Download - narasi
1. Overview : Hubungan Katabolisme dan Anabolisme
Slide ini menunjukkan hubungan proses katabolisme dan anabolisme pada proses
metabolisme. Pada tahap pertama katabolisme, molekul-molekul besar seperti polimer,
protein, asam nukleat, polisakarida, dan lemak dipecah menjadi senyawa-senyawa yang lebih
sederhana yaitu monomer, asam amino, nukleotida, gula, asam lemak, dan gliserol. Produk
tahap kedua ini kemudian diproses lagi menjadi molekul piruvat, asetil-CoA, dan melalui
suatu siklus asam sitrat. Pada akhir reaksi akan dihasilkan molekul-molekul sederhana
seperti air, karbondioksida, dan amin disertai dihasilkannya sejumlah energi. Sebaliknya,
pada proses anabolisme, molekul yang lebih kecil diproses menjadi molekul yang lebih besar.
Proses anabolisme membutuhkan energi agar dapat berlangsung. Sehingga kesimpulannya
proses katabolisme dan anabolisme adalah proses dengan arah yang berlawanan.
Pada gambar ini diperlihatkanjalur katabolisme dengan arah menurun dan jalur anabolisme
dengan arah naik. Diketahui pula bahwa jalur metabolisme terdiri dari tiga tahapan penting.
Hubungan Metabolisme Karbohidrat, Lipid, Protein, dan Asam Nukleat
Ditunjukkan jalur metabolisme pusat dan beberapa senyawa intermediet penting pada proses
metabolisme. Metabolisme dapat dibagi menjadi tiga tahap kompleks dengan terlibatnya
sejumlah senyawa-senyawa metabolit. Pada gambar dapat diketahui bahwa sumber –
sumber energi yang dapat diolah melalui proses metabolisme (tahap 1) adalah protein, asam
nukleat, karbohidrat dan asam nukleat. Sumber energi utama adalah karbohidrat.
Kekurangan jumlah karbohidrat akan menyebabkan metabolisme berlangsung dengan
mendegradasi molekul lemak. Sumber terakhir adalah protein dan asam nukleat, yang berarti
mendegradasi diri sendiri agar tetap hidup dan memperoleh energi.
Jalur pertama adalah glikolisis, yaitu tahap penguraian molekul glukosa yang berlangsung
pada sel-sel aerob maupun anaerob. Input utama tahap glikolisis (tahap 2) adalah molekul
glukosa. Jalur ini akan mengahsilkan senyawa piruvat, asam keto dengan tiga atom karbon.
Metabolisme oksidatif (respirasi) senyawa piruvat akan menghasilkan senyawa dengan
fragmen dua atom karbon, asetil-koenzim A atau asetil-CoA. Senyawa ini kemudian diproses
secara oksidatif dalam siklus asam sitrat. Jalur melingkar ini menerima masukan senyawa
karbon sederhana, yang dihasilkan bukan hanya dari karbohidrat melainkan juga berasal dari
lemak atau protein. Produk samping hasil metabolisme protein dan lemak adalah senyawa
amin (NH3). Hasil oksidasi karbon tersebut akan menghasilkan karbondioksida (CO2).
Reaksi oksidatif siklus asam sitrat menghasilkan senyawa pembawa elektron tereduksi
(NADH dan FADH2) yang hasil reoksidasinya menjalankan biosintesis ATP.
Karbondioksida dan air yang dihasilkan dari jalur metabolisme dapat disintesis kembali
menjadi glukosa melalui jalur fotosintesis pada klorofil tanaman ditambah bantuan energi dari
cahaya matahari.
2. Karbohidrat
Glukosa merupakan senyawa monosakarida penting pada tahap metabolisme. Glukosa yang
tidak digunakan untuk mensintesis ATP akan disimpan sebagai molekul glikogen, pati, dan
sukrosa. Mekanisme metabolisme glukosa melalui jalur glikolisis akan menghasilkan
senyawa piruvat dan dihasilkannya sejumlah energi. Teraksir, senyawa glukosa dapat
dioksidasi melalui jalur pentosa posfat menghasilkan senyawa ribosa-5-posfat. Ribosa-5-
posfat adalah senyawa yang sangat penting karena merupakan prekursor bagi pembentukan
nukleotida.
2.1 Metabolisme Karbohidrat
Beberapa istilah penting dalam metabolisme karbohidrat yaitu :
Glikolisis : Degradasi glukosa menjadi piruvat
Glukoneogenesis : Pembentukan glukosa dari piruvat
Glikogenolisis : Degradasi glikogen menjadi glukosa
Glikogenesis : Sintesis glukosa menjadi glikogen
Jalur anaplerotik : Jalur darurat pada proses metabolisme
Jalur Katabolisme Karbohidrat
Glukosa melalui 10 tahapan glikolisis dirubah menjadi dua molekul piruvat. Dua molekul
piruvat kemudian melalui kondisi aerob diproses menjadi dua senyawa asetil-CoA dengan
produk sampingnya adalah dua molekul karbondioksida. Dua molekul asetil-CoA kemudian
melalui siklus asam sitrat menghasilkan masing-masing empat karbondioksida dan air.
Tahapan tersebut berlangsung pada binatang, tanaman, dan banyak sel-sel miroba pada
kondisi aerob.
Sedangkan pada kondisi anaerob, piruvat diubah menjadi etanol dan karbondioksida. Proses
ini berlangsung pada beberapa mikroorganisme seperti ragi (Saccharomyces cerrevicae)
yang disebut proses fermentasi. Tahapan oksidasi selanjutnya akan merubah alkohol menjadi
aldehid, kemudian dioksidasi lebih lanjut menjadi asam karboksilat.
Glukosa dapat pula difermentasi menjadi senyawa laktat pada kontraksi jaringan otot, sel dan
beberapa jenis mikroorganisme (contohnya adalah Lactobacillus bulgaricus yang berperan
dalam pembuatan yoghurt).
Glikolisis
Glikolisis merupakan tahap awal pada jalur katabolisme karbohidrat. Gula enam karbon
dipecah menghasilkan senyawa dengan tiga karbon, yaitu piruvat. Selama glikolisis beberapa
energi potensial yang tersimpan pada struktur heksosa dilepaskan kemudian digunakan
untuk mensintesis ATP dari ADP. Sel aerob maupun anaerob menggunakan jalur glikolisis.
Secara garis besar sepuluh tahapn glikolisis dibagi menjadi dua tahapan penting, yaitu tahap
yang membutuhkan energi dan tahap yang menghasilkan energi. Walaupun demilikan, energi
bebas Gibbs untuk total keseluruhan reaksi glikolisis adalah negatif. Hal ini menunjukkan
bahwa keseluruhan proses glikolisis menghasilkan sejumlah energi.
Total
Glukosa 2 Piruvat
2ADP 2ATP
2NAD+ 2NADH
Tahap Diperlukan Energi pada Glikolisis
Pada awal glikolisis, diinvestasikan sejumlah energi yaitu 2 molekul ATP dirubah menjadi
ADP untuk melepaskan sejumlah energi. Energi yang dilepaskan ini digunakan untuk
memulai proses glikolisis. Pelepasan energi pertama yaitu adalah ketika tahap posforilasi
glukosa menjadi glukosa-6-posfat dengan katalis enzim. Pelepasan energi kedua adalah
tahap posforilasi fruktosa-6-posfat menjadi fruktosa-1,6-biposfat. Pada fasa investasi energi
ini (lima tahap pertama), metabolisme gula diaktifkan oleh proses posforilasi.
Tahap Dihasilkan Energi pada Glikolisis
Fasa pembentukna energi dimulai dari tahap enam sampai tahap sepuluh. Senyawa posfat
triosa diaktivasi lebih lanjut menghasilkan dua senyawa mengandung iaktan posfat berenergi
tinggi (1,3-biposfogliserat dan posfoenolpiruvat). Senyawa-senyawa tersebut memiliki energi
bebas Gibbs hidrolisis yang lebih besar dibandingkan ATP, sehingga dapat dikategorikan
sebagai senyawa berenergi tinggi. Setiap senyawa tersebut memindahkan posfat berenergi
tingginya pada molekul ADP untuk mensintesis ATP. Proses ini disebut posforilasi tingkat
substrat.
Posforilasi I
Tahap ini adalah reaksi pertama proses glikolisis yaitu tahap investasi ATP yang pertama.
Terajdi peristiwa posforilasi glukosa yang bergantung pada ATP, dan dikatalisis oleh enzim
heksokinase. Pada proses ini diperlukan ion magnesium karen abentuk reaktif dari ATP di-
khelat membentuk kompleks dengan Mg2+. Enzim heksokinase berperan penting pada tahap
ini karena spesifisitas yang luas terhadap glukosa dan harga Km yang rendah terhadap
substrat glukosa (afinitas enzim heksokinase dan substrat glukosa kuat, yaitu 0,01 – 0,1 mM).
Aktivitas heksokinase diinhibisi oleh produk reaksi glukosa-6-posfat (inhibisi produk), yaitu
sebuah mekanisme kontrol pemrosesan substrat pada jalur glikolisis. Struktur enzim
heksokinase menyediakan bukti penting model katalis enzim induced-fit. Energi bebas Gibbs
pada tahap ini adalah sebesar – 16,7 kJ/mol, berarti reaksi pada tahap ini berlangsung
secara spontan.
Isomerasi
Tahap ini adalah isomerisasiglukosa-6-posfat menjadi fruktosa-6-posfat. Reaksi ini dikatalisis
oleh enzim posfoglukoisomerase menyebabkan proses isomerisasi reversibel dari senyawa
aldosa, glukosa-6-posfat (G6P), menjadi senyawa ketosa, fruktosa-6-posfat (F6P). Reaksi ini
berjalan melalui tahap pembentukan senyawa intermediet enediol yang melibatkan residu-
residu asam amino. Efek dari pemindahan oksigen karbonil dari karbon 1 menuju karbon 2
pada proses isomerisasi, yaitu gugus hidroksil pada karbon 1 dapat diposforilasi pada tahap
reaksi selanjutnya. Reaksi ini tidak berjalan secara spontan apabila tidak dikapling dengan
reaksi –reaksi selanjutnya, ditunjukkan oleh nilai energi bebas Gibbs sebesar + 1,7 kJ/mol.
Posforilasi III
Tahap ini adalah investasi ATP kedua dari rangkaian proses glikolisis. Posforfruktokinase
ATP mendororng posforilasi bergantung ATP yang kedua, menghasilkan heksosa awal
terposforilasi yaitu pada atom karbon 1 dan 6. Produknya fruktosa-1,6-biposfat (FBP),
sebelumnya disebut fruktosa-1,6-diposfat untuk menunjukkan bahwa kedua gugus posfatnya
terpisah (berbeda dengan gugus posfat pada ATP).
Seperti halnya reaksi posforilasi pada glukosa, tahap ini berlangsung eksorgonik (melibatkan
pelepasan energi oleh ATP) ireversibel secara in vivo. Mekanisme ireversibel sangat penting
karena posfofruktokinase (PFK) adalah enzim alosterik yang aktivitasnya secara langsung
spesifik terhadap kondisi energi dalam sel, begitu pula terhadap terhadap jumlah senyawa
intermediet seperti sitrat dan asam lemak. Interaksi dengan efektor alosterik akan
mengaktifkan PFK. Aktivasinya meningkatkan pemasukan karbon menuju proses glikolisis
ketika dibutuhkan pembentukan ATP yang lebih banyak dan menghambat pemasukan karbon
ketika jumlah ATP dan substrat yang dapat dioksida dalam sel mencukupi.
Pemecahan Fruktosa-1,6-Bisfosfat
Reaksi tahap keempat glikolisis ini adalah pemecahan molekul fruktosa-1,6-bisfosfat menjadi
dua molekul fosfat triosa. Reaksi ini dikatalisis oleh frktosa-1,6-bisfosfat aldolase, biasa
disebut aldolase (reaksinya adalah kondensasi aldol). Pada reaksi ini berlangsung tahap
pmisahan molekul glukosa (glikolisis) karen asenyawa enam karbon fruktosa-1,6-bisfosfat
dipotong menjadi dua molekul intermediet tiga karbon, gliseraldehid-3-fosfat dan
dihidroksiaseton fosfat.
Reaksi ini berlangsung sangat endorgonik, yaitu pembentuk fruktosa-1,6-bisfosfat sangat
disukai. Akan tetapi reaksi secara in vivo ternyata berlangsung ke arah kanan. Tahap ini
menunjukkan sangat pentingnya memperhatikan kondisi yang berlangsung di dalam sel
(bukan kondisi keadaan standar) yang menentukan arah reaksi yang disukai. Tahap ini
mengilustrasikan prinsip metabolisme yang sangat penting.
Aldolase pada kebanyakan vertebrata adalah protein tetramer. Enzim ini mengaktifkan
substrat untuk dipotong dengan cara mengkondensasi karbon keto pada posisi 2 dengan
gugus amino lisin pada sisi aktif enzim untuk menghasilkan senyawa intermediet basa Schiff.
Basa Schiff adalah produk kondensasi sebuah gugus amino dengan sebuah gugus karbonil.
Substrat yang teraktifasi akan menyebabkan lepasnya atom hidrogen pada gugus hidroksil
karbon 4, diikuti eliminasi ion enolat yang menghasilkan pemutusan ikatan di antara karbon 3
dan 4.
Isomerasi
Tahap ini adalah isomerisasi dihidroksiaseton fosfat. Hasil reaksi aldolase adalah dua
senyawa gula fosfat tiga karbon. Reaksi ini dikatalis oleh enzim triosa fosfat isomerase, yaitu
menkonversi dihidroksiaseton fosfat (DHAP) menjadi gliseraldehid-3-fosfat (G3P). Karena
G3P adalah substrat untuk rekasi glikolisis selanjutnya, maka keenam atom karbon dari
glukosa harus dikonversi melalui tahap isomerisasi ini.
Reaksi ini berlangsung endorgonik pada kondisi standar. Akan tetapi konsentrasi G3P di
dalam sel rendah, sehingga reaksi berlangsung ke arah kanan. Isomerisasi DHAP
berlangsung melalui pembentukan senyawa intermediet enediol. Sampai tahap ini, glikolisis
telah menggunakan dua molekul ATP dan menkonversi dua molekul G3P yang pada tahap
selanjutnya akan dimetabolisme menjadi senyawa bernergi tinggi yang mendorong
pembentukan ATP. Fasa membutuhkan energi pada jalur glikolisis telah selesai, dan fasa
pembentukan energi dimulai.
C6 2C3
Pada slid eini ditunjukkan proses pemutusan fruktosa-1,6-bisfsfat dengan katalis enzim
aldolase, mengahsilkan dua senyawa intermediet. Molekul pertama adalah dihidroksiaseton
fosfat (DHAP) yang merupakan potongan karbon 1, 2, dan 3 dari molekul fruktosa-1,6-
bisfosfat. Molekul kedua adalah gliseraldehid-3-fosfat (G3P) yang merupakan potongan dari
karbon 4,5, dan 6 dari molekul awal fruktosa-1,6-bisfosfat. Selnjutnya DHAP dapat dikonversi
melalui proses isomerisasi menjadi G3P dengan enzim triosa fosfat isomerase. Proses
isomerisasi sangat diperlukan karena substrat untuk reaksi tahap selanjutnya proses glikolisis
adalah molekul G3P.
Fosforelasi
Tahap ini adalah pembentukan senyawa berenergi tinggi yang pertama pad ajalur glikolisis.
Reaksi ini dikaltalis oleh enzim gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase. Reaksi ini mengahsilkan
senyawa berenergi tinggi, yaitu 1,3-bisfosfogliserat (BPG). Senyawa ini memiliki gugus asil-
fosfat pada posisi atom karbon 1 yang memiliki energi standar hasil hidrolisis yang besar,
yaitu -49,4 kJ/mol. Proses ini membutuhkan sebuah koenzim yaitu NAD+ yang berfungsi
untuk menerima elektron dari substrat yang dioksidasi.
Karena gugus asil-fosfat mengandung energi yang lebih tinggi dibandingkan anhidrida fosfat
pada ATP, 1,3-bisfosfogliserat dapat mndorong pembentukan ATP dari ADP.
Pada slide berikutnya ditunjukkan jalur reaksi gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase. Karena
gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase ternyata diinhibisi oleh iodoasetat dan logam berat
seperti merkuri. Kedua senyawa tersebut bereaksi dengan gugus sulfidril bebas
menyebabkan enzim menjadi tidak aktif. Hal ini menunjukkan bahwa enzim mengandung satu
atau lebih gugus tiol esensial. Dari gambar kedua dapat diketahui mekanisme reaksi bahwa
gugus tiol dari residu sistein diikat oleh iodoasetat. Sisi aktif enzim dihalangi keberadaan
senyawa iodoasetat sehingga tidak dapat berinteraksi dengan substrat yang seharusnya,
yaitu gliseraldehid-3-fosfat.
Oleh karena itu, dapat ditentukan mekanisme proses reaksi enzim gliseraldehid-3-fosfat
dehidrogenase. Tahap pertama adalah pembentukan senyawa intermediet tiohemiasetal
yang emrupakan interaksi antara gugus tiol sistein enzim gliseraldehid-3-fosfat
dehidrogenase dengan gugus karbonil substratnya, gliseraldehid-3-fosfat. Tahap selanjutnya
adalah oksidasi tioester oleh koenzim NAD+ menghasilkan senyawa intermediet asil-enzim,
tioester. Tioester adalah senyawa berenergi tinggi. Tahap terakhir adalah fosforilasi tioester
diserati pemotongan ikatan tioester pada senyawa intermediet asil-enzim menghasilkan
senyawa 1,3-bisfosfogliserat dan enzim bebas gliseraldehid-3-fosfat dehidrogenase. Enzim
bebas ini kemudian mengikat lagi substrat gliseraldehid-3-fosfat dan siklus terus berulang.
Tahap selanjutnya adalah tahap ke tujuh jalur glikolisis, yaitu fosforilasi tingkat substrat yang
pertama. Karena 1,3-bisfosfogliserat merupakan senyawa berenergi tinggi, maka senyawa ini
mempunyai kemmapuan mentransfer gugus asil-fosfatnya kepada ADP yang pada akhirnya
menghasilkan ATP. Reaksi ini dikatalis oleh enzim fosfogliserat kinase dan ion magnesium
berfungsi untuk mengkhelat gugus fosfat pada molekul ATP yang dihasilkan. Sampai dengan
tahap ini, total ATP dari jalur glikolisis adalah nol. Karena sebelumnya dua molekul ATP
digunakan untuk menghasilkan dua mol triosa fosfat, dan pada proses ini dihasilkan satu
molekul ATP oleh tiap mol triosa fosfat.
Pemindahan Gugus Fisfat
Tahap ini adalah penyiapan untuk sintesis senyawa berenergi tinggi berikutnya. Aktivasi 3-
fosfogliserat dimulai dengan isomerisasi yang dikatalis oleh fosfogliserat mutase. Enzim ini
memindahkan gugus fosfat dari atom karbon di posisi 3 ke posisi 2 molekul substrat,
sehingga menghasilkan 2-fosfogliserat. Pad areaksi ini dibutuhkan ion magnesium, Mg2+.
Reaksi ini pada kondisi standar sedikit endorgonik. Akan tetapi, kadar senyawa 3-
fosfogliserat dalam sel lebih tinggi dibandingkan 2-fosfogliserat sehingga reaksi secara in vivo
dapat berlangsung tanpa kesulitan ke arah kanan. Enzimnya mengandung residu fosfohistidin
di daerah sisi aktif. Fosforilasi pada enzim berlangsung setelah enzim menerima gugus fosfat
dari molekul 2,3-bisfosfogliserat yang lebih dulu disintesis dari fosforilasi 3-fosfogliserat
dengan katalis kinase. Pada tahap awal reaksi, gugus fosfat ditransfer dari enzim
(fosfoenzim) menuju substrat untuk menghasilkan senyawa intermediet 2,3-bisfosfogliserat.
Pemutusan ikatan enzim menghasilkan enzim terfosforilasi dan produk reaksi.
Tahap ke sembilan adalah sintesis senyawa berenrgi tinggi kedua. Reaksi ini dikatalis oleh
enolase menghasilkan fosfoenolpiruvat (PEP), suatu senyawa berenergi tinggi. PEP
berpartisipasi pada fosforilasi tingkat substrat kedua jalur glikolisis. Reaksi ini melibatkan
dehidrasi sederhana (eliminasi alfa-beta) dan keseluruhan energi beas yang terlibat adalah
kecil. Akan tetapi, efeknya adalah meningkatkan energi bebas hidrolisis ikatan fosfat dari -
15,6 kJ/mol (2-fosfogliserat) menjadi -61,9 kJ/mol (fosfoenolpiruvat). Karbon 2 pada
fosfoenolpiruvat terkunci pada konfigurasi enol yang tidak disukai. Ketidakstabilan
termodinamika struktur enolpiruvat menyebabkan hasil hidrolisis fosfoenolpiruvat
menghasilkan energi bebas yang sangat eksorgenik.
Pelepasan ATP
Tahap ini adalah fosforilasi tingkat substrat yang kedua, sekaligus merupakan tahap terakhir
proses glikolisis. Reaksinya dikatalis oleh piruvat kinase. Fosfoenolpiruvat melepaskan gugus
fosfatnya kepada ADP pada fosforilasi tingkat substrat lainnya, menghasilkan satu molekul
ATP. Enzim piruvat kinase membutuhkan ion magnesium dan kalium (Mg2+ dan K+).
Tautomerisasi
Dua molekul piruvat yang dihasilkan dari jalur glikolisis memiliki dua struktur. Struktur piruvat
tersebut adalah bentuk enol dan bentuk keto. Karena piruvat yang bentuk keto saja yang
merupakan substrat bagi pembentukan asetil-CoA pada reaksi selanjutnya, maka diperlukan
proses tautomerisasi. Walaupun reaksi tautomerisasi berlangsung reversibel, namun reaksi
ke arah kanan berlangsung lebih dominan dibandingkan yang ke arah kiri. Hal ini disebabkan
struktur piruvat bentuk keto lebih stabil dan lebih disukai secara energetika dibandingkan
bentuk enolnya.
Perubahan Piruvat Menjadi Asam Laktat
Molekul piruvat merupakan titik cabang pusat metabolisme. Pada sel aerob dengan laju
reaksi glikolisis yang tinggi, NADH yang terbentuk tidak semuanya dapat direoksidasi dengan
laju yang sama di mitokondria. Pada kasus seperti itu atau pada sel anaerob, yang
kekurangan mitokondria, NADH harus digunakan menjalankan reaksi reduksi substrat organik
untuk menjaga homeostatis sel. Substratnya adalah piruvat, baik pada sel eukariot maupun
bakteri asam laktat, produk yang terbentuk adalah laktat. Reaksi ini dikatalis oleh enzim laktat
dehidrogenase. Arah reaksi lebih dominan berlangsung ke arah kanan. Pada glikolisis
anaerob, NADH yang dihasilkan dari oksidasi gliseraldehid-3-fosfat digunakan untuk
mereduksi piruvat menjadi laktat.
Pada beberapa jaringan vertebrata, seperti sel darah merah dan otot, energi dihasilkan dari
metabolisme anaerob. Dalam keadaan normal, laktat yang terbentuk kemudian berdifusi dan
ditranspor ke melalui peredaran darah menuju jaringan aerob tinggi, seperti jantung dan hati.
Laktat kemudian dapat dirubah kembali menjadi glukosa melalui jalur glukoneogenesis.
Enzim laktat dehidrogenase termasuk golongan isoenzim karena memiliki beberpa jenis
bentuk molekular dengan fungsi katalisis yang sama. Laktat dehidrogenase (LDH) adalah
protein tetramer terdiri dari subunit M dan H.
Fermentasi Alkohol
Piruvat dapat melalui bebarpa jalur berbeda pada mikroorganisme anaerob. Pada bakteri
asam laktat, piruvat direduksi menjadi laktat melalui satu tahap reaksi. Sedangkan ragi
menkonversi piruvat menjadi etanol melalui dua tahap reaksi. Fermentasi alkoholik ini dimulai
dekarboksilasi nonoksidatif piruvat menjadi asetaldehid. Reaksi ini dikatalis oleh piruvat
dekarboksilase. Reaksi ini diikuti dengan reduksi asetaldehid menjadi etanol yang bergantung
pada NADH yang dikatalis oleh alkohol dehidrogenase.
Reaksi pertama memperlukan tiamin pirofosfat (TPP) sebagai koenzim. Koenzim ini dibentuk
dari vitamin B1,. Selain TPP, diperlukan juga kehadiran ion magnesium. Jaringan binatang
juga mengandung alkohol dehidrogenase walaupun etanol bukanlah produk metabolisme
utama pada sel binatang. Enzim ini berperan penting sebagai penetral racun etanol (melalui
oksidasi etanol) di dalam hati.
Tiamin Pirofosfat
Gambar (c) menunjukkan siklus pembentukan tiamin pirofosfat dalam reaksi piruvat
dehidrogenase. Tiamin pirofosfat (TPP) adalah koenzim untuk reaksi piruvat dehidrogenase
dan reaksi dekarboksilasi non oksidatif asam alfa keto lainnya. Reaksi kunci (tahap 1) adalah
penyerangan karbanion TPP oleh karbon karbonil piruvat. Kemudian diikuti dekarboksilasi
non oksidatif ikatan koenzim piruvat (tahap 2). Pasangan elektron tetap berada pada cincin
nitrogen tiazol dan distabilkan oleh resonansi. Selanjutnya fragmen dua karbon terikat pada
TPP memberikan proton (protonasi) sehingga menghasilkan sebuah senyawa bernama
hidroksietil tiamin pirofosfat (gambar b). Fragmen ini tetap pada tingkat oksidasi aldehid.
Pada proses fermentasi glukosa menjadi etanol, hidroksietil-TPP dikonversi menjadi
asetaldehid dan TPP oleh piruvat dekarboksilase ragi (tahap 4).
Pada slide berikutnya ditunjukkan beberapa jenis reaksi yang memerlukan atau bergantung
pada keberadaan tiamin pirofosfat sebagai koenzim.
Pada jalu glikoisis terdapat beberapa enzim kunci. Pertama adalah heksokinase yang
aktivitasnya dikendalikan melalui regulasi tingkat substrat oleh glukosa-6-fosfat (G6P). Kedua
adalah fosfofruktokinase, dikendalikan secara alosterik oleh beberapa efektor, yaitu fruktosa-
2,6-bisfosfat, AMP, ADP, ATP, dan sitrat. Terakhir adalah piruvat kinase dikendalikan secara
alosterik oleh efektor ATP, asetil-CoA, D-fruktosa-1,6-bisfosfat, dan modifikasi kovalen
(fosforilasi).
Siklus Asam Sitrat
Siklus asam sitrat adalah jalur untuk mengoksidasi seluruh bahan bakar metabolisme
(karbohidrat, lemak, dan protein) diproses katabolisme dalam jaringan organisme aerob.
Terdiri dari reaksi-reaksi aerob dimana karbohidrat dioksidasi menjadi karbondioksida dan air.
Siklus asam sitrat merupakan pusat jalur oksidatif pada sistem pernafasan.
Siklus asam sitrat dimulai dengan masuknya senyawa dua karbon (asetil-CoA) ditransfer
menuju asam organik empat karbon, oksaloasetat, menghasilkan asam trikarboksilik enam
karbon, sitrat (tahap 1). Asetil-CoA dihasilkan dari proses aerob piruvat produk dari reaksi
glikolisis. Sitrat selanjutnya melalui tujuh reaksi berurutan dengan dua karbon dilepas sebagai
karbondioksida, dan sisa empat karbon diproses menjadi oksaloasetat, yang siap untuk
diproses kembali. Oksaloasetat tersedia di awal siklus untuk nereaksi dengan fragmen dua
karbon teraktivasi dan oksaloasetat kembali hadir di akhir reaksi setelah fragmen dua karbon
tersebut dioksidasi menjadi karbondioksida. Kedelapan reaksi siklus asam sitrat bersama-
sama menghasilkan kofaktor-kofaktor tereduksi, yaitu NADH dan koenzim flavin tereduksi.
Siklus asam sitrat dapat dikelompokkan menjadi dua bagian besar. Fasa pertama adalah
tahap oksidasi fragmen dua karbon menjadi karbondioksida (reaksi 1 sampai 4). Sedangkan
fasa kedua adalah proses pembentukan kembali oksaloasetat (reaksi 5 sampai 8). Siklus
asam sitrat dikenal juga dengan sebutan siklus Krebs (penemunya) atau siklus asam
trikarboksilik (TCA), karena TCA diketahui terlibat sebagai senyawa intermediet reaksi. Pada
akhirnya diketahui bahwa sitrat adalah salah satu dari senyawa intermediet tersebut.
Tahap pertama adalah masuknya fragmen dua karbon (asetil-CoA) yang bereaksi dengan
oksaloasetat melalui serangan nukleofilik menghasilkan sitrosil-CoA yang sangat tidak stabil
dan segera membentuk sitrat. Tahap kedua adalah isomerisasi sitrat. Reaksi ini dikatalis oleh
asonitase menghasilkan senyawa alkoholik, isositrat, yang dapat dioksidasi. Pada reaksi ini
terbentuk senyawa intermediet yaitu cis-asonitat. Tahap ketiga adalah pebentukan
karbondioksida oleh NAD+ yang terikat pada dehidrogenase. Pda tahap ini isositrat dibentuk
menjadi alfa-ketoglutarat. Tahap ke empat adalah pembentukan karbondioksida kedua oleh
kompleks multienzim. Alfa-ketoglutarat dikonversi menjadi suksinil-CoA dengan katalis
kompleks alfa-ketoglutarat dehidrogenase. Tahap lima yaitu fosforilasi tingkat substrat.
Reaksi dikatalis enzim suksinil CoA sintetase. Senyawa berenergi tinggi, suksinil CoA,
melepaskan energi untuk membentuk ATP dari ADP. Tahap enam yaitu pembentukan
fumarat dari suksinat, produk tahap lima. Enzim yang berperan adalah suksinat
dehidrogenase, FAD terikat kovalen pada enzim melalui residu spesifik histidin menghasilkan
bentuk tereduksi di akhir reaksi. Tahap tujuh yaitu hidrasi ikatan ganda karbon-karbon.
Reaksi dikatalis enzim fumarat hidratase, lebih dieknal dengan sebutan fumarase. Reaksi ini
menkonversi fumarat menjadi L-malat. Tahap terakhir yaitu dehidrogenasi yang
menghasilkan oksaloasetat kembali. Reaksi dikatalis oleh enzim malat dehidrogenase.
Reaksi ini sangat endorgonik. Satu putaran siklus asam sitrat menghasilkan satu fosfat
berenergi tinggi melalui fosforilasi tingkat substrat, ditambah tiga NADH dan satu FADH2.
Slide berikutnya menunjukkan energi bebas yang dihasilkan dari siklus asam sitrat.
Ditunjukkan pada masing-masing tahap reaksi energi bebas Gibbs, substrat, dan enzim yang
terlibat. Keseluruhan siklus asam sitrat memberikan total energi bebas Gibbs sebesar -57,3
kJ/mol.
Siklus Glioksilat
Reaksi-reaksi yang terjadi dikatalis oleh enzim isositrat liase dan malat sintase, yaitu sebuah
jalur bypass tiga tahap siklus asam sitrat di anatara isositrat dan suksinat. Proses ini
berlangsung pada glioksisom, suatu organel spesial tempat oksidasi asam lemak menjadi
asetil CoA.
Asetil-CoA disediakan dari oksidasi asam lemak. Alternatifnya adalah asetat dikonversi
menjadi asetil-CoA oleh enzim asetat tiokinase. Selanjutnya asetil CoA berkondensasi
dengan oksaloasetat menghasilkan sitrat sebagaimana halnya siklus asam sitrat. Sitrat
berekasi dengan asonitase menghasilkan isositrat. Pada reaksi selanjutnya, isositrat dipotong
menjadi glioksilat dan suksinat oleh enzim isositrat liase. Suksinat selanjutnya dibentuk
menjadi fumarat dan kemudian adalah malat. Glioksilat kemudian menerima asetat dari asetil
CoA lainnya menghasilkan malat, pada reaksi yang dikatalis malat sintase. Kedua produk
malat tersebut kemudian didehidrogenasi menghasilkan oksaloasetat. Enzim yang terlibat,
malat dehidrogenase tersedia di glioksisom. Siklus glioksilat pada akhirnya menkonversi
fragmen dua karbon, asetil CoA menjadi senyawa empat karbon, suksinat. Suksinat
kemudian masuk ke jalur glukoneogenesis melaluikonversi menjadi oksaloasetat.
Transfer Elektron
Elektron ditransfer melalui molekul-molekul pembawa pada jalur pernafasan (respirasi).
Elektron bergerak dari potensial tinggi menuju potensial rendah dengan perantara molekul-
molekul tersebut. Elektron dibawa menuju mitokondria melalui jalur metabolisme berdasarkan
reaksi redoks.
NADH dan NADH Dehidrogenase
Sejumlah besar dehidrogenase dalam sel menghasilkan NADH. NADH mengalami oksidasi
pada tahap pertama transfer elektron di kompleks I mitokondria atau NADH dehidrigenase.
Kompleks inimengandung flavin monomukleotida (FMN) sebagai gugus prostetik yang terikat
kuat dan mengkatalis reaksi FMN menjadi FMNH2. Kompleks ini juga mengandung sejumlah
pusat besi-sulfur yang mentransfer elektron dari flavin tereduksi menuju pembawa respiraori
yang lain (Koenzim Q).
Koenzim Q
Disebut juga ubikuinon. Koenzim Q membawa elektron menuju rantai pernafasan, bukan
hanya dari NADH melainkan juga dari suksinat dan membentuk senyawa intermediet pada
oksidasi asam lemak.
Sitokrom
Heme protein yang memberikan serapan pada spektrum cahaya tampak. Sitokrom adalah
protein kecil yang berasosiasi dengan membran dalam, tetapi mudah terekstrak dalam bentuk
terlarut. Sitokrom a dan a3 adalah bagian dari kompleks IV mitokondria, sebuah kompleks
multiprotein yang disebut juga sitokrom oksidase. Kompleks ini menkatalis tahap menentukan
pada transfer elektron yaitu mereduksi oksigen menjadi air.
Fosforilasi Oksidatif
Mekanisme fosforilasi oksidatif adalah proses penyediaan energi untuk mensintesis ATP.
Reaksinya lebih kompleks dibandingkan fosforilasi tingkat substrat pada glikolisisi dan siklus
asam sitrat. Mekanisme fosforilasi oksidatif berlangsung dengan metode kupling
kemiosmotik. Energi dari transfer elektron menjalankan sistem transpor yang memompa
proton keluar matriks mitokondria ke dalam rongga antar membran. Proses ini menghasilkan
gradien elektrokimia menbran dibandingkan yang di dalam. Proton yang berada di luar
membran mempunyai kekuatan secara termodinamika untuk masuk ke dalam lagi. Ketika
proton kembali masuk kedalam membran, sejumlah energi diperoleh untuk mensintesis ATP.
Reaksi yang terjadi melibatkan dehidrogenasi NADH, FMNH2, FADH2, dan koenzim Q
tereduksi. Pemompaan proton oleh protein-protein membran menghasilkan konversi energi
osmotik dalam bentuk gradien elektrokimia atau gradien konsentrasi kimia yang menstabilkan
potensial listrik. Energi yang dilepaskan dari gradien bermuatan ini dapat dikupling dengan
fosforilasi ADP menjadi ATP tanpa pembentukan senyawa intermediet. Proses ini melibatkan
kompleks V.