Metabolisme Karbohidrat

Karbohidrat adalah senyawa karbon yang mengandung sejumlah besar gugus hidroksil

karbohidrat terdiri atas atom C, H dan O. Adapun rumus umum dari karbohidrat adalah:

Cn(H2O)n atau CnH2nOn. Molekul karbohidrat yang paling sederhana adalah polihidroksi

aldehida dan polihidroksi keton yang mempunyai tiga hingga enam atom karbon. Fungsi

utama karbohidrat adalah sebagai cadangan energi jangka pendek (gula merupakan sumber

energi). Dan sebagai cadangan energi jangka menengah (pati untuk tumbuhan dan glikogen

untuk fungsi lainnya adalah sebagai komponen struktural sel.

1. Klasifikasi karbohidrat

Karbohidrat dapat dikelompokkan menurut jumlah unit gula, ukuran dari rantai karbon,

lokasi gugus karbonil (-C=O), serta stereokimia.

Berdasarkan jumlah unit gula dalam rantai, karbohidrat digolongkan menjadi 4 golongan

utama yaitu:

1. Monosakarida (terdiri atas 1 unit gula)

2. Disakarida (terdiri atas 2 unit gula)

3. Oligosakarida (terdiri atas 3-10 unit gula)

4. Polisakarida (terdiri atas lebih dari 10 unit gula)

Pembentukan rantai karbohidrat menggunakan ikatan glikosida.

Berdasarkan lokasi gugus –C=O, monosakarida digolongkan menjadi 2 yaitu:

1. Aldosa (berupa aldehid)

2. Ketosa (berupa keton)

Berdasarkan jumlah atom C pada rantai, monosakarida digolongkan menjadi:

1. Triosa (tersusun atas 3 atom C)

2. Tetrosa (tersusun atas 4 atom C)

3. Pentosa (tersusun atas 5 atom C)

4. Heksosa (tersusun atas 6 atom C)

5. Heptosa (tersusun atas 7 atom C)

6. Oktosa (tersusun atas 8 atom C)

1. Proses Metabolisme Karbohidrat

Karbohidrat siap dikatabolisir menjadi energi jika berbentuk monosakarida. Energi

yang dihasilkan berupa Adenosin trifosfat (ATP). Glukosa merupakan karbohidrat

terpenting. Dalam bentuk glukosalah massa karbohidrat makanan diserap ke dalam aliran

darah, atau ke dalam bentuk glukosalah karbohidrat dikonversi di dalam hati, serta dari

glukosalah semua bentuk karbohidrat lain dalam tubuh dapat dibentuk. Glukosa merupakan

bahan bakar metabolik utama bagi jaringan mamalia. Unsur ini diubah menjadi karbohidrat

lain dengan fungsi sangat spesifik, misalnya glikogen untuk simpanan, ribose dalam bentuk

asam nukleat, galaktosa dalam laktosa susu, dalam senyawa lipid kompleks tertentu dan

dalam bentuk gabungan dengan protein, yaitu glikoprotein serta proteoglikan.

Terdapat beberapa jalur metabolisme karbohidrat baik yang tergolong sebagai

katabolisme maupun anabolisme, yaitu glikolisis, siklus asam sitrat (siklus Kreb’s),

glikogenesis, glikogenolisis serta glukoneogenesis.

Secara ringkas, jalur-jalur metabolisme karbohidrat dijelaskan sebagai berikut:

1. Glukosa sebagai bahan bakar utama akan mengalami glikolisis (dipecah) menjadi 2

piruvat jika tersedia oksigen. Dalam tahap ini dihasilkan energi berupa ATP.

2. Selanjutnya masing-masing piruvat dioksidasi menjadi asetil KoA. Dalam tahap ini

dihasilkan energi berupa ATP. Asetil KoA akan masuk ke jalur persimpangan yaitu

siklus asam sitrat. Dalam tahap ini dihasilkan energi berupa ATP.

3. Jika sumber glukosa berlebihan, melebihi kebutuhan energi kita maka glukosa tidak

dipecah, melainkan akan dirangkai menjadi polimer glukosa (disebut glikogen) proses

tersebut dinamakan Glikogenesis. Glikogen ini disimpan di hati dan otot sebagai

cadangan energi jangka pendek. Jika kapasitas penyimpanan glikogen sudah penuh,

maka karbohidrat harus dikonversi menjadi jaringan lipid sebagai cadangan energi

jangka panjang.

4. Jika terjadi kekurangan glukosa dari diet sebagai sumber energi, maka glikogen dipecah

menjadi glukosa, proses ini disebut juga Glikogenelisis. Selanjutnya glukosa

mengalami glikolisis, diikuti dengan oksidasi piruvat sampai dengan siklus asam sitrat.

5. Jika glukosa dari diet tak tersedia dan cadangan glikogenpun juga habis, maka sumber

energi non karbohidrat yaitu lipid dan protein harus digunakan. Jalur ini dinamakan

glukoneogenesis (pembentukan glukosa baru) karena dianggap lipid dan protein harus

diubah menjadi glukosa baru yang selanjutnya mengalami katabolisme untuk

memperoleh energi.

2. Pengertian dan Proses Glikolisis

Glikolisis adalah rangkaian reaksi yang mengubah glukosa menjadi dua molekul

asam piruvat (ATP) dan merupakan jalur pertama yang dilakukan glukosa untuk

menghasilkan energi dan selanjutnya asetil-KoA untuk dioksidasi dalam siklus asam sitrat

(Siklus Kreb’s). Glikolisis terjadi dalam sitoplasma sel secara anaerobik (tidak

membutuhkan oksigen)menghasilkan asam laktat dan aerob menghasilkan asam piruvat.

Proses glikolisis adalah sebagai berikut :

1. Pada awalnya glikolisis dibutuhkan energi yang berasal dari dua molekul ATP, yang

pertama untuk mengikat glukosa yang masuk lintasan glikolisis, melalui fosforilasi

menjadi glukosa-6 fosfat dengan dikatalisir oleh enzim heksokinase atau glukokinase

pada sel parenkim hati dan sel Pulau Langerhans pankreas.

2. Glukosa 6-fosfat diubah menjadi fruktosa 6- fosfat dengan bantuan enzim fosfoheksosa

isomerase dalam suatu reaksi isomerasi aldosa-ketosa. -glukosa 6-fosfat.

3. ATP yang kedua digunakan untuk mengubah fruktosa 6-fosfat menjadi fruktosa 1,6-

difosfat, menggunakan enzim fosfofruktokinase dan menghasilkan ADP.

4. Fruktosa 1,6-difosfat dipecah menjadi 2 senyawa triosa fosfat yaitu gliseraldehid 3-

fosfat dan dihidroksiaseton fosfat. Reaksi ini dikatalisir oleh enzim aldolase (fruktosa

1,6-bifosfat aldolase).

5. G l i s e r a l d e h i d 3 - f o s f a t d a p a t b e r u b a h m e n j a d i d i h i d r o k s i a s e t o n f o s f a t d a n s e b a l i k n y a

(reaksi

interkonversi).

Reaksi bolak-balik ini mendapatkan katalisator enzim fosfotriosa isomerase.

6. Glikolisis berlangsung melalui oksidasi Gliseraldehid 3-fosfat menjadi 1,3-

bifosfogliserat, dan karena aktivitas enzim fosfotriosa isomerase, senyawa dihidroksi

aseton fosfat juga dioksidasi menjadi 1,3-bifosfogliserat melewati gliseraldehid 3-fosfat.

1,3-bifosfogliserat + NADH + H+D-gliseraldehid 3-fosfat + NAD + Pi

Enzim yang bertanggung jawab terhadap oksidasi di atas adalah gliseraldehid 3-fosfat

dehidrogenase, suatu enzim yang bergantung kepada NAD.

7. Energi yang dihasilkan dalam proses oksidasi disimpan melalui pembentukan ikatan

sulfur berenergi tinggi, setelah fosforolisis, sebuah gugus fosfat berenergi tinggi dalam

posisi 1 senyawa 1,3 bifosfogliserat. Fosfat berenergi tinggi ini ditangkap menjadi ATP

dalam reaksi lebih lanjut dengan ADP, yang dikatalisir oleh enzim fosfogliserat kinase.

Senyawa sisa yang dihasilkan adalah 3-fosfogliserat.

3-fosfogliserat + ATP1,3-bifosfogliserat + ADP

Karena ada dua molekul 1,3-bifosfogliserat, maka energi yang dihasilkan adalah 2 x 1P

= 2P (+2P)

8. 3-fosfogliserat diubah menjadi 2-fosfogliserat dengan dikatalisir oleh enzim

fosfogliserat mutase. Senyawa 2,3-bifosfogliserat (difosfogliserat, DPG) merupakan

intermediat dalam reaksi ini.

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

Reaksi ini melibatkan dehidrasi serta pendistribusian kembali energi di dalam molekul,

menaikkan valensi fosfat dari posisi 2 ke status berenergi tinggi. Enolase dihambat oleh

fluoride, suatu unsur yang dapat digunakan jika glikolisis di dalam darah perlu dicegah

sebelum kadar glukosa darah diperiksa.

10. Fosfat berenergi tinggi PEP dipindahkan pada ADP oleh enzim piruvat kinase sehingga

menghasilkan ATP. Enol piruvat yang terbentuk dalam reaksi ini mengalami konversi

spontan menjadi keto piruvat. Reaksi ini disertai kehilangan energi bebas dalam jumlah

besar sebagai panas dan secara fisiologis adalah irreversible. 2 molekul PEP maka

terbentuk 2 molekul enol piruvat sehingga total hasil energi pada tahap ini adalah 2 x 1P

= 2P. (+2P)

11. Jika keadaan bersifat anaerob (tak tersedia oksigen), reoksidasi NADH melalui

pemindahan sejumlah unsure ekuivalen pereduksi akan dicegah. Piruvat akan direduksi

oleh NADH menjadi laktat. Reaksi ini dikatalisir oleh enzim laktat dehidrogenase.

Dalam keadaan aerob, piruvat diambil oleh mitokondria, dan setelah konversi menjadi

asetil-KoA, akan dioksidasi menjadi CO2 melalui siklus asam sitrat (Siklus Kreb’s).

Ekuivalen pereduksi dari reaksi NADH + H+ yang terbentuk dalam glikolisis akan

diambil oleh mitokondria untuk oksidasi melalui salah satu dari reaksi ulang alik.

Kesimpulan:

Pada glikolisis aerob, energi yang

dihasilkan terinci sebagai berikut:

- hasil tingkat substrat :+ 4P

- hasil oksidasi respirasi :+ 6P

- jumlah :+10P

- dikurangi untuk aktifasi glukosa

dan fruktosa 6P : - 2P

+ 8P

Pada glikolisis anaerob, energi yang

dihasilkan terinci sebagai berikut:

- hasil tingkat substrat :+ 4P

- hasil oksidasi respirasi :+ 0P

- jumlah :+ 4P

- dikurangi untuk aktifasi glukosa

dan fruktosa 6P : - 2P

+ 2P

3. Pengertian dan Proses Glikogenesis dan Glikogenelisis

1. Glikogenesis

Glikogenesis adalah proses pembentukan glikogen dari glukosa kemudian disimpan

dalam hati dan otot. Glikogen merupakan bentuk simpanan karbohidrat yang utama di

dalam tubuh dan analog dengan amilum pada tumbuhan. Unsur ini terutama terdapat

didalam hati (sampai 6%), otot jarang melampaui jumlah 1%. Akan tetapi karena massa otot

jauh lebih besar daripada hati, maka besarnya simpanan glikogen di otot bisa mencapai tiga

sampai empat kali lebih banyak.

Proses glikogenesis adalah sebagai berikut :

1. Glukosa mengalami fosforilasi menjadi glukosa 6-fosfat (reaksi yang lazim

terjadi juga pada lintasan glikolisis). Di otot reaksi ini dikatalisir oleh

heksokinase sedangkan di hati oleh glukokinase.

2. Glukosa 6-fosfat diubah menjadi glukosa 1-fosfat dalam reaksi dengan

bantuan katalisator enzim fosfoglukomutase. Enzim itu sendiri akan

mengalami fosforilasi dan gugus fosfo akan mengambil bagian di dalam

reaksi reversible yang intermediatnya adalah glukosa 1,6-bifosfat.

Enz-P + Glukosa 1-fosfatEnz + Glukosa 1,6-bifosfat Enz-P + Glukosa 6-fosfat

3. Selanjutnya glukosa 1-fosfat bereaksi dengan uridin trifosfat (UTP) untuk

membentuk uridin difosfat glukosa (UDPGlc). Reaksi ini dikatalisir oleh

enzim UDPGlc pirofosforilase.

UDPGlc + PPiUTP + Glukosa 1-fosfat

4. Hidrolisis pirofosfat inorganic berikutnya oleh enzim pirofosfatase inorganik

akan menarik reaksi kearah kanan persamaan reaksi.

5. Atom C1 pada glukosa yang diaktifkan oleh UDPGlc membentuk ikatan

glikosidik dengan atom C4 pada residu glukosa terminal glikogen, sehingga

membebaskan uridin difosfat. Reaksi ini dikatalisir oleh enzim glikogen

sintase. Molekul glikogen yang sudah ada sebelumnya (disebut glikogen

primer) harus ada untuk memulai reaksi ini. Glikogen primer selanjutnya

dapat terbentuk pada primer protein yang dikenal sebagai glikogenin.

UDP + (C6)n+1UDPGlc + (C6)n

Glikogen Glikogen

2. Glikogenelisis

Glikogenelisis adalah sintesis glikogen menjadi glukosa (pada hati) dan asam piruvat

dan laktat pada otot. Untuk memutuskan ikatan glukosa satu demi satu dari glikogen

diperlukan enzim fosforilase. Enzim ini digunakan untuk proses fosforolisis rangkaian 1

menghasilkan glukosa 1-fosfat. Residu glukosil terminal pada rantai paling luar molekul

glikogen dibuang secara berurutan sampai kurang 6.lebih ada 4 buah residu glukosa yang

tersisa pada tiap sisi cabang 1. Glukan transferase dibutuhkan sebagai katalisator

pemindahan unit trisakarida 6 dari satu cabang ke cabang lainnya sehingga membuat titik

cabang 1 6 memerlukan kerja enzim enzim pemutus. Hidrolisis ikatan 1 cabang

(debranching enzyme) yang spesifik. Dengan pemutusan cabang tersebut, maka kerja

enzim. fosforilase selanjutnya dapat berlangsung.

4. Pengertian dan Proses Heksosa Monofosfat dan Glukogenesis

1. Heksosa Monofosfat

Heksosa monofosfat (HMP) adalah jalur penguraian gula dalam metabolisme. Reaksi

ini berguna untuk membentuk gula pentosa dll, untuk keperluan biosintesis juga untuk

mensintesis lipid. Jalur ini berlansung di sitosol.

Reaksi berlangsung sebagai berikut : lewat gula C5, ribulosa 5-fosfat, yang

merupakan prekursor gula ribosa, deoksiribosa, komponen asam nukleat, asam amino

aromatik, enzim yang digunakan adalah G6PD, Transketolase, Transaldolase, juga ATP,

NAD, FAD dan sebagainya. HMP tidak langsung menghasilkan energi, tetapi terutama

membentuk NADPH2. Dan dibagi menjadi 2 bagian yaitu :

a. oksidatif : menghasilkan NADPH2.

b. nonoksidatif : menghasilkan prekursor- prekursor ribosa.

2. Glukoneogenesis

Glukoneogenesis adalah proses biosintesis glukosa yang tidak berasal dari senyawa-

senyawa non-karbohidrat. Pelopor glukoneogenesis termasuklah laktat, asid amino

glukogenik dan α-gliserol. Glukoneogenesis terjadi jika sumber energi dari karbohidrat tidak

tersedia lagi. Maka tubuh adalah menggunakan lemak sebagai sumber energi. Jika lemak

juga tak tersedia, barulah memecah protein untuk energi yang sesungguhnya protein

berperan pokok sebagai pembangun tubuh.

Jalur glukoneogenesis dari bahan lipid maupun protein dijelaskan sebagai berikut:

o Lipid terpecah menjadi komponen penyusunnya yaitu asam lemak dan gliserol.

Asam lemak dapat dioksidasi menjadi asetil KoA. Selanjutnya asetil KoA masuk

dalam siklus Kreb’s. Sementara itu gliserol masuk dalam jalur glikolisis.

o Untuk protein, asam-asam amino penyusunnya akan masuk ke dalam siklus Kreb’s.

(Gambar proses Glukoneogenesis)

5. Pengertian dan Reaksi Energetika dan Peran Enzim dalam Siklus

Kreb’s

1. Reaksi Energetika

Reaksi energetika adalah perubahan energi yang terjadi dalam proses atau reaksi.

energetika meliputi hubungan kalor, kerja dan bentuk energi lain, dengan kesetimbangan

dalam reaksi kimia dan dalam perubahan keadaan. Prinsip energetika dalam tubuh dimulai

dari pembentukan energi (Reaksi Ersekgonik) → ATP → pemakaian energi (Reaksi

Endorgenik) → ADP →Pembentukan energi, berulang hingga menjadi sebuah siklus.

. Energi yang digunakan oleh sel-sel tubuh manusia dihasilkan dari hidrolisis ATP

sebesar 200-300 mol setiap harinya. Artinya, setiap molekul ATP didaur ulang 2000-3000

kali setiap harinya. ATP tidak dapat disimpan, karena itu, produksinya harus selalu

mengikuti penggunaannya.

Reaksi energetika yang berlangsung dalam tubuh kita dapat digambarkan seperti

berikut :

2. Peran Enzim dalam Siklus Kreb’s

Siklus Kreb’s berlangsung di dalam mitokondria. Siklus asam sitrat merupakan jalur

bersama oksidasi karbohidrat, lipid dan protein. Siklus asam sitrat merupakan rangkaian

reaksi yang menyebabkan katabolisme asetil KoA, dengan membebaskan sejumlah

ekuivalen hidrogen yang pada oksidasi menyebabkan pelepasan dan penangkapan sebagian

besar energi yang tersedia dari bahan bakar jaringan, dalam bentuk ATP. Residu KoA,

asetat aktif),asetil ini berada dalam bentuk asetil-KoA (CH3-CO suatu ester koenzim A.

Ko-A mengandung vitamin asam pantotenat.

Fungsi utama siklus asam sitrat adalah sebagai lintasan akhir bersama untuk oksidasi

karbohidrat, lipid dan protein. Hal ini terjadi karena glukosa, asam lemak dan banyak asam

amino dimetabolisir menjadi asetil KoA atau intermediat yang ada dalam siklus tersebut.

Reaksi dalam siklus Kreb’s tidak mungkin terjadi tanpa bantuan enzim. Enzim- enzim

tersebut mempunyai tugasnya masing- masing.

(Gambar Siklus Kreb’s)

Berikut ini adalah enzim- enzim dan peranannya dalam siklus Kreb’s :

No. Enzim Peranannya

1. Sitrat Sintase Pembentukan asam sitrat :

Kondensasi antara Arsetil CoA dan Oksalosetat →

Asam Sitrat

2. Akonitat Hidratase Perubahan Sitrat → Isositrat :

Asam Sitrat → Asam CIS-Akonitat → Asam Isositrat

3. Isositrat Dehidrogenase Oksidasi isositrat → ά Ketoglutarat :

Oksaloluksinat → ά Ketoglutarat

4. ά Ketoglutarat Dehidrogenase

komplex Mg2+

Oksidasi ά Ketoglutarat → Suksinol CoA

5. Suksinil CoA Sintase Perubahan Suksinil CoA → Suksinat

6. Suksinat Dehidrogenase Dehidrogenase dari Suksinat → Fumarat

7. Fumarase Hidrasi Fumarat → Malat

8. Malat Dehidrogenase Dehidrogenase Malat → Oksalosetat

6. Enzim yang Berperan dalam Metabolisme Karbohidrat

Tujuan akhir pencernaan dan absorpsi karbohidrat adalah mengubah karbohidrat

menjadi ikatan-ikatan lebih kecil, terutama berupa glukosa dan fruktosa, sehingga dapat

diserap oleh pembulu darah melalui dinding usus halus. Pencernaan karbohidrat kompleks

dimulai di mulut dan berakhir di usus halus.

Pencernaan karbohidrat :

1. Mulut

Pencernaan karbohidrat dimulai di mulut. Bola makanan yang diperoleh setelah makanan

dikunyah bercampur dengan ludah yang mengandung enzim amilase (sebelumnya dikenal

sebagai ptialin). Amilase menghidrolisis pati atau amilum menjadi bentuk karbohidrat

lebih sederhana, yaitu dekstrin. Bila berada di mulut cukup lama, sebagian diubah menjadi

disakarida maltosa. Enzim amilase ludah bekerja paling baik pada pH ludah yang bersifat

netral. Bolus yang ditelan masuk ke dalam lambung.

2. Usus Halus

Pencernaan karbohidrat dilakukan oleh enzim-enzim disakarida yang dikeluarkan olej sel-

sel mukosa usus halus berupa maltase, sukrase, dan laktase. Hidrolisis disakarida oleh

enzim-enzim ini terjadi di dalam mikrovili dan monosakarida yang dihasilkan adalah

sebagai berikut :

MaltaseMaltosa 2 mol glukosa

SukraseSakarosa 1 mol glukosa + 1 mol fruktosa

LaktaseLaktosa 1 mol glukosa + 1 mol galaktosa

Monosakarida glukosa, fruktosa, dan galaktosa kemudian diabsorpsi melalui sel

epitel usus halus dan diangkut oleh sistem sirkulasi darah melalui vena porta. Bila

konsentrasi monosakarida di dalam usus halus atau pada mukosa sel cukup tinggi, absorpsi

dilakukan secara pasif atau fasilitatif. Tapi, bila konsentrasi turun, absorpsi dilakukan

secara aktif melawan gradien konsentrasi dengan menggunakan energi dari ATP dan ion

natrium.

3. Usus Besar

Dalam waktu 1-4 jam setelah selesai makan, pati nonkarbohidrat atau serat makanan dan

sebagian kecil pati yang tidak dicernakan masuk ke dalam usus besar. Sisa-sisa pencernaan

ini merupakan substrat potensial untuk difermentasi oleh mikroorganisma di dalam usus

besar. Substrat potensial lain yang difermentasi adalah fruktosa, sorbitol, dan monomer

lain yang susah dicernakan, laktosa pada mereka yang kekurangan laktase, serta rafinosa,

stakiosa, verbaskosa, dan fruktan.

Produk utama fermentasi karbohidrat di dalam usus besar adalah karbondioksida,

hidrogen, metan dan asam-asam lemak rantai pendek yang mudah menguap, seperti asam

asetat, asam propionat dan asam butirat.