BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Makanan merupakan faktor yang menentukan kesehatan individu. Makanan

yang kurang bergizi dan waktu yang tidak teratur dapat menyebabkan kesehatan

terganggu. Jumlah zat makanan yang kita makan tidak sama, tergantung

kebutuhan tubuh. Sistem kerja organ – organ pencernaan makanan yang kemudian

mengolah bahan – bahan makanan tersebut menjadi energi untuk makhluk hidup

beraktivitas.

Makhluk hidup memerlukan energi untuk pemeliharaan, pertumbuhan,

reproduksi, dan bekerja. Untuk  hampir semua Makhluk hidup, energi adalah dari

makanan yang diperoleh (secara langsung atau secara tidak langsung) dari

tumbuhan. Metabolisme adalah suatu istilah yang umum yang mengacu pada

penjumlahan dari semua perubahan tenaga biologi dan bahan.

Metabolisme energi adalah suatu ukuran dari intensitas dari hidup, suatu

statistik ringkasan dari tingkat energi gunakan.Tingkat metabolisme mengacu

pada metabolisme energi setiap waktu per unit. Dengan begitu jika satu mahkluk

hidup mempunyai suatu tingkat relatif tinggi yang berkenaan dengan

metabolisme, fisiologi keseluruhannya sedang bekerja lebih cepat.

Metabolisme merupakan modifikasi senyawa kimia secara biokimia di

dalam organisme dan sel. Metabolisme mencakup sintesis (anabolisme) dan

penguraian (katabolisme) molekul organik kompleks. Metabolisme biasanya

terdiri atas tahapan-tahapan yang melibatkan enzim, yang dikenal pula sebagai

jalur metabolisme. Metabolisme total merupakan semua proses biokimia di dalam

organisme. Metabolisme sel mencakup semua proses kimia di dalam sel. Tanpa

metabolisme, makhluk hidup tidak dapat bertahan hidup.

1.2. Skenario

Setelah berlarian tujuh putaran mengelilingi lapangan bola, Udin merasa

kecapekan, nafasnya terengah-engah. Keadaan yang dialami Udin menunjukkan

1

adanya peningkatan pembakaran energi dalam tubuh, utamanya karbohidrat.

Proses tersebut antara lain melibatkan proses glikolisis, oksidasi asam piruvat,

siklus krebs, rantai respirasi, dan fosforilasi oksidatif.

1.3. Rumusan Masalah

Dari latar belakang dan scenario diatas, dapat dirumuskan beberapa masalah,

antara lain sebagai berikut:

Bagaimanakah mekanisme pembentukan energi melalui proses glikolisis,

oksidasi asam piruvat, siklus krebs, dan fosforilasi oksidatif?

1.4. Tujuan Pembelajaran

Dari beberapa hal diatas, tujuan pembelajaran yang ingin kami capai, antara

lain sebagai berikut:

1. Mampu menjelaskan mekanisme pembentukan energi dalam tubuh

melalui proses glikolisis, oksidasi asam piruvat, siklus krebs, dan

fosforilasi oksidatif

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Energi dibutuhkan untuk proses- proses fisiologis yang berlangsung di

dalam sel- sel tubuh. Sinar matahari merupakan sumber energi utama. Saat

fotosintesis, klorofil (pigmen hijau) dalam tumbuhan mengubah sinar matahari

menjadi energy. Energi disimpan dalam bentuk ikatan kimia molekul karbohidrat.

Saat makanan yang berasal dari tumbuhan dan hewan dimakan dan dicerna,

energy yang tersimpan dalam makanan dilepaskan sehingga dapat dipakai oleh

sel. Respirasi seluler merupakan rangkaian proses enzimatik dalam sel- sel tubuh.

Pada proses ini energi yang berasal dari monosakarida, asam lemak, gliserol, dan

asam amino yang terabsorbsi diekstraksi. Energi disimpan sementara dalam

senyawa fosfat berenergi tinggi seperti ATP yang dapat langsung digunakan

dalam aktivitas seluler atau untuk diubah ke bentuk lain energi.

Metabolisme merupakan jumlah keseluruhan reaksi kimia dan fisik dan

pengubahan energi dalam tubuh yang menopang dan mempertahankan kehidupan.

1. Anabolisme meliputi reaksi- reaksi kimia untuk membentuk kompleks

molekul yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan mempertahankan

kehidupan yang disintesis dari zat yang lebih sederhana disertai

penggunaan energi.

2. Katabolisme meliputi reaksi- reaksi kimia untuk memecah kompleks

molekul menjadi molekul yang berukuran lebih kecil disertai pelepasan

energy.

3. Reaksi anabolik dan katabolik berlangsung dalam sel- sel tubuh secara

bersamaan dan berkelanjutan.

Ekstraksi energi dari glukosa dapat dibagi menjadi tiga rangkaian proses

yaitu glikolisis yang berlangsung dalam sitoplasma sel, siklus asam sitrat (siklus

Krebs, siklus asam trikarboksilat) yang berlangsung dalam mitokondria dan secara

aerob, dan transport elektron dan fosforilasi oksidatif yang juga berlangsung

dalam mitokondria dan penghasil ATP terbanyak. ATP yang didapat dari oksidasi

lengkap satu molekul glukosa bergantung pada sel dan jalur yang terlibat, tetapi

3

jumlahnya diperkirakan 36 molekul ATP. Ini menunjukkan bahwa ada sekitar

38% energy total dalam satu molekul glukosa. Sisanya dikeluarkan sebagai panas

yang akan dikeluarkan ataupun dipakai untuk mempertahankan suhu tubuh.

Glikolisis sebagai jalur pertama dalam ekstraksi energi berfungsi memecah

molekul glukosa enam karbon menjadi molekul 3 karbon (piruvat) dengan

melepas sejumlah kecil energy dalam bentuk dua molekul ATP. Sementara bagian

kedua dari katabolisme glukosa adalah siklus asam sitrat merupakan serangkaian

proses dekarboksilasi (pelepasan karbondioksida) dan reaksi redoks. Fosforilasi

oksidatif adalah suatu lintasan metabolisme dengan penggunaan energi yang

dilepaskan oleh oksidasi nutrien untuk menghasilkan ATP, dan mereduksi gas

oksigen menjadi air.(bruce dkk, 2002). Walaupun banyak bentuk kehidupan di

bumi menggunakan berbagai jenis nutrien, hampir semua organisme menjalankan

fosforilasi oksidatif untuk menghasilkan ATP, oleh karena efisiensi proses

mendapatkan energi, dibandingkan dengan proses fermentasi alternatif lainnya

seperti glikolisis anaerobik.

4

BAB III

PEMBAHASAN

3.1. Mapping

3.2 Metabolisme Karbohidrat

Metabolisme adalah jumlah keseluruhan reaksi kimia dan fisik dan

penggunaan bahan energi dalam tubuh yang menopang dan mempertahankan

kehidupan. Proses pemecahan bahan makanan ke dalam bentuk ATP dapat dilalui

dengan beberapa rangkaian proses. Dalam metabolisme karbohidrat, ekstraksi

ATP dari gukosa dapat dibagi menjadi tiga rangkaian proses, antara lain:

glikolisis, siklus krebs, dan fosforilasi oksidatif.

3.2.1 Glikolisis

Glikolisis memecah molekul glukosa enam karbon menjadi dua

molekul tiga-karbon (piruvat) dengan melepas sejumlah kecil energy dalam

bentuk dua molekul ATP. Glikolisis dibagi dalam tiga fase, yaitu glukosa

dioksidasi menjadi asam piruvat, NAD + direduksi menjadi NADH + H+ dan

ATP disintesis oleh substrat tingkat fosforilasi. Berikut adalah gambaran

glikolisis secara umum.

5

Fase pertama adalah pengaktifan glukosa. Glukosa menjadi glukosa-

6-fosfat dan dikatalis oleh enzim Heksokinase. Setelah sampai di sel,

glukosa langsung terfosforilasi menjadi glukosa-6-fosfat dengan

penambahan sebuah gugus fofat yang dipindahkan dari satu molekul ATP ke

karbon keenam glukosa. Glukosa-6-fosfat merupakan senyawa kunci yang

menyiapakan glukosa dalam reaksi katabolic untuk menyintesis glukosa

menjadi glikogen. Glukosa-6-fosfat menjadi fruktosa-6-fosfat dengan enzim

phosphoglucose isomerase. Dalam reaksi ini atom hydrogen dan oksigen

disusun ulang untuk membentuk isomer glukosa-6-fosfat. Selanjutnya,

fruktosa-6-fosfat menjadi fruktosa-1,6-bifosfat dengan enzim

fosfofruktokinase.

Fase kedua adalah pemecahan glukosa. Fruktosa-1,6-bifosfat dipecah

menjadi dua, tiga karbon isomer yaitu dihidroksiaseton fosfat dan

gliseraldehid-3-fosfat. Reaksi ini dikatalisir oleh enzim aldolase (fruktosa

1,6-bifosfat aldolase). Gliseraldehid 3-fosfat dapat berubah menjadi

dihidroksi aseton fosfat dan sebaliknya (reaksi interkonversi). Katalisator

enzim fosfotriosa isomerase.

Fase yang terakhir adalah oksidasi dan pembentukan ATP. Glikolisis

berlangsung melalui oksidasi Gliseraldehid 3-fosfat menjadi 1,3-

bifosfogliserat menggunakan enzim gliseraldehid 3-fosfat dehidrogenase,

suatu enzim yang bergantung kepada NAD. Dihasilkan tiga fosfat berenergi

tinggi. (+3P). Gugus fosfat berenergi tinggi dalam posisi 1 senyawa 1,3

bifosfogliserat. Fosfat berenergi tinggi ini ditangkap menjadi ATP → ADP .

Dikatalis oleh enzim fosfogliserat kinase. Senyawa sisa yang dihasilkan

adalah 3-fosfogliserat. Selanjutnya, 3-fosfogliserat diubah menjadi 2-

fosfogliserat menguunakan enzim fosfogliserat mutase. 2-fosfogliserat

diubah menjadi fosfoenol piruvat (PEP) dengan bantuan enzim enolase.

Enzim ini bergantung pada keberadaan Mg2+ atau Mn2+. Fosfat berenergi

tinggi PEP dipindahkan pada ADP oleh enzim piruvat kinase sehingga

menghasilkan ATP.

6

Gambar 3.1 Proses Glikolisis secara singkat

3.2.2 Siklus Krebs

Siklus Krebs adalah reaksi antara asetil ko-A dengan asam

oksaloasetat, yang kemudian membentuk asam sitrat. Siklus Krebs disebut

juga dengan siklus asam sitrat, karena menggambarkan langkah pertama dari

siklus tersebut, yaitu penyatuan asetil ko-A dengan asam oksaloasetat untuk

membentuk asam sitrat. Proses konversi yang terjadi pada siklus asam sitrat

berlangsung secara aerobik di dalam mitokondria dengan bantuan 8 jenis

enzim. Inti dari proses yang terjadi pada siklus ini adalah untuk mengubah 2

atom karbon yang terikat didalam molekul Acetyl-CoA menjadi 2 molekul

karbon dioksida (CO ), membebaskan koenzim A serta 2 memindahkan

energi yang dihasilkan pada siklus ini ke dalam senyawa NADH, FADH dan

7

GTP. Selain menghasilkan CO dan GTP, dari persamaan reaksi di atas

dapat terlihat bahwa satu putaran Siklus Asam Sitrat juga akan

menghasilkan molekul NADH & molekul FADH .

Tahapan-tahapan Siklus Asam Sitrat :

a. Asam piruvat dari proses glikolisis, selanjutnya masuk kesiklus krebs

setelah bereaksi dengan NAD+ (Nikotinamidaadenine dinukleotida) dan

ko-enzim A,membentuk asetil Ko-A. Dalam peristiwa ini, CO2 dan

NADH dibebaskan. Perubahan kandungan C dari 3C (asampiruvat)

menjadi 2C (asetil ko-A).

b. Reaksi antara asetil Ko-A (2C) dengan asam oksalo asetat (4C) dan

terbentuk asam sitrat (6C). Dalam peristiwa ini,Ko-A dibebaskan

kembali.

c. Asam sitrat (6C) dengan NAD+ membentuk asam alfaketoglutarat (5C)

dengan membebaskan CO2.

d. Pada siklus asam isositrat teroksidasi dan melepas 2 elektron hidrogen

untuk menjadi molekul berentang pendek yaitu asam oksalosuksinat.

Kemudian asam oksalosuksinat melepas 1 karbon yg masuk ke dalam

proses pembuatan 2 molekul CO2 pertama, dilepas dalam siklus sebagai

produk sisa.

e. Pembentukan asam suksinat (4C) setelah bereaksi dengan NAD+, dengan

membebaskan NADH, CO2 dan menghasilkan ATP setelah bereaksi

dengan ADP dan asam fosfat anorganik.

f. Asam suksinat yang terbentuk, kemudian bereaksi dengan FAD (Flarine

Adenine Dinucleotida) dan membentuk asammalat (4C) dengan

membebaskan FADH2

g. Asam malat (4C) kemudian bereaksi dengan NAD+ dan membentuk asam

oksaloasetat (4C) dengan membebaskan NADH, karena asam oksaloasetat

akan kembali dengan asetil ko-A seperti langkah ke 2 di atas.

8

Gambar 3.2 Siklus Asam Sitrat (Siklus Krebs)

3.2.3 Fosforilasi Oksidatif

Rantai respirasi terjadi di dalam mitokondria sebagai pusat tenaga. Di

dalam mitokondria inilah sebagian besar peristiwa penangkapan energi yang

berasal dari oksidasi respiratorik berlangsung. Sistem respirasi dengan

proses pembentukan intermediat berenergi tinggi (ATP) ini dinamakan

fosforilasi oksidatif. Fosforilasi oksidatif memungkinkan organisme aerob

menangkap energi bebas dari substrat respiratorik dalam proporsi jauh lebih

besar daripada organisme anaerob.

NADH dan FADH2 yang terbentuk pada reaksi oksidasi dalam

glikolisis, reaksi oksidasi asam lemak dan reaksi-reaksi oksidasi dalam

siklus asam sitrat merupakan molekul tinggi energi karena masing-masing

molekul tersebut mengandung sepasang elektron yang mempunyai potensial

transfer tinggi. Bila elektron-elektron ini diberikan pada oksigen molekuler,

sejumlah besar energi bebas akan dilepaskan dan dapat digunakan untuk

9

menghasilkan ATP. Fosforilasi oksidatif merupakan proses pembentukan

ATP akibat transfer electron dari NADH atau FADH2 kepada O2 melalui

serangkaian pengemban electron. Proses ini merupakan sumber utama

pembentukan ATP pada organisme air. Sebagai contoh, fosforilasi oksidatif

menghasilkan 26 dari 30 molekul ATP yag terbentuk pada oksidasi

sempurna glukosa menjadi CO2 dan H2O.

Proses fosforilasi oksidatif

Organisme kemotrop memperoleh energi bebas dari oksidasi molekul

bahan bakar, misalnya glukosa dan asam lemak. Pada organisme aerob,

akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Namun elektron tidak langsung

ditransfer langsung ke oksigen, melainkan dipindah ke pengemban-

pengemban khusus antara lain nikotinamida adenin dinukleotida (NAD+)

dan flavin adenin dinukleotida (FAD).

Pengemban tereduksi ini selanjutnya memindahkan elektron ke

oksigen melalui rantai transport elektron yang terdapat pada sisi dalam

membran mitokondriaGradien proton yang terbentuk sebagai hasil aliran

elektron ini kemudian mendorong sintesis ATP dari ADP dan Pi dengan

bantuan enzim ATP sintase. Proses tersebut dinamakan fosforilasi oksidatif.

Dalam hal ini energi dipindahkan dari rantai transport elektron ke ATP

sintase oleh perpindahan proton melintasi membran. Proses ini dinamakan

kemiosmosis.

Gambar 3.3 Fosforilasi oksidatif

10

Molekul yang berperan penting dalam reaksi ini adalah NADH dan

FADH2, yang dihasilkan pada reaksi glikolisis, dekarboksilasi oksidatif, dan

siklus Krebs. Selain itu, molekul lain yang juga berperan adalah molekul

oksigen, koenzim Q (Ubiquinone), sitokrom b, sitokrom c, dan sitokrom a.

- Pertama-tama, NADH dan FADH2 mengalami oksidasi, dan elektron

berenergi tinggi yang berasal dari reaksi oksidasi ini ditransfer ke

koenzim Q.

- Energi yang dihasilkan ketika NADH dan FADH2 melepaskan

elektronnya cukup besar untuk menyatukan ADP dan fosfat anorganik

menjadi ATP.

- Kemudian koenzim Q dioksidasi oleh sitokrom b. Selain melepaskan

elektron, koenzim Q juga melepaskan 2 ion H+.

- Setelah itu sitokrom b dioksidasi oleh sitokrom c.

- Energi yang dihasilkan dari proses oksidasi sitokrom b oleh sitokrom c

juga menghasilkan cukup energi untuk menyatukan ADP dan fosfat

anorganik menjadi ATP.

- Kemudian sitokrom c mereduksi sitokrom a, dan ini merupakan akhir

dari rantai transpor elektron.

- Sitokrom a ini kemudian akan dioksidasi oleh sebuah atom oksigen,

yang merupakan zat yang paling elektronegatif dalam rantai tersebut,

dan merupakan akseptor terakhir elektron.

- Setelah menerima elektron dari sitokrom a, oksigen ini kemudian

bergabung dengan ion H+ yang dihasilkan dari oksidasi koenzim Q oleh

sitokrom b membentuk air (H2O).

- Oksidasi yang terakhir ini lagi-lagi menghasilkan energi yang cukup

besar untuk dapat menyatukan ADP dan gugus fosfat organik menjadi

ATP.

- Jadi, secara keseluruhan ada tiga tempat pada transpor elektron yang

menghasilkan ATP.

- Sejak reaksi glikolisis sampai siklus Krebs, telah dihasilkan NADH

sebanyak 10 dan FADH2 2 molekul.

11

- Dalam transpor elektron ini, kesepuluh molekul NADH dan kedua

molekul FADH2 tersebut mengalami oksidasi sesuai reaksi berikut.

- Setiap oksidasi NADH menghasilkan kira-kira 3 ATP

- Dan kira-kira 2 ATP untuk setiap oksidasi FADH2.

- Jadi, dalam transpor elektron dihasilkan kira-kira 34 ATP.

- Ditambah dari hasil Glikolisis (2ATP) dan siklus Krebs (2 ATP), maka

secara keseluruhan reaksi respirasi seluler menghasilkan total 38 ATP

- Jadi dari satu molekul glukosa menghasilkan total 38 ATP.

- Akan tetapi, karena dibutuhkan 2 ATP untuk melakukan transpor aktif,

maka hasil bersih dari setiap respirasi seluler adalah 36 ATP.

Secara ringkas fosforilasi oksidatif, terdiri atas 5 proses dengan

dikatalisis oleh kompleks enzim, masing-masing  kompleks I, kompleks II,

kompleks III, kompleks IV dan kompleks V

Tabel 3.1 Informasi tentang enzim yang berperan dalam fosforilasi oksidatif

Nama Penyusun kDa Polypeptides

Kompleks I NADH dehydrogenase (or) 800 25

  NADH-coenzyme Q reductase    

Kompleks

IISuccinate dehydrogenase (or) 140 4

  Succinate-coenzyme Q reductase    

Kompleks

III

Cytochrome C – coenzyme Q

oxidoreductase250  9-10

Kompleks

IVCytochrome oxidase 170 13

Kompleks

VATP synthase 380 12-14 

12

Dalam fosforilasi oksidatif, daya gerak elektron diubah menjadi daya

gerak proton dan kemudian menjadi potensial fosforilasi. Fase pertama

adalah peran komplek enzym sebagai pompa proton yaitu NADH-Q

reduktase, sitokrom reduktase dan sitokrom oksidase. Komplek-komplek

transmembran ini mengandung banyak pusat oksidasi reduksi seperti flavin,

kuinon, besi-belerang, heme dan ion tembaga. Fase kedua dilaksanakan oleh

ATP sintase, suatu susunan pembentuk ATP yang digerakkan melalui aliran

balik proton kedalam matriks mitokondria.

13

BAB IV

KESIMPULAN

Dari beberapa penjelasan diatas, dapat kami tarik kesimpulan bahwa energy

yang berasal dari karbohidratt dapat diubah menjadi senyawa kimia melalui

proses glikolisis, oksidasi asam piruvat, siklus krebs, dan fosforilasi oksidatif

yang akan menghasilkan ATP sejumlah 36 ATP.

14

DAFTAR PUSTAKA

Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and

Peter Walter (2002). the Molecular Biology of Cell - Fig. 2-82. The final

stages of oxidation of food molecules (edisi ke-4). Garland Science

Guyton, A.C. & John .E.Hall. 2006. Buku Ajar Fisiologi Kedokteran. Jakarta :

EGC.

Sloane, Ethel. 2004. Anatomi Dan Fisiologi Untuk Pemula. Jakarta: EGC

15