siklus
krebs)
Total ATP
38 ATP
Perhitungan ATP apabila melewati mekanisme shuttle gliserol 3 Phospat:
TAHAP
Glikolisis
Asam piruvat  Asetil koa
Siklus asam sitrat (siklus
krebs)
Total ATP
ENERGI YANG
DIPEROLEH
2 NADH
2 ATP
2 NADH
6 NADH
2 FADH2
2 ATP
JUMLAH ATP
4 ATP
2 ATP
6 ATP
18 ATP
4 ATP
2 ATP
36 ATP
30
SEBENARNYA
ATP
(ENERGI)
TIDAK
HANYA
BERASAL
DARI
OKSIDASI
KARBOHIDRAT, TETAPI DAPAT JUGA DARI OKSIDASI ASAM AMINO MAUPUN
GLISEROL (Gambar.....).
Lebih jelasnya lagi masuknya karbohidrat, lipid maupun protein ke dalam rangkaian
reaksi untuk menghasilkan energi, adalah seperti Gambar ....
31
32
Untuk hewan ruminansia jalur glikolisis diatas, tidak banyak terjadi tetapi
glukoneogenesis yang lebih sering terjadi sebagai reaksi penghasil energi (Gambar ....)
33
Metabolisme karbohidrat pada manusia meliputi:
•
Glikolisis, yaitu oksidasi glujkosa atau glikogen menjadi piruvat dan asam laktat melalui
Embden-Meyerhof Pathway (EMP).
•
Glikogenesis, yaitu sintesis glikogen dari glukosa.
•
Glikogenolisis, yaitu pemecahan glikogen, pada hepar hasil akhir adalah glukosa,
sedangkan di otot menjadi piruvat dan asam laktat
•
Siklus Krebs atau siklus asam trikarboksilat atau siklus asam sitra adalah suatu jalan
bersama dari oksidasi karbohidrat, lemak dan protein melalui asetil-Ko-A dan akan
dioksidasikan secara sempurna menjadi CO2 & H2O.
•
Heksosa Monofosfat Shunt atau siklus pentosa fosfat adalah suatu jalan lain dari oksidasi
glukosa selain EMP dan siklus Krebs.
•
Glukoneogenesis, yaitu pembentukan glukosa atau glikogen dari zat-zat bukan
karbohidrat.
34
•
Oksidasi asam piruvat menjadi asetil Ko-A, yaitu lanjutan dari glikolisis serta menjadi
penghubung antara glikolisis dan siklus Krebs.
Hati permeabel terhadap glukosa oleh adanya transporter glukosa GLUT2, sel ekstrahepatik
(kecuali pankreas) relatif tidak permeabel, perlu insulin utk utk pengaturan transporter.
Tabel 1. Transporter glukosa utama (Harper edisi 27)
35
DAFTAR PUSTAKA
Arbianto, Purwo.1994. Biokimia Konsep-konsep Dasar. Bandung: Depdikbud.
Campbell, Neil A..2010. Biologi Edisi Kedelapan Jilid 1. Jakarta: Erlangga.
Lehinger, Albert L..1982. Dasar-dasar Biokimia Jilid 2 (diterjemahkan oleh Maggy
Thenawijaya). Jakarta: Erlangga.
Suryani, Yoni. 2004. Biologi Sel dan Molekuler. Yogyakarta: FMIPA UNY
Wirahadikusumah, Muhamad. 1985. Biokimia: Metabolisme Energi, Karbohidrat, dan
Lipid. Bandung: ITB Bandung.
* Eritrosit dewasa tidak mempunyai inti sel dan organel sel ( mitokondria )
Rantai Respirasi dan
36
Siklus Asam Sitrat tidak dapat terjadi
* oksidasi glukosa di eritrosit selalu menghasilkan
asam laktat
* Glikolisis di dalam eritrosit mamalia ada jalan samping yg bertujuan untuk membentuk : 2,3-bifosfo Gli
serat
yg berfungsi untuk membantu melepas
ikatan HbO2 ( Oksihemoglobin ) menjadi Hb + O2
37